兩型亞洲小車蝗飛行肌超微結構比較研究

韓海斌　高書晶　王寧　徐林波　董瑞文　娜仁滿都呼

摘要 亞洲小車蝗Oedaleus asiaticus B.-Bienko具有長距離遷飛能力，常遷飛為害造成嚴重損失。掌握其飛行肌結構特征，分析其飛行能力及影響因素，對提高對其監測預警水平具有重要指導作用。本研究采用電子顯微鏡對群居型和散居型亞洲小車蝗雌成蟲背縱肌進行了比較分析。結果表明：群居型和散居型成蟲飛行肌具有相似的亞細胞結構，飛行肌的肌原纖維粗細肌絲比例為1∶3，6根細肌絲環繞1根粗肌絲，形成六角形結構。飛行肌的發育和線粒體的形成均是漸進的過程，在不同日齡成蟲間存在差異。亞洲小車蝗肌原纖維直徑在0.6～1.5 μm，群居型成蟲的肌原纖維直徑多大于散居型。肌節長度為2.6～4.5 μm，7日齡肌節長度最短，多數日齡群居型成蟲肌節長度小于散居型（2.4～3.8 μm）。線粒體在背縱肌內含量占肌纖維線粒體含量的25%～45%，群居型和散居型亞洲小車蝗存在顯著差異，群居型7日齡雌成蟲線粒體占肌原纖維的比例最高，為52.37%，而散居型的只有32.74%。線粒體含量差異可能是兩型亞洲小車蝗成蟲飛行能力差異顯著的重要原因之一。

關鍵詞 亞洲小車蝗; 群居型; 散居型; 飛行肌; 超微結構

中圖分類號： S 433.2

文獻標識碼： A

DOI： 10.16688/j.zwbh.2019198

Ultrastructure of the flight muscle of female adults in the gregarious

and solitary phases of the grasshopper， Oedaleus asiaticus

（Orthoptera： Acrididae）

HAN Haibin1， GAO Shujing1*， WANG Ning1， XU Linbo1， DONG Ruiwen2， Narenmanduhu2

（1. Grassland Research Institute of Chinese Academy of Agricultural Sciences， Hohhot 010010， China;

2. Siziwang Banner Grassland Station in Wulanchabu League， Inner Mongolia， Wulanchabu 011800， China）

Abstract

Oedaleus asiaticus has the ability to migrate long distance， which has caused negative effects on the areas of destination. Understanding the structure of its flight muscle helps improve the accuracy of monitoring and warning against this pest. The electron microscopy was used to compare and analyze the ultrastructure of flight muscle of female adults in both gregarious and solitary phases of the grasshopper， O.asiaticus. The results showed that the adults of both phases shared similar structures of indirect flight muscle， in which the thick and thin filaments formed a hexagonal lattice with myosin and actin in the ratio of 1∶3. The development of flight muscle and formation of mitochondrion were gradually changeable processes with differences between different day-old adults. The diameters of the myofibril of O.asiaticus were between 0.6 and 1.5 μm. The myofibril diameters of most adults in the gregarious phase were thicker than those in the solitary phase. The length of sarcomere was 2.6-4.5 μm， and the length of sarcomere of 7-day-old adults was the shortest. Most adults in the gregarious phase were shorter than those in the homologous solitary phase （2.4-3.8 μm）. The mitochondrion content in myofibril was 25%-45%， which was significantly different between the phases： 52.37%in 7 day-old adults of the gregarious phase and 32.74%in those of the solitary phase. It is inferred that the above differences in mitochondrion content in flight muscle may contribute to different flight abilities in the two phases of O.asiaticus adults： the adults in the gregarious phase can migrate for longer distance.

Key words

Oedaleus asiaticus; gregarious phase; solitary phase; flight muscle; ultrastructure

昆蟲的遷飛行為是適應環境而長期進化出的一種生存策略[1]，昆蟲遠距離遷飛尋找食物充足、天敵少等條件適宜環境，增加種群生存繁衍的機會，遷飛害蟲常具有突發性、暴發性和毀滅性的為害特征，給農牧業生產造成重大影響[2-3]。適宜的飛行肌結構是昆蟲遠距離遷飛的基礎，昆蟲飛行能力的大小與飛行肌結構直接相關[4]。昆蟲的飛行肌結構分為兩類，同步肌和非同步肌[5]，同步肌主要集中在長翅目、蜻蜓目、直翅目、脈翅目和鱗翅目等昆蟲上[6]。同步肌在不同種類的昆蟲中負擔著行走、開掘、彈跳和飛行等多種不同功能，具體功能的不同導致了結構上的分化[7]。肌原纖維是昆蟲飛行肌的構成成分，包含多種結構蛋白[8-10]，由粗、細兩種肌絲沿肌纖維的長軸方向相互穿插、排列，形成規則的空間布局[11-12]。粗、細肌絲通過交叉收縮為昆蟲飛行提供強大的動力[13-15]。飛行肌是昆蟲飛行的動力基礎和結構基礎，昆蟲不同發育階段即不同齡期，其飛行肌結構及飛行能力均有很大的差異。飛行肌的發育狀況能反映出昆蟲的遷飛能力。目前，國內學者已經對小地老虎Agrotis ypsilon、沙漠蝗 Schistocerca gregaria、東亞飛蝗 Locusta migratoria manilensis、意大利蝗Calliptamus italicus等遷飛性害蟲的飛行肌超微結構進行了觀測[16-19]。

亞洲小車蝗Oedaleus asiaticus B.-Bienko是中國北方典型草原和農牧交錯區重要害蟲之一[20]，多聚集在禾本科草地和過度放牧草原，可以作為內蒙古草原草場退化的指示物種之一[21]。特別是進入21世紀以來，亞洲小車蝗持續暴發成災，種群數量一般占據整個蝗蟲種群的50%以上，發生嚴重時種群數量超過90%[22]，甚至在內蒙古形成遷飛蝗群，出現大面積起飛和聚集遷移現象，表現與飛蝗相似的習性[23]，對農牧業生產造成極大損失。飛蝗在田間有兩種存在形態即“群居型”和“散居型”。種群密度低時，蝗蟲在田間主要以散居型形態存在，而種群密度較高時，以群居型存在。群居型和散居型蝗蟲，共用一套基因，但在體色、行為、飛行能力、生理、形態學上存在明顯差異[24]。亞洲小車蝗具有很強的飛行能力，高書晶等研究表明，亞洲小車蝗進行12 h的吊飛測試，群居型最遠累計飛行距離可達15 km[25]。在自然生態系統中，亞洲小車蝗存在棕色群居型和綠色散居型，Cease 等研究表明棕色型和綠色型是亞洲小車蝗兩型分化的表現型[26]。蝗蟲在特定環境下從群居型轉變到散居型的形態，這種現象稱之為蝗蟲的型變。蝗蟲的型變被認為是導致其遷飛和暴發成災的關鍵因素[27]。本文從超微結構入手研究了亞洲小車蝗背縱肌的組成結構及肌纖維發育動態，明確其飛行肌的飛行能力在不同發育階段不同，剖析了兩型亞洲小車蝗飛行肌結構特征造成飛行能力差異的原理。為全面闡述其遷飛行為機制提供理論依據，有助于完善昆蟲遷飛理論和提高測報和防治水平。

1 材料和方法

1.1 供試蝗蟲及肌肉取樣

試蟲亞洲小車蝗采自內蒙古自治區，錫林浩特市鑲黃旗和西蘇旗，群居型亞洲小車蝗種群采集自小車蝗聚集為害區（≥100頭/m2），體色為褐色;散居型亞洲小車蝗種群采集自低密度區（3～5頭/m2），體色為綠色，帶回實驗室飼養至成蟲。群居型亞洲小車蝗放入邊長為80 cm的正方體養蟲籠中飼養，每籠50～60頭;散居型放入小籠中單頭飼養，用小麥苗及麥麩飼喂。飼養環境條件為溫度26～28℃，相對濕度為50%～60%，光照時間為每天14 h。分別取1、4、7、10、13日齡和20日齡的兩型亞洲小車蝗雌成蟲供試，取中胸背縱肌觀測。各日齡群居型和散居型亞洲小車蝗15頭作為電鏡觀察對象。

1.2 樣本處理

剝離亞洲小車蝗飛行肌樣品，置于2.5%戊二醛溶液中固定，4℃下過夜處理;次日，將樣品從固定液中取出，使用漂洗液（pH=7.3的梯度磷酸緩沖液）漂洗，然后用1%的鋨酸溶液固定2～3 h;將樣品取出用漂洗液漂洗樣品3～5次，然后用梯度乙醇溶液對亞洲小車蝗飛行肌樣品進行脫水，脫水后使用丙酮清洗掉乙醇溶液，最后使用環氧樹脂包埋飛行肌樣品并在70℃條件下過夜處理。使用超薄切片機（LEICA EMMZ6）對樣品進行切片（厚度約30～50 nm）。經醋酸鈾和醋酸鉛染色后在電子透射顯微鏡（Hitachi-7500）下進行超微結構觀察。

1.3 顯微結構分析

飛行肌肌原纖維的直徑為橢圓或多角形橫切面的最長軸的長度，縱切面肌節的長度為兩Z-帶之間的直線距離。橫切面的直徑和縱切面肌節的長度由顯微電鏡照片所選取的比例計算得出。根據Steer立體學原理，用已知點數的方格紙覆蓋于電子顯微照片上，通過計算某細胞器所占的點數與總點數的比來估算出該細胞器在肌纖維中所占的體積分量的方法對亞洲小車蝗飛行肌各結構的體積含量進行估算，然后應用DPS數據處理軟件選取Duncan氏新復極差法對各種處理之間的差異進行顯著性測驗分析。

2 結果與分析

2.1 亞洲小車蝗飛行肌的發育動態

亞洲小車蝗為同步飛行肌，肌原纖維的橫切面為橢圓形或者是多角形的結構，肌原纖維被線粒體包圍，兩者被肌質網分割（圖1）。肌原纖維與線粒體的體積比約為1.1∶1.0，大量的線粒體表明，飛行肌對能量的需求較大。亞洲小車蝗成蟲羽化后，其飛行肌的肌原纖維、肌質網、線粒體、細胞核、微氣管等亞細胞結構均已具備。亞洲小車蝗成蟲背縱肌的發育有一個漸進過程，一般成蟲羽化后4～5日齡時發育完全。但是飛行肌在成蟲階段也會經歷較大的變化。有的變化是定性的，例如肌絲的排列次序，有的變化則是隨著成蟲發育其長度和寬度等不斷變化。這里主要闡述肌原纖維、肌節長度和線粒體的變化。

2.1.1 肌原纖維

2.1.1.1 肌原纖維直徑

亞洲小車蝗肌原纖維直徑為0.6～1.5 μm，粗肌絲（肌球蛋白絲）的數量為200～700根。6根細肌絲環繞1根粗肌絲，形成六角形結構，每1根細肌絲位于2根粗肌絲的1/2處（圖1 b），肌絲排列的精確性，是最顯著的特征之一。

不同日齡亞洲小車蝗成蟲的肌原纖維直徑變化較大。初羽化成蟲的肌原纖維直徑最小，從1日齡開始至13日齡肌原纖維直徑一直處于增大狀態，到20日齡肌原纖維直徑有所下降（圖2）。除10日齡和13日齡之間肌原纖維直徑無顯著差異外，其余各日齡之間直徑存在顯著差異（P<0.01）;肌原纖維的直徑變幅為0.8～1.2 μm。粗肌絲的數目也存在一定差異，但差異不顯著（P>0.05）。

2.1.1.2 肌節長度

亞洲小車蝗肌原纖維的縱切面為圓柱形（圖1），成蟲肌節長約2.6～4.5 μm。肌節長度在不同日齡亞洲小車蝗成蟲飛行肌的發育過程也存在較大的差異。初期羽化成蟲的肌節較短，隨著成蟲日齡的增加，肌節長度也在不斷地變化，在成蟲4日齡時肌節長度達到最大（圖3）。

2.1.2 線粒體體積分數

亞洲小車蝗成蟲羽化初期，背縱肌內的線粒體已經基本成型，形狀多為圓形或橢圓形，少數為不規則的形狀，邊界清楚。隨成蟲日齡的不同，肌節內線粒體的大小、形狀、數量及體積含量等都會發生變化。個體間差異顯著。線粒體約占肌纖維總體積的25%～45%。

不同日齡成蟲背縱肌內線粒體的體積分數隨飛行肌發育程度變化見表1。群居型亞洲小車蝗飛行肌中線粒體體積分數隨日齡的增加呈先上升后下降的趨勢，1日齡成蟲線粒體的含量較少，為45.54%;到7日齡時線粒體含量達到最大值，為52.37%，此時肌原纖維間充滿線粒體，線粒體內膜結構較緊密;20日齡線粒體含量降到最低，為36.66%，部分線粒體出現破裂的跡象;散居型亞洲小車蝗成蟲線粒體體積分數隨日齡的增加呈先下降后上升的趨勢，7日齡達到最低，為32.74%，10日齡后又有所上升，觀察到線粒體變得疏松，出現空洞，少數線粒體膜破裂。

2.1.3 飛行肌其他結構

除了肌原纖維和線粒體外，亞洲小車蝗飛行肌主要結構還有微氣管、肌質網和細胞核等。飛行肌細胞內的微氣管有兩種類型：一類呈橢圓形和長棒槌形，位于肌膜的內側，微氣管內緣呈鋸齒狀結構。大小為（0.3×1）μm～（2.0×0.8）μm，位置在肌細胞交界處，體積較大（圖1）。另一類微氣管存在于肌原纖維間（圖1），橫向分布在線粒體之間，在肌原纖維與線粒體間多呈縱向分布，直徑約在0.16 μm。肌質網是由質膜的內膜擴展而成，成蟲肌質網不發達，約占肌纖維體積的2.5%。亞洲小車蝗細胞核主要分布在肌膜的內側（圖1），呈橢圓形，不同日齡成蟲細胞核的大小不同，平均大小為（5.5×1.1）μm～（8.9×1.3）μm。細胞核在成蟲初羽化時較小，發育中期時較大。

2.2 群居型與散居型飛行肌結構的主要差異

2.2.1 肌原纖維差異

群居型和散居型成蟲不同發育階段肌原纖維均有差異，1、10、13、20日齡群居型成蟲的肌原纖維直徑大于散居型，兩者差異顯著（P<0.05）。4、7日齡散居型成蟲肌原纖維直徑略大一些，兩者間的差異不顯著（P>0.05）（圖2）。兩型亞洲小車蝗成蟲肌原纖維肌節長度在不同日齡之間存在差異（圖3）。除7日齡時群居型肌節長度大于散居型外（P>0.05），1、4、10、13日齡群居型的肌節長度小于散居型，且差異顯著（P<0.05）;13日齡時群居型和散居型肌節長度差異極顯著。

2.2.2 線粒體含量差異

群居型和散居型成蟲間的線粒體含量在不同發育階段存在明顯差異（表1），其中1、4、7、10日齡散居型亞洲小車蝗雌成蟲飛行肌的線粒體含量顯著低于群居型雌成蟲（P<0.05）。兩型之間7日齡時差異達到最大，測定結果顯示，群居型線粒體占肌原纖維的比例最高為52.37%，而散居型的只有32.74%。

3 結論與討論

蝗蟲散居型向群居型形態轉變是導致遠距離遷飛和蝗災暴發的主要原因，遠距離遷飛能力的強弱與昆蟲飛行肌的結構特點及發育狀況存在直接的關系，飛行肌作為昆蟲肌肉系統的重要組成為昆蟲遠距離遷飛提供強大的基礎支撐[28]。肌原纖維和線粒體是亞洲小車蝗飛行肌的重要組成部分，成蟲肌原纖維的結構參數有肌原纖維直徑、肌節的長度、線粒體在肌纖維中的含量，這些參數很大程度上決定了飛行肌的強度和韌性及飛行時的能源供給[29]。而肌絲排列的有序性、粗肌絲與細肌絲的比例都與肌肉收縮速度有關[7]。電鏡檢測結果表明，亞洲小車蝗飛行肌的基本結構具有同步飛行肌的基本特征，粗細肌絲相間排列，由6根細肌絲環繞粗肌絲排列成規則的六角形，比例為1∶3，這種結構具有較強的收縮功能和飛行能力。

群居型和散居型亞洲小車蝗飛行肌結構，即纖維直徑、肌節長度和線粒體含量經歷了從羽化初期到發育盛期的變化過程，從羽化初期到發育盛期，纖維直徑增大，肌節長度縮短，線粒體含量增加。10、13日齡是兩型亞洲小車蝗飛行肌發育的盛期，后期飛行肌含量下降，發生降解，與不同日齡亞洲小車蝗飛行能力的變化趨勢相同[25]。這與對舌蠅 Glossina austeni、飛蝗 L.migratoria 、沙漠蝗S.gregaria飛行肌的研究中得到的結論相同，成蟲肌原纖維直徑、線粒體體積及飛行肌重量在羽化初期增大，后期飛行肌含量下降，有些發生降解[30-31，17];飛行能力較強的昆蟲肌纖維結構特點是肌原纖維直徑較粗、肌節長度較短、線粒體較大及含量多，在昆蟲遠距離飛行中，較粗的肌纖維直徑和較短的肌節長度能夠增加肌肉收縮頻率，提高振翅頻率，為昆蟲飛行提供良好的動力來源，同時豐富的線粒體可以為飛行提供更多的能量來源[6，18，31]。

比較群居型和散居型亞洲小車蝗飛行肌超微結構的差異可以看出：肌節長度對比，群居型1、4、10、13日齡雌成蟲肌節長度短于散居型對應日齡，差異顯著;肌原纖維直徑對比，群居型1、10、13、20日齡雌成蟲肌原纖維直徑大于散居型對應日齡，差異顯著;線粒體含量對比，群居型1、4、7、10日齡成蟲肌原纖維中線粒體含量顯著高于散居型，7日齡時兩型成蟲差異最大，群居型線粒體含量約占肌原纖維52.37%，散居型的僅為32.74%。群居型和散居型亞洲小車蝗飛行肌結構差異主要體現在群居型成蟲的肌節長度較短、肌原纖維直徑較粗、線粒體體積較大、線粒體含量較高，這些可能是群居型成蟲飛行能力顯著強于散居型的主要原因之一。劉輝等[32]對東亞飛蝗L.migratoria manilensis Meyen的研究結果顯示，群居型具有較強飛行能力，同時，群居型東亞飛蝗的肌節長度較短，肌纖維較粗并含有較多線粒體。發達的肌纖維與豐富的線粒體是小地老虎成蟲更適合高速振翅與快速飛行的保障[33]。

昆蟲飛行肌在發育過程中是變化的，同時受到環境溫濕度、食物豐富度、光照條件、個體擁擠度、風向和風力、防治手段等多種因素的影響[34-35]，與其他有遷飛習性的蝗蟲相同，亞洲小車蝗具有兩型分化，群居型個體較散居型個體有更強的飛行能力，其最大累計飛行距離可達15 km[25]，借助氣流時擴散距離更遠。研究表明，群居型東亞飛蝗最大飛行距離可達35 km[32]，群居型意大利蝗借助氣流其擴散距離可達120 km[35]。飛行肌是昆蟲飛行的動力基礎和結構基礎，是昆蟲特有的肌肉類型。對飛行肌的研究有助于了解遷飛的調控、能量利用等科學問題，飛行肌的發育過程是昆蟲生長發育中不可缺少的生理過程，關于遷飛的研究更是昆蟲學研究的熱點和切入點。國內外科研工作者對飛行肌進行了大量研究，尤其是昆蟲飛行肌動力學機制在國外研究較為深入，從物理化學的角度來探究化學能與動能的相互轉化，從微觀的層面找出昆蟲飛行能力可見差異的原因。對于昆蟲飛行肌代謝機制的研究也是重要的研究方向[36]。對于亞洲小車蝗飛行肌的研究還需深入，以期能更透徹地剖析其飛行肌的結構、各種蛋白質與遷飛行為的關系等，為合理治理亞洲小車蝗，降低蝗蟲遷飛可能性及飛蝗的監測預警提供科學依據。

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