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部分种类昆虫声学(直翅目)及嗅觉通讯(双翅目)研究

王寅亮  
【摘要】:昆虫在自然界中种类与数量非常庞大,经过长期的进化过程,昆虫形成了独特的与外界交流途径。昆虫的声学与嗅觉通讯是昆虫最为常见、最为重要的交流方式,也是当前关于昆虫交流方式的重要研究内容之一。由于昆虫的外界交流方式具有特异性,因此,本论文以直翅目(Orthoptera)昆虫和双翅目(Diptera)昆虫为研究对象,对螽斯总科(Tettigoniidae)和蟋蟀总科(Gryllidae)部分种类昆虫的鸣声声学特征、发生器结构、不同生态型的声学进化及亚洲飞蝗(Locusta migratoria migratoria)的鸣声监测进行了研究,并对虐蚊属(Anopheles)的冈比亚按蚊(Anopheles gambiae)和库蚊属(Culex)的致倦库蚊(Culex quinquefasciatus)的嗅觉受体进行了果蝇UAS-Gal4系统和非洲爪蟾卵母细胞系统的功能性表达研究。本研究对于更好的理解昆虫与外界环境的通讯进化机制,以及昆虫求偶、宿主选择、产卵等与嗅觉与声学通讯相关的行为功能具有重要意义。同时,也为潜在的害虫防治技术提供理论依据与技术支持。 本实验采用鸣声录制分析、发声器电镜扫描、数学建模、分子水平系统发育分析、转基因异源表达、电生理记录等实验方法,通过实验数据统计与比较分析,获得以下重要结论: 1.对9种螽蟖总科昆虫和3种蟋蟀总科昆虫鸣声的时域和频域特征两种声学特征进行了系统研究。结果表明,昆虫鸣声的声学特征表现出高度的种间特异性和种内稳定性。在12种昆虫的鸣声脉冲组中,脉冲个数从3个到连续,各不相同。发声频率范围从低频段(3.78±0.01kHz)到超声频段(35.3±0.3kHz)均有分布;且螽蟖物种的发声频率高于蟋蟀类,发声频率与其体长呈负相关关系;姬螽属的三种螽蟖鸣声频率范围较其他种属螽蟖要高。同时,还发现蟋蟀物种的频谱结构均为谐音,而所测螽嘶物种的鸣声特征为广谱噪音或兼有谐音和广谱噪音两种频谱结构成分。 2.采用扫描电镜技术,分析了昆虫发声器的结构特征。结果表明,螽嘶属昆虫和蟋蟀属昆虫发声器——声锉显示出很大的分化:蟋蟀属昆虫的声齿一般呈薄片状,且倾斜排列,而螽嘶属昆虫的声齿为长棒状,排列不规则。在螽嘶属内,每种昆虫的声锉结构分化也很明显,表明昆虫的发生器有较高的种间差异。同时,利用昆虫鸣声的声学特征和发声器的结构特征等以及与声学通讯相关特征进行了系统发育分析,发现依据昆虫鸣声进行分类与传统分类得到的结论相一致,证明了利用纯粹的昆虫声学通讯相关特征进行昆虫分类的可行性与可靠性。 3.对直翅目昆虫不同生态型(长翅型与短翅型)的物种——恩氏姬螽进行发声特征、发声器结构以及分子水平的研究。结果显示,在脉冲持续时间、脉冲组持续时间和脉冲间隔3个声学特征上,恩氏姬螽长翅型与短翅型具有显著差异。恩氏姬螽长翅型发出更具雌性偏好的、更为“努力”的鸣声,通过鸣声特征的改变,从而形成一定的声学补偿。同时,系统发育分析显示,恩氏姬螽长翅型与短翅型在分子水平上也存在着一定的差异,表明恩氏姬螽的不同生态型并非完全由其种群密度所决定,而是适应性进化的一种结果。 4.建立了以脉冲数为基本分类原则,兼用亚洲飞蝗鸣声声学特征的蝗虫密度的判别系统。对亚洲飞蝗鸣声声学特征的分析,结果显示,其鸣声的全部时域特征(脉冲持续时间、脉冲间隔、脉冲组持续时间、脉冲组间隔等)表现出高度的稳定性,且个体间差异很小(误差均在4.9%之内)。因此,利用脉冲宽度特征对亚洲飞蝗的鸣声样本进行数据预处理,并将脉冲计数结果输入人工神经网络进行自动训练和测试,得到了基于亚洲飞蝗鸣声的蝗虫密度等级自动判别系统。经野外声音样本测试结果显示,这种基于昆虫鸣声的密度等级判别系统的总体正确识别率达到96.67%。 5.以果蝇UAS-GAL4表达系统和触角电位记录技术EAG对虐蚊属的冈比亚按蚊的嗅觉通讯进行了研究。在克隆了冈比亚按蚊5种嗅觉受体(AgOr8、 AgOrl6、AgOr30、AgOr48和AgOr65)基础上,以pUAST为载体构建了5种受体的重组载体,获得了5种品系的(UAS-AgOr8、UAS-AgOrl6、UAS-AgOr30、 UAS-AgOr48和UAS-AgOr65)带有冈比亚按蚊受体的转基因型黑腹果蝇品系,以他们作为父本,Orco-Gal4品系果蝇做为母本进行杂交,对F1代果蝇通过表征筛选后得到了Orco-AgOrs品系的具有冈比亚按蚊受体功能表达的果蝇品系。触角电位记录显示,相较于父本和母本而言,激发冈比亚按蚊的嗅觉激发物可大大提高子1代转基因果蝇的触角电位值,结果证明了果蝇Orco-Gal4系统可作为一种简便快速的过表达工具进行其他昆虫的嗅觉单一受体的功能研究工具。同时讨论了可以激活这些嗅觉受体膜通道的化学物质1—辛稀—3醇、壬醛、6-甲基-5-庚烯-2-酮、丙位葵内酯、丁香油酚在宿主选择、报警、觅食和诱集等方面的生物功能。 6.以非洲爪蟾卵母细胞表达系统和双电极膜片嵌技术对致倦库蚊的嗅觉受体CqOR99进行了研究。使用致倦库蚊受体CqOr99进行了转录获得cRNA,通过显微注射获得了具有致倦库蚊嗅觉受体表达的非洲爪蟾卵母细胞,最后通过双电极膜片嵌技术对其进行了膜通道电流记录,经过大量的化学物质筛选发现4—甲基苯酚和5—乙基苯酚均可激发其产生很大的膜电位反应,这两种化学物质对致倦库蚊的生物学意义和CqOr99行使的生物学功能有待于进一步实验验证和探讨。 本文系统的研究了13种直翅目昆虫的声学通讯(鸣声声学特征、发声器结构、声学进化、鸣声监测四个方面),并对双翅目2种昆虫的6种嗅觉受体在分子水平上进行深入的功能性研究(分别进行了果蝇UAS-GAL4系统和非洲爪蟾卵母细胞系统的异源表达、电生理反应测量、功能性化学物质的筛选),并对两类通讯交流方式进行了简要的总结与比较,本研究结论对更好的理解昆虫与外界交流方式,以及昆虫声学和嗅觉通讯的进化、机制、功能和应用方面提供了模式性的证据和理论支持。昆虫的声学通讯和嗅觉通讯直接与昆虫的求偶、聚集、产卵和宿主选择等生物功能相关,上述结论对于这些行为学功能的研究也提供了帮助,且对于将来一些潜在的基于昆虫声学通讯和化学通讯理论的害虫防治策略提供了启示。


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