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刺吸电位技术在植食性盲蝽取食行为研究中的应用
摘要:刺吸电位技术(electrical penetration graph,简称epg)是昆虫电生理学发展的技术之一,主要用于研究刺吸式口器昆虫对寄主植物的取食行为。通过电子转换,将刺吸式昆虫取食行为中的不同阶段以不同的取食波形显示出来。本文综述了刺吸电位技术的发展历史、工作原理和植食性盲蝽的取食特点以及不同盲蝽取食行为中的epg波形变化,同时概述了epg应用中的技术要点。
  关键词:epg;植食性盲蝽;取食行为;epg波形
  中图分类号:s431.9文献标识号:a文章编号:1001-4942(2013)07-0133-05
  电信号传递是生物体内信息传递的主要方式之一[1],对电信号的研究衍生出了电生理学。作为昆虫电生理学研究的常用技术之一,刺吸电位技术(electrical penetration graph, epg)通过记录刺吸式口器昆虫口针在寄主组织中的刺探行为引起的电信号变化特征来对昆虫口针在寄主组织中的位置进行准确定位,从而对刺吸式昆虫取食行为的不同阶段进行研究。经过不断的发展,epg技术已经成为研究刺吸式口器昆虫对寄主植物的取食选择性、取食部位虫传病毒的机制和作物的抗虫机制等的重要手段[2~5]。
  epg技术最先应用于蚜虫取食行为的研究,此后逐渐应用在粉虱和叶蝉等典型刺吸式昆虫的取食行为研究中。近年来,由于植食性盲蝽类害虫的大面积暴发,epg技术在植食性盲蝽类害虫取食行为研究中的应用日益增加。在植食性的刺吸类害虫中,植食性盲蝽类昆虫属于细胞取食者,其取食行为特点与蚜虫和粉虱等汁液取食者有所不同,因而这两类昆虫取食行为的epg波形有一定的差别,在epg使用中的技术要点上也有一些差异。wwW.11665.cOM目前epg技术在植食性盲蝽取食行为研究中的应用尚有较大空间。
  1epg的发展历史及其工作原理
  1.1epg的发展历史
  epg的原型是1964年美国加利福尼亚大学mclean和kinsey设计的蚜虫取食监测系统(electrical feeding monitor),并依此建立了蚜虫的取食和分泌唾液的波形记录,及豌豆蚜取食刺吸行为与电子记录波形的对应关系,后来又观察了温度对刺吸行为的影响[6~9]。之后历经不少学者的努力改进,最终得以发展成熟[10~16]。到了20世纪80年代中期,epg技术与计算机联用,明显提高了分析效率,之后的绝大多数epg 的使用逐步建立在波形基础上,对昆虫行为生态学进行研究,研究对象也扩展到包括粉虱、叶蝉、蓟马等在内的多种刺吸式昆虫[17]。而研究方法也逐步的由单纯的epg系统向着epg系统与影像监测技术、显微技术以及荧光技术联合使用的方向转化,这无疑会使研究更加细致和深入。
  1.2epg的工作原理
  在epg整个回路中,用水溶性银胶将一根长2~3 cm、直径10~20 μm的金线(或铂金线)的末端粘在昆虫的前胸背板上[14],以此作为昆虫电极;将一根长约10 cm,直径约2 mm的铜棒插入到湿润的土壤中作为植物电极。当刺吸式昆虫口针插入到植物组织中时,整个回路接通,此时用放大器将回路电流输出成为一系列的输出电流波谱,将刺吸式昆虫的取食过程通过电位的形式记录下来[11~13,18]。
  epg的电势波动分为电阻(r)成分和电动势(emf)成分。前者由电阻变化引起,后者由生物电生理变化引起。当放大器的输入电压改变时,极性和幅度会随之改变的为r成分,保持不变的为emf成分[11~13,18]。如果整个系统的设计是基于交流电路,则称其为 ac-epg,即交流电型电子取食监测仪。ac-epg的r成分和emf 成分的变换都可引起输出电压的变化,目前在美国应用较多。若系统用一个不可转换的没有矫正器或过滤器的中至高输入电阻(109~1012 ω)的放大器或使用干电池则为直流电型电子取食监测仪(dc-epg)[11,19~21],目前欧洲应用较多。dc-epg系统的r成分固定,输出电压的变化仅为emf成分,这显然使输出的波形更加准确和细致[17]。
  2植食性盲蝽的取食特点
  植食性盲蝽为刺吸式口器昆虫,但此类昆虫属于细胞取食者(mesophyll feeder),其取食方式和蚜虫、粉虱等汁液取食者(vascular feeder)有所不同[22]。植食性盲蝽主要取食植物细胞的细胞质和细胞核,在取食时先将口针插入植物细胞内或细胞间,然后通过口针的剧烈活动撕碎植物细胞,在破坏细胞的同时分泌唾液,将要取食的食物变成泥浆状物质之后再进行吸食[23]。此类昆虫在吸食了这种泥浆状的物质后,在取食部位植物组织内留下一个空洞,造成被害植物组

织坏死,形成刺点[24,25]。
  3植食性盲蝽取食行为中的epg波形
  epg应用于盲蝽研究的时间较短,目前使用epg进行过研究的有豆荚草盲蝽[26]、中黑盲蝽[27]以及绿盲蝽[28,29]。
  3.1豆荚草盲蝽取食的 epg波形探究2002 年cline和backus首次利用ac-epg和录像设备研究了豆荚草盲蝽在人工饲料上的取食行为,首次对植食性盲蝽类昆虫的取食行为进行了epg的研究。他们共对豆荚草盲蝽取食行为中的7种行为进行了epg波形的定义,并将波形划分成了8种,分别命名为a波、b波、c1波、c2波、d波、f波、z1波以及z2波,之后又首次通过epg和录像设备对豆荚草盲蝽的口针刺探穿刺行为和其与刺探行为和非刺探行为相关的外部身体活动进行了统计学分析[30]。   3.2中黑盲蝽取食的 epg波形探究蔡晓明等(2008)[27]用dc-epg记录中黑盲蝽雌虫在菜豆、苜蓿、甘蓝、小麦、棉花等寄主上的取食行为,发现不同寄主植物上的取食波形大致相同。整个刺探波呈“~”样的波浪形,大致可分为4部分:ⅰ波、ⅱ波、ⅲ波、ⅳ波。ⅰ波表示口针的刺入;ⅱ波表示口针在撕裂植物组织和细胞,并分泌唾液;ⅲ波表示吸食,有ⅲ1和ⅲ2两种表现形式;ⅳ波表示口针的拔出。此外中黑盲蝽在菜豆、苜蓿上取食的ⅱ波中镶嵌有锯齿状k波。
  3.3绿盲蝽取食的epg波形探究对绿盲蝽取食行为的epg波形定义目前有两种,如图1和图2所示。两者的研究均以棉花作为寄主植物,但前者是以绿盲蝽4龄若虫为研究对象,后者是以绿盲蝽成虫为研究对象。所获得的波形及其定义均以中黑盲蝽取食的epg波形作为参照且大致相同。
  图1中所示有绿盲蝽取食的5种波形,称为np波、a波、m波、h波和b波。 其中np 波是绿盲蝽口针停留在叶片表面未进行刺吸行为的波形;a 波是绿盲蝽以很快速度刺入叶片的波形(0.05~0.2 hz); h 波是绿盲蝽刺入组织后,在组织内的刺探波形(0.5~1,5~6 hz);m 波是口针进入韧皮部中破碎细胞并分泌唾液(0.5~1 hz);b波是绿盲蝽在组织内部进行取食,以及取食完毕后口针拔出(0.5~1、2~3 hz)。
  图2所示绿盲蝽取食行为的epg波形与中黑盲蝽取食的epg波形大体上一致,整个取食过程的epg呈现“~”状的波浪形并分为ⅰ波、ⅱ波、ⅲ波、ⅳ波4个部分。其中ⅰ波表示绿盲蝽口针开始刺入植物组织;ⅱ波表示绿盲蝽口针已经刺入植物表皮,在撕裂植物组织或细胞;ⅲ波表示绿盲蝽在取食细胞内容物;ⅳ波表示绿盲蝽拔出口针,结束取食。
  4epg应用中的技术要点
  4.1实验材料的选择
  实验所选植物应长势良好、茎叶健壮,以尽可能的减少由于实验材料所导致的误差,叶片的选定要根据实验的具体目的来确定。为防止叶片移动造成虫体脱落,可用斜放的塑胶板或聚酯板固定叶片[31]。所用昆虫应选用行动力强的健康昆虫,虫龄的选用依据实验目的来确定,选用成虫时一般选用刚刚羽化的,若虫则选用刚完成蜕皮的。
  4.2实验昆虫的预处理
  进行epg的实验前一般需要对选用的昆虫进行固定以方便昆虫与金丝的粘连,目前常用的固定方法主要有负压法、冷冻法或co2麻醉法。负压固定可采用真空泵或负压等制作固定昆虫的装置,简单的也可以利用水流产生的负压。昆虫的麻醉方法有干冰麻醉法、冷冻法和乙醚麻醉法。目前常用麻醉法与固定法相结合的方式固定昆虫,其中麻醉法可选用co2麻醉法,固定法采用真空泵负压法。
  4.3实验昆虫与金丝的连接
  电极与昆虫虫体的连接是一个技术难点[32],即金丝表面比较光滑,横截面较小,很难聚集银胶,而试虫的连接需要一定的接触面积才能保证其牢固性。在实践中,我们可以在金丝端部制作一个钩状结构或者使之形成一个银胶球的方式解决上述难点[31]。将金丝端部浸入银胶中,抽出后让附着的银胶在空气中干燥 1~2 min,再将金丝端部浸入银胶,如此反复至金丝端部形成一个银胶球。银胶球的大小可根据昆虫个体大小进行选择。成虫和大龄若虫粘连时可先将麻醉过的绿盲蝽腹面用负压装置吸住,然后直接进行粘连;低龄若虫需要在解剖灯下进行粘连的操作。
  在将绿盲蝽与金丝粘连成功以后可直接与电极连接并开始记录,但在分析数据时应该把记录开始到开始刺探前的这段时间去掉,因为先后连接金丝的昆虫所受的干扰时间和程度不同,可能使得在记录植物上的刺探开始前的适应期不同。有学者认为在连好金丝后需要先将昆虫进行饥饿

或适应处理。
  4.4记录过程中的问题
  epg 对外界干扰十分敏感,外界电波的干扰会影响记录的信号,所以整个实验装置应置于一个电压比较稳定、免除外界干扰的环境中,dc-epg 必须使用接地的法拉第笼来屏蔽噪音[33]。在每次实验前,先要对 epg 系统和放大系数进行调校。植物电压的调校不当会造成只有正的波形或者只有负的波形被记录的情况; 而放大系数的调校不当会造成有些有意义的波形不能明确显示[34]。放大系数为 50 倍比较适宜。
  epg 实验记录时间的长短主要取决于实验目的。一般昆虫与植物关系的研究需要记录 6 h。而研究昆虫传毒机制,记录几分钟就可以了。若研究寄主植物表面或叶肉层次物理化学性质对昆虫取食行为的影响,一般记录30 min~3 h 。
  另外需要在记录时采用epg通道随机排列以及多重复的方法来尽可能的消除误差。
  5展望
  尽管epg技术经过不断的发展已经比较成熟,但目前研究较为深入的主要是一些汁液取食类的刺吸式昆虫如蚜虫、粉虱等。对植食性盲蝽等细胞取食者的研究仍然不甚深入,现作出定义的一些盲蝽类昆虫取食波形都是针对的一些较为笼统的行为意义;对盲蝽取食波形的划分还不够细致,且没有经过验证;对一些不规范波形如突然超出量程的情况尚未发现出现原因及其行为学意义,这还需要进行更加细致的研究;同时在实验过程当中的一些操作技术需要进一步的规范。鉴于近年来植食性盲蝽对果树的危害日益严重,epg技术用于果树危害研究的可能性也需要进行探究。
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  •  更新时间:2013-10-13 00:15:38  作者:佚名 [标签: 电位 植食性 植食性 电位器 植食性 动作电位 ]
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