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双条杉天牛(Semanotus bifasciatus Motschulsky)是东亚特有的鞘翅目害虫,广泛分布于中国东北、华北、西北和华东等地区以及朝鲜、韩国和日本等国家。主要危害侧柏(Platycladus orientalis (L.) Franco)、桧柏(Sabina chinensis (L.) Ant. )和罗汉松(Podocarpus macrophyllus (Thunb.) D. Don)等树种,尤其对我国北方地区的侧柏林构成重大威胁[1]。双条杉天牛成虫倾向于在衰弱树或新伐倒木树皮翘裂缝深处产卵,幼虫可在韧皮部和木质部蛀成不规则坑道,切断和破坏寄主的输导组织,影响养分的运输最终导致寄主死亡[2]。由于幼虫在树皮下隐蔽危害,化学药剂防控困难,目前主要的防治手段是饵木诱杀,虽有效果但耗时耗力、不可持续。
昆虫表皮碳氢化合物是昆虫表皮蜡质层中的主要成分,大多为碳数在20~50、直链或支链、饱和或不饱和的烃类化合物[3]。表皮碳氢化合物在昆虫生存中扮演着重要的角色,能够起到防止水分散失,避免机械擦伤,隔离微生物和化学物质的屏障作用[4-5],同时也能作为昆虫化学分类特征[6-7]。此外,其也能介导物种和性别识别,是雌雄交配信号传递的基础[8-10],在昆虫生殖行为中扮演重要的角色。昆虫体壁碳氢化合物的组成受到多种因素的影响,包括性别、龄期、性成熟度以及社会性昆虫的多态性[11]。Sano等[12]发现铺道蚁(Tetramorium caespitum L.)体壁碳氢化合物中C15 ~C31之间的单甲基支链烷烃含量为45%~56%、正烷烃含量为16%~40%、烷烯烃含量为10%~20%,相对丰度具有特异性的甲基支链烷烃和烷烯烃在识别同种种群和防止非同巢穴蚁群侵入方面具有信号识别作用。Balbuena等[13]发现无刺蜂(Tetragonisca angustula Latreille)负责守卫的工蜂体壁碳氢化合物中的甲基支链烷烃的相对丰度比巢内工蜂及负责觅食的工蜂高很多,行为试验说明体壁碳氢化合物在种姓识别方面具有重要作用。我们在室内进行双条杉天牛交配行为试验,发现只有在雄虫触角接触到雌虫鞘翅体壁后,才能立即发生交尾行为,这说明体壁碳氢化合物可作为接触性识别信息素在雌雄成虫交配过程中发挥重要作用。本研究对双条杉天牛老熟幼虫、刚羽化的成虫和扬飞期成虫体壁碳氢化合物进行分析,探讨体壁碳氢化合物成分在不同性成熟度的虫期中的变化规律,为进一步研究其在生殖行为中的功能奠定基础。
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固相微萃取法提取双条杉天牛3个虫期体壁碳氢化合物分析结果表明,体壁碳氢化合物成分主要由正烷烃、烷烯烃和甲基支链烷烃构成(图1,表1)。幼虫体壁碳氢化合物中n-C27、n-C25和角鲨烯(squalene)含量较高,三者占总碳氢化合物含量的61.75%;其次为3Me-C25和n-C29,含量占25.90%。在个别幼虫体壁碳氢化合物中检测出n-C15和n-C16成分,在全部幼虫体壁中未检测出11Me-C25、11Me-C26、11Me-C27和3Me-C27成分。刚羽化的成虫体壁碳氢化合物中n-C25和n-C27含量较高,未检测到3Me-C27、n-C31和角鲨烯成分,雄成虫比雌成虫多n-C15、n-C16和n-C19,其他成分雌雄一致且3Me-C25、11Me-C27和n-C28在雌雄体壁碳氢化合物中差异显著。扬飞期雌雄成虫体壁碳氢化合物成分一致,n-C25含量最高,其次是n-C26和3Me-C25。另外,11Me-C25、3Me-C25、11Me-C26、11,15diMe-C27和n-C28 5种成分在雌雄成虫体壁中的相对百分含量差异显著。
Figure 1. Total ion chromatogram of the cuticular hydrocarbonssampled by SPME from mature larvae of Semanotus bifasciatus
Peak
No.体壁碳氢化合物
Cuticular Hydrocarbons保留指数
KIs双条杉天牛不同虫期体壁碳氢化合物相对百分含量
The relative amounts of cuticular hydrocarbons from different
developmental stages of S. bifasciatus/%幼虫体壁
larval body wall(±SE),
n=4刚羽化的雌虫体壁
Newly emerged female adult elytra (±SE),
n=4刚羽化的雄虫体壁
Newly emerged male adult elytra (±SE),
n=4扬飞期雌虫鞘翅
Flying stage female adult elytra(±SE),
n=5扬飞期雄虫鞘翅
Flying stage male adult elytra(±SE),
n=51 n-C15 1 500 1.16 — 3.10 — — 2 n-C16 1 600 1.29 a* — 3.60±0.63 a — — 3 n-C19 1 800 — — 4.90±3.35 — -— 4 n-C23 2 300 — — — 2.32±0.20 a 2.89±0.95 a 5 n-C24 2 400 — — — 1.24±0.126 a 0.83±0.01 a 6 n-C25 2 500 20.78±5.83 a 30.88±3.07 a 34.60±4.23 a 27.87±6.50 a 27.49±6.13 a 7 11Me-C25 2 531 — 2.77±0.68 C 1.56±0.24 C 10.68±1.11 B 18.97±2.08 A 8 3Me-C25 2 569 13.00±11.62 a 14.82±1.76 a 8.90±1.45 b 17.21±2.78 a 8.45±1.09 b 9 n-C26 2 600 2.26±0.13 B 3.74±0.56 B 2.54±0.70 B 14.36±1.19 A 10.58±1.34 A 10 11Me-C26 2 624 — 1.75 ±0.05B 2.70±0.54 B 1.53±0.23 B 11.95±4.73 A 11 n-C27 2 700 21.57±0.75 Aa 14.65±2.75 Ab 15.86±4.88 Ab 3.78±0.42 Bc 3.46±0.07 Bc 12 11Me-C27 2 732 — 6.35±0.83 a 2.76±0.69 b 7.09±0.93 a 8.58±1.47 a 13 11,15diMe-C27 2 759 2.93±075 b 13.89±0.44 a 9.93±3.00 a 8.31±0.76 a 2.87±0.01 b 14 3Me-C27 2 771 — — — 2.05±0.184 a 3.19±0.01 a 15 n-C28 2 800 0.76±0.48 c 9.40±1.63a 3.41±0.87 bc 3.56±0.23 b 0.74±0.17 c 16 squalene 2 828 19.40±7.06 — — — — 17 n-C29 2 900 12.90±0.62 A 1.75±0.31 B 6.14±1.52 B — — 18 n-C31 3 100 3.95±0.68 — — — — 注:每行后相同小写字母表示不同虫期体壁碳氢化合物不同成分含量差异不显著(α=0.05),相同大写字母表示含量没有极显著差异(α=0.01),n为测试重复数。
Note: The same lowercase letters in each row indicated the CHCs from different developmental stagesare notsignificantly differentat α=0.05 level, and the same capital lettersin each row are notsignificantly different at α=0.01 level. “n” is the replicates.Table 1. Cuticular hydrocarbons analyzed by SPME-GC-MS from different developmental stages of Semanotus bifasciatus
碳氢化合物成分n-C23、n-C24和3Me-C27仅在扬飞期雌雄成虫体壁中检测到,且在雌雄两性成虫中相对含量差异不显著。n-C25在3个虫期体壁中相对百分含量均最高,相互间差异不显著。n-C26在扬飞期雌雄成虫体壁中的含量极显著高于幼虫和刚羽化的雌雄两性成虫(F=33.77,P=0.001)。n-C27在3个虫期体壁碳氢化合物中相对百分含量呈下降趋势,且扬飞期雌雄成虫相对百分含量极显著低于幼虫和刚羽化的雌雄成虫(F=9.66,P=0.001)。n-C28在3个虫期中相对百分含量均较低,刚羽化的雌成虫体壁中的含量显著高于其他虫期(F=12.78,P=0.02)。n-C29在幼虫体壁中的含量极显著高于刚羽化的雌雄成虫体壁中的含量(F=42.49,P=0.01),但是在扬飞期雌雄成虫中未检测到该成分。n-C31仅在幼虫体壁碳氢化合物中检测到。
体壁碳氢化合物中11Me-C25的含量随虫体的发育呈现增长,在扬飞期雌雄两性中占比极显著高于刚羽化的雌雄两性(F=57.32,P=0.001),且在扬飞期雄性成虫体壁中的占比极显著高于雌性(F=12.86,P=0.016)。11Me-C26在扬飞期雄成虫体壁碳氢化合物中的占比高达11.95%,而在其他虫期中该成分的占比仅在1.5%~3.0%之间,极显著高于其他虫期体壁碳氢化合物中的占比(F=56.65,P=0.001)。11Me-C27在扬飞期雌雄两性成虫及刚羽化的雌虫体壁碳氢化合物中所占比例相近且差异不显著,但是显著高于刚羽化的雄成虫(F=6.69,P=0.009)。3Me-C25在雌成虫体壁碳氢化合物中占比显著高于雄成虫(F=5.90,P=0.045)。3Me-C27在扬飞期雌雄两性成虫体壁碳氢化合物中占比差异不显著。11,15diMe-C27在幼虫与扬飞期雄成虫之间占比差异不显著(P>0.05),在刚羽化的雌雄成虫及扬飞期的雌成虫之间差异也不显著。该成分在扬飞期雌雄成虫体壁碳氢化合物相对含量间差异显著(F=12.78,P=0.023)。
-
幼虫体壁碳氢化合物中n-C31(1.44 ng)是成虫所不具有的,这与SPME分析结果一致;但是没有检测到角鲨烯,这与SPME分析结果相反。在幼虫体壁碳氢化合物中未检测到C15~C24的正烷烃及11Me-C26、11Me-C27和3Me-C27的甲基支链烷烃。刚羽化的雌雄成虫体壁碳氢化合物成分基本一致,且雌雄间含量差异不显著;n-C15和n-C16仅在刚羽化的雄成虫体壁中存在,而n-C18在刚羽化的雌雄成虫体壁中均检测到。在扬飞期性成熟的雌雄成虫体壁碳氢化合物成分一致,但是11Me-C26(χ2=4.50,P=0.034)、11Me-C27(χ2=6.00,P=0.034)、11,15diMe-C27(χ2=5.06,P=0.023)和3Me-C27(χ2=4.50,P=0.034)在雌性成虫体壁中的含量均显著高于雄性成虫体壁中的含量;n-C23、11Me-C26和3Me-C27在幼虫和刚羽化的雌雄成虫体壁中未检测到,在扬飞期雌雄成虫体壁碳氢化合物中含量介于2~13 ng之间。其他成分含量雌雄个体间虽然没有统计差异(例如,3Me-C25,χ2=3.76,P=0.053),但是雌性个体体壁碳氢化合物含量均高于雄性个体(n-C23和n-C24除外)(表2)。
Peak
No.体壁碳氢化合物
Cuticular Hydrocarbons保留指数
KIs双条杉天牛不同虫期体壁碳氢化合物含量/(纳克·头−1)
The absolute amounts of cuticular hydrocarbons from different developmental stagesof S. bifasciatus/(ng·individual−1)幼虫体壁
larval body wall (±SE), n=8刚羽化的雌虫体壁
Newly emerged female adult elytra (±SE), n=6刚羽化的雄虫体壁
Newly emergedmale adult elytra(±SE), n=5扬飞期雌虫鞘翅
Flying stage female adult elytra(±SE), n=5扬飞期雄虫鞘翅
Flying stage male adult elytra(±SE), n=51 n-C15 1 500 — — 19.91±4.30 — — 2 n-C16 1 600 — — 1.33±0.05 — — 3 n-C18 1 800 — 7.03±3.72 a 2.10±0.48 a — — 4 n-C23 2 300 — — — 4.66±2.62 a 11.60±3.09 a 5 n-C24 2 400 — 1.41±0.08 a 1.33±0.06 a 5.44±0.95 a 12.38±2.15 a 6 n-C25 2 500 20.61±2.43 b* 39.47±2.40 a 26.75±4.70ab 110.65±43.26 a 69.72±12.51 a 7 11Me-C25 2 531 3.19±0.49 b 2.11±0.11 b 1.98±0.17 b 53.99±9.64 a 30.24±6.28 a 8 3Me-C25 2 569 5.79±0.81 c 18.26±1.33 b 13.81±2.76 b 67.27±21.08 a 26.37±2.18 a 9 n-C26 2 600 3.01±0.18 b 2.99±0.24 b 2.47±0.26 b 58.63±16.96 a 29.83±3.16 a 10 11Me-C26 2 624 — — — 12.60±3.18 a 2.87±0.66 b 11 n-C27 2 700 43.03±1.62 a 9.32±0.88 b 7.72±1.19 b 12.71±5.54 b 4.49±1.28 b 12 11Me-C27 2 732 — 4.12±0.90 b 1.94±0.28 b 15.59±2.89 a 3.50±1.30 b 13 11,15diMe-C27 2 759 7.06±0.34 b 7.96±2.16 b 8.41±3.80b 18.25±8.89 a 4.90±1.57 b 14 3Me-C27 2 771 — — — 5.72±1.40 a 2.03±0.38 b 15 n-C28 2 800 1.54±0.12 a 4.92±0.93 a 3.40±0.43 a 3.43±0.39 a 6.45±3.49 a 16 n-C29 2 900 15.69±1.61 a 2.12±0.15 b 1.94±0.05 b — — 17 n-C31 3 100 1.44±0.08 — — — — 注:每行数字后相同小写字母表示不同虫期体壁碳氢化合物成分含量差异不显著(α=0.05),“n”为测试重复数。
Note: The same lower case letter in each row indicated the CHCs are not significant differences (α=0.05), “n” is thereplicates.Table 2. Cuticular hydrocarbons analyzed by hexane extract-GC-MS from different developmental stages of Semanotus bifasciatus
n-C24在雌雄成虫间差异不显著(χ2=6.60,P=0.086),但是刚羽化的雌雄成虫体壁中的含量均低于扬飞期雌雄成虫体壁中的含量。n-C25在幼虫体壁中含量显著低于刚羽化的雌虫(χ2=8.817,P=0.003)、扬飞期雌虫(χ2=6.00,P=0.014)和扬飞期雄虫(χ2=4.50,P=0.034)体壁中的含量;相反n-C27在幼虫体壁中含量显著高于刚羽化的雌虫(χ2=9.60,P=0.002)、雄虫(χ2=7.39,P=0.007);以及扬飞期的雌虫(χ2=8.595,P=0.003)和雄虫(χ2=6.00,P=0.014)体壁中的含量。n-C26在幼虫和刚羽化的雌雄成虫体壁中含量差异不显著,均在2~3 ng之间,而在扬飞期雌雄两性成虫体壁中该成分的含量显著增高(χ2=6.00,P=0.014),达到30~60 ng。n-C28在3个虫期的体壁碳氢化合物中均被检测到,含量在1.5~6.5 ng之间,且各虫期间差异不显著。n-C29在扬飞期成虫体壁中未被发现,在幼虫体壁中的含量显著高于刚羽化的雌雄两性成虫(χ2=2.40,P=0.012)。
11Me-C25在扬飞期雌雄两性成虫体壁碳氢化合物中的含量显著高于刚羽化的雌雄成虫及幼虫。3Me-C25在3个虫期体壁碳氢化合物中含量差异显著(幼虫期:刚羽化成虫期,χ2=9.60,P=0.002;刚羽化成虫:扬飞期成虫,χ2=7.50,P=0.006),且含量随着天牛的发育明显增多,由幼虫期的5.79 ng增长到扬飞期雌性成虫中的67.27 ng。11Me-C27在扬飞期雌性成虫体壁中的含量显著高于刚羽化的雌雄两性成虫和扬飞期雄性成虫体壁中的含量(χ2=6.00,P=0.014),且随着雌雄成虫的发育呈现增长趋势。11,15diMe-C27在幼虫、未成熟两性成虫和成熟雄性体壁中的含量差异不显著,但在扬飞期雌性成虫体壁中的含量显著增高(χ2=7.53,P=0.006)。3Me-C27在扬飞期雌成虫体壁中的含量显著高于雄成虫体壁中的含量(χ2=4.50,P=0.034)。