研究背景

许多昆虫具有垂直甚至倒挂在植物表面等接触界面的能力，这种能力与昆虫足部的粘附结构密切相关，包括跗节上的刚毛、爪垫等。例如，蚂蚁使用爪间柔软光滑的中垫 (arolium) 进行附着，苍蝇在爪下有两个有毛的爪垫 (pulvilli)、叶甲则依靠跗节上的大面积粘附刚毛。过去的研究表明，昆虫中粘附结构的形态多样性极高，但粘附微结构与环境之间的关系并不明确。一般来说，与植物密切接触的群体粘附结构更为发达。我们推测，许多植食性类群或一些树栖捕食性类群可能经历过环境中光滑植物界面的选择压力，但也同时受到其它因素，如交配行为的影响，更深入的分析和系统研究相对较少。

近日，中国科学院动物研究所白明研究团队与廊坊师范学院、德国基尔大学合作在 Insects 期刊上发表了题为“Leg Attachment Devices of Tiger Beetles (Coleoptera, Cicindelidae) and Their Relationship to Their Habitat Preferences”的研究论文，揭示了昆虫足部粘附结构的超微形态与交配行为、栖息环境之间的功能适应关系。

研究过程与结果

研究对象

虎甲科 (Cicindelidae) 隶属于鞘翅目步甲总科，为捕食性昆虫。全世界共有130属2900余种。以其极高的奔跑速度和高度发达的视觉系统而闻名。根据现代系统发育学研究，将虎甲科分为六个族。其中，Manticorini族、Megacephalini族、Cicindelini族和Oxycheilini族的大多数物种生活在砾石地面上，奔跑迅速，而Collyridini族和Ctenostomatini族为树栖。虎甲的栖息环境呈现出多样化。

图1. 栖息在不同环境中的树栖和非树栖虎甲。

研究结果

本研究利用扫描电子显微镜获得了虎甲族Cicindelini三个种 (非树栖) 和树栖虎甲族Collyridini族两个种 (树栖) 的足部超微粘附结构。我们发现：

虎甲足部的粘附结构具有明显的性二型。在三种非树栖物种中，雌性不具有粘毛，而雄性足跗节具有长匙状粘毛。长胸缺翅虎甲 Tricondyla pulchripes (树栖物种) 的雌性具有分支状和线状粘毛，雄性具有分支状、线状和椭圆状三种粘毛。线形树栖虎甲 Neocollyris linearis (树栖物种) 的雌性具有披针状和抹刀状粘毛，雄性具有披针状、抹刀状和圆盘状粘毛 (图2)。

图2. 线形树栖虎甲Neocollyris linearis足部跗节和粘附刚毛。

不同栖息环境中的雄性虎甲均具有 “性毛”，这些性毛的结构与交配过程中所接触的雌性表面及交配行为方式有直接关系，雄性具有发达上颚的虎甲族Cicindelini种类，其上颚在交配过程中会钳住雌性的胸部 (图3A)，对应的，其足部上“性毛”的粘附性相对较弱，所接触的雌性表面也不那么光滑。雄性不具有发达上颚的种类，交配过程中，主要依赖雄性的足来抱握雌性，其“性毛”的粘附性相对较强，所接触的雌性表面也更加光滑起到增加粘附力的作用 (图3B-F，图4)。

图3. 虎甲的栖息环境及其交配行为。

图4. 雌性虎甲的鞘翅和后胸腹板的超微结构。

虎甲足部的粘附结构与栖息环境 (非树栖、树干和树叶) 有直接适应关系。排除“性毛”外，雄性和雌性虎甲足部共有的刚毛在不同环境中分别表现为：无粘毛、分支状粘毛和抹刀状粘毛，以适应不同光滑程度的环境表面。说明栖息环境中的光滑表面对雄性和雌性虎甲都具有很强的选择压力 (图5)。

图5. 虎甲足的粘附结构与性别、栖息环境之间存在的相关性。

研究总结

本研究共发现了七种粘毛类型，首次探讨了粘附功能结构、交配行为和栖息环境三者之间的相关性，将交配行为和环境影响作为虎甲足部粘附结构改变的共同驱动因素 (图5)。在交配和栖息环境光滑表面的双重压力下，生活在植物叶片上的雄性树栖物种具有最发达的粘附结构 (图5)。这项工作讨论了昆虫与环境之间的相互作用关系，为昆虫表面适应性结构的功能和演化研究提供了新的视角。

图片摘要。

原文出自 Insects 期刊：https://www.mdpi.com/2933280

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/insects

Insects 期刊介绍

主编：Prof. Dr. Brian T. Forschler, University of Georgia, USA

期刊主题涵盖与节肢动物相关的各个方面，包括生物学、生理学、生态学、行为、管理、保护、进化等，以及它们与人类社会、植物、生态系统的关系。

2023 Impact Factor：2.7

2023 CiteScore：5.1

Time to First Decision：17 Days

Acceptance to Publication：2.8 Days