昆虫在约3.96~4.07亿年前出现，是最早登陆的动物类群之一（Whalley & Jarzembowski，1981）。呼吸代谢是昆虫维持生命和繁殖的基础，在与自然环境长期的适应和协同进化过程中，昆虫演化出多种呼吸方式，其中绝大多数昆虫依赖气管、微气管、气门等组成的呼吸系统与外界进行气体交换，而营水生生活的昆虫为适应水中的低氧环境，则进化出多样的呼吸结构，包括气管呼吸、体壁呼吸、气管鳃呼吸、气泡呼吸和气盾呼吸等（郑霞林等，2008）。昆虫呼吸系统的构造通常与其代谢、活动能力及赖以生存的环境等密切相关（Harrison et al.，2018；Harrison et al.，2023），研究昆虫呼吸系统的组成及功能，对深入了解其生物学特性、系统分类和害虫防治等具有重要参考意义（Raś et al.，2018；Alba-Tercedor et al.，2019）。

中国梨喀木虱Cacopsylla chinensis，属半翅目Hemiptera木虱科Psyllidae喀木虱属Cacopsylla昆虫，为梨树Pyrus专性害虫（杨集昆和李法圣，1981），对梨树产量及品质影响明显。中国梨喀木虱成虫和若虫刺吸梨树汁液，致使梨树叶片畸形或卷曲，造成树势衰弱，影响植株正常生长（魏明峰等，2020；赵龙龙等，2021）。在其为害过程中，若虫还会分泌蜜露，不仅易招致杂菌、灰尘，形成霉污，还严重影响叶片光合作用和果实品质。中国梨喀木虱若虫共5龄，若虫期总排蜜量约6 mg，3龄前若虫排蜜量约为体重的6倍，随龄期增加，若虫排蜜量上升（盖英萍等，2000）。自然条件下，若虫常浸没于其分泌的蜜露中，影响到自然天敌的捕食、寄生以及化学药剂的渗透，降低了防效，现已成为中国梨喀木虱治理过程中的难点（Ge et al.，2020；赵龙龙，2020）。半翅目刺吸类昆虫通常需分泌蜜露来维持体内渗透压的平衡（李敏和刘志琦，2022），在对中国梨喀木虱成虫与若虫分泌蜜露的器官观察发现，成虫排蜜器官位于背部末端，蜜露在尾部聚成液滴或胶状蜡排出体外，而若虫排蜜器官却位于腹部，肛门分泌蜜露过程中常使若虫腹部或整个虫体浸没于其中。研究表明，蜜露主要由水、糖类和氨基酸等组成，其中水分含量占95%以上（张蓓蓓等，2020）。然而，水的溶氧量有限，含氧量仅为空气中氧含量的100亿分之一，中国梨喀木虱若虫何以在低含氧量的蜜露中存活呢？已有研究表明，昆虫呼吸方式、气门的结构、状态等与昆虫对低氧环境的适应密切相关（Miller，1974），但中国梨喀木虱若虫是如何在蜜露中呼吸及其呼吸系统的构造尚属未知。基于此，本团队通过研究中国梨喀木虱若虫在水中的存活能力，另观察其若虫的呼吸系统结构及气门特点，以期揭示中国梨喀木虱若虫在蜜露中的呼吸方式，为了解中国梨喀木虱的生物学特点及防治提供理论参考。

1.   材料与方法

1.1   材料

供试昆虫：中国梨喀木虱若虫采自山西省晋中市太谷区山西农业大学果树研究所的梨园（37°20′ N，112°29′ E）。梨园种植梨树品种为玉露香梨，树龄≥15年，树形为自由纺锤形。中国梨喀木虱若虫连同叶片自梨园采集带回实验室后，置于5℃恒温箱中保存，试验前提前取出，使其恢复活跃状态。为比较中国梨喀木虱若虫呼吸系统与其它木虱科昆虫构造的差异，在山西农业大学果树研究所和太谷校区分别采集了枸杞木虱Bactericera gobica、黄栌丽木虱Calophya rhois、桑木虱Anomoneura mori、皂角幽木虱Euphalerus robinae和洋葱线角木虱Bactericera allivora若虫，在浙江杭州千岛湖柑橘和枇杷种植区采集了柑橘木虱Diaphorina citri和枇杷木虱Cacopsylla fuscicella若虫用于比较。

试剂和仪器：DL-乳酸，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；有机硅表面活性剂，安徽艾约塔硅油有限公司；复合氨基酸，山东爱采生物科技有限公司；葡萄糖、无水乙醇、磷酸缓冲液、2.5%戊二醛固定液，上海麦克林生化科技股份有限公司。FH30光学显微镜，上饶市千盛电子科技有限公司；DM3型电子放大镜，上海韧跃电子科技有限公司；SU8010型扫描电镜，日本Hitachi公司。

1.2   方法

1.2.1   自然条件下中国梨喀木虱若虫浸没于蜜露情况调查

于2024年6月中旬，在梨园随机选取30株梨树，于每株梨树东、南、西、北4个方位分别随机选择5个枝条，观察统计每个枝条的叶片上中国梨喀木虱若虫浸于蜜露中的情况，若虫体躯完全浸没或腹部浸于蜜露均计为浸于蜜露状态，分别统计1~5龄若虫在蜜露中的浸没个体数，并计算其占比，每次统计约40头，每个龄期重复统计3次。

1.2.2   中国梨喀木虱若虫在浸水条件下的死亡率

前期预实验中配制了与中国梨喀木虱若虫蜜露成分相似的溶液（90%纯净水、9%葡萄糖、1%氨基酸），将若虫浸没其中进行试验，截止7 h时试验结果与浸于纯净水时的结果相近，但在水中添加糖类和氨基酸后，水溶液性质不稳定，随放置时间的增长易招致杂菌，且出现絮状沉淀，可能对若虫的存活产生影响，最终选择纯净水进行浸水试验。

取6支注满纯净水的50 mL试管，每支试管中各放入20头健康的4龄中国梨喀木虱若虫，使用毛笔轻压浮在水面的若虫，直至其完全浸没沉入水中，静置等待1 h后，将梨喀木虱若虫从水中取出，于滤纸上吸干水分，静置10 min后，使用电子放大镜观察并统计其存活情况。其存活情况判断方式为用毛笔触碰，触角或腿部有活动者记为存活，完全不动者记为死亡。采用同样的方法统计浸水3、5、7、12、24 h后中国梨喀木虱若虫的存活情况，每个处理重复6次，试虫不重复使用。

1.2.3   中国梨喀木虱若虫在水中形成气泡膜的观察

在直径90 mm的培养皿中注入纯净水，直至水面与上沿齐平，将中国梨喀木虱若虫腹部向下放入培养皿，盖上培养皿盖使若虫完全浸入水中，翻转培养皿，使若虫腹部朝上，利用DM3型电子放大镜拍摄若虫腹面形成的气泡膜。

1.2.4   消除气泡膜对若虫浸水后存活的影响

在装有50 mL纯净水的试管中加入1 μL非离子表面活性剂有机硅，取20头健康有活力的中国梨喀木虱4龄若虫完全浸于其中，分别于3 min和10 min后统计若虫的存活情况，具体操作方法同1.2.2，每个处理重复6次。前期预试验中，对中国梨喀木虱若虫喷施上述溶液，静置于空气中90 min后，若虫存活率仍为100%，表明有机硅表面活性剂本身对若虫无毒害作用。

1.2.5   中国梨喀木虱若虫呼吸系统构造的观察

昆虫呼吸系统的观察采用乳酸浸泡法（Ruan et al.，2018），将中国梨喀木虱若虫腹面朝上置于载玻片上，滴加适量乳酸于虫体后，盖上盖玻片，无需挤压盖玻片，保证虫体完整，补充乳酸至没有气泡。将制作好的玻片转移至光学显微镜下观察，于2 h内连续观察，每5 min拍照记录，观察乳酸对虫体的溶解情况，直至气管被乳酸完全溶解。

根据乳酸浸泡后显示的若虫呼吸系统，利用绘图软件Sketbook和Photoshop 2023手绘中国梨喀木虱若虫呼吸系统示意图。

1.2.6   中国梨喀木虱若虫气门的电镜扫描和观察

选取4龄中国梨喀木虱若虫，用纯净水清洗虫体，并用无尘纸擦净水分，将若虫整体放入2.5%的戊二醛溶液中固定过夜，磷酸缓冲液冲洗3次后，依次在30%、50%、70%、80%、90%、95%和100%的无水乙醇中梯度脱水，之后使用临界点干燥仪干燥，将制备好的样品经离子溅射仪镀金、粘台，最后在扫描电镜下，观察和拍摄中国梨喀木虱若虫气门。

1.3   数据处理

使用Microsoft Excel 2013软件进行数据整理与作图，利用IBM SPSS 27软件对中国梨喀木虱若虫浸于蜜露中的情况及在水中的存活情况进行单因素方差分析（One-way ANOVA），并用Duncan氏新复极差法进行多重比较；并用Pearson相关性分析法分析处理时长和若虫死亡率之间的关系；对消除气泡膜后中国梨喀木虱若虫的存活情况进行非参数检验（Kruskal-Wallis Test）。

2.   结果与分析

2.1   自然条件下中国梨喀木虱若虫浸没于蜜露情况

调查结果表明，除预羽化若虫外，其余各龄期若虫均可浸没于蜜露中（图 1），若虫浸没占比达76%以上。中国梨喀木虱不同龄期若虫浸于蜜露的占比差异显著（P＜0.001，F=19.497），以2龄梨喀木虱若虫浸于蜜露的占比最高，为（99.00 ± 1.00）%；3~5龄若虫浸于蜜露中的比例依次降低，分别为（90.00 ± 2.00）%、（85.00 ± 1.73）%、（82.00 ± 3.00）%；1龄若虫处于蜜露中的比例最低，为（76.67 ± 1.20）%（图 2）。

图  1  自然条件下浸没于蜜露中的中国梨喀木虱若虫

注：A，低龄中国梨喀木虱若虫；B，高龄中国梨喀木虱若虫。

Fig.  1  Cacopsylla chinensis nymph immersed in honeydew under natural condition

Note: A, Early instar nymph of C. chinensis immersed in honeydew; B, Late instar nymph of C. chinensis immersed in honeydew.

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图  2  自然条件下中国梨喀木虱不同龄期若虫浸于蜜露中的占比情况

注：图柱上不同小写字母表示经Duncan测验差异极显著（P < 0.001），下同。

Fig.  2  Proportion of Cacopsylla chinensis nymphs of different instars immersed in honeydew under natural conditions

Note: Different lowercase letters above the column indicated significant differences by Duncan's test(P < 0.001).The same applies below.

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2.2   中国梨喀木虱若虫在浸水条件下的死亡率

4龄若虫在浸水条件下的死亡率随浸水时长的延长而增加（P＜0.001，F=46.31）。浸水1 h，中国梨喀木虱若虫死亡率最低为（2.50 ± 1.12）%；浸水处理3 h、5 h、7 h后，若虫死亡率逐渐升高，依次为（17.68 ± 3.01）%、（29.66 ± 4.00）%、（31.87 ± 2.77）%；浸水12 h时，若虫死亡率显著升高为（52.14 ± 5.08）%；浸水处理24 h后，中国梨喀木虱若虫的死亡率最高，达到（64.47 ± 2.43）%，其致死中时LT₅₀为12.47 h（图 3），若虫死亡率与浸水处理时长经Pearson相关性分析表明，二者呈明显正相关（P＜0.01）。

图  3  不同浸水时长的中国梨喀木虱若虫死亡率

Fig.  3  Mortality of Cacopsylla chinensis nymphs with different immersion durations

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对浸没于水中的中国梨喀木虱若虫虫体观察发现，若虫腹部末端和翅芽下存在气泡膜（图 4）。

图  4  浸没于水中的中国梨喀木虱若虫

注：A，为水中中国梨喀木虱若虫腹部末端形成的气泡膜；B，为水中中国梨喀木虱若虫翅芽下形成的气泡膜。

Fig.  4  Cacopsylla chinensis nymphs immersed in water

Note: A, Bubble film formed at the postabdomen of C. chinensis nymph immersed in water; B, Bubble film formed under the wing buds of C. chinensis nymph immersed in water.

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2.3   消除气泡膜后对中国梨喀木虱若虫存活的影响

根据2.2结果推测若虫可能借助气泡膜中的空气在水中呼吸，为进一步探明气泡膜在中国梨喀木虱若虫呼吸中的作用，在纯净水中加入表面活性剂降低水的表面张力，使梨喀木虱若虫腹部和翅芽下不能形成气泡膜后，发现梨喀木虱若虫存活明显受到影响（P＜0.001）。中国梨喀木虱若虫浸没于添加有表面活性剂的水中3 min时，其死亡率为（8.33 ±1.67）%；10 min时，其死亡率达到了（95.00 ± 1.83）%，均显著高于对照纯净水的10 min的死亡率（0.83 ± 0.83）%（图 5）。表面活性剂的加入，消除了中国梨喀木虱若虫体表的气泡膜，水分穿过疏水毛堵塞气门，导致若虫窒息而亡。

图  5  不同浸水处理下中国梨喀木虱若虫的死亡率

Fig.  5  Mortality of Cacopsylla chinensis nymphs under different immersion treatments

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2.4   中国梨喀木虱及其他木虱科若虫呼吸系统的显微观察

2.4.1   中国梨喀木虱及其他木虱科若虫气门的分布特点比较

在试验2.2中国梨喀木虱若虫浸水试验中，气泡膜存在的区域均有气门分布，中国梨喀木虱共有5对气门，前中胸和中后胸侧面的近胸足着生处各一对，若虫腹面末端3个体节的近体外缘处各1对。皂角幽木虱、枇杷木虱和柑橘木虱若虫气门数量及分布位置与中国梨喀木虱若虫相似，供试的其他木虱科若虫胸部气门数均为2对，但腹部气门数量存在差异，枸杞木虱和洋葱线角木虱若虫的腹部有4对气门，桑木虱和黄栌丽木虱若虫的腹部有5对气门（图 9）。光学显微镜（图 6）和扫描电镜显微观察中国梨喀木虱若虫发现（图 7、图 8），不同于体壁其他部位，其若虫腹部气门区及翅芽上有长约90 μm的密集刺状疏水毛，这些疏水毛可储存空气，在气门周围形成气泡膜供中国梨喀木虱若虫在水中或蜜露中呼吸，同时形成的气泡膜阻挡了水分进入气门。

图  6  中国梨喀木虱若虫气门周围的刺状疏水毛

Fig.  6  Spinous hydrophobic setae inserted around the spiracles of a Cacopsylla chinensis nymph

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图  7  中国梨喀木虱腹面扫描电镜图

Fig.  7  SEM image of venter of a Cacopsylla chinensis nymph

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图  8  中国梨喀木虱若虫气门被刺状毛密集环绕的扫描电镜图

Fig.  8  SEM image of spiracles densely surrounded by spiny setae in a Cacopsylla chinensis nymph

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图  9  光学显微镜下不同木虱科若虫的呼吸系统

注：A，皂角幽木虱若虫；B，枸杞木虱若虫；C，桑木虱若虫。

Fig.  9  Respiratory system of different Psyllidae nymphs under optical microscope

Note: A, E. robinae nymph; B, B. gobica nymph; C, A. mori nymph.

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2.4.2   中国梨喀木虱若虫气管的分布特点

利用乳酸浸泡法对中国梨喀木虱若虫的呼吸系统观察发现（图 10），中国梨喀木虱若虫拥有完整的气管系统，其气管主要对称分布于体躯两侧，侧纵干气管最前端位于前胸后缘，分出的二级气管延伸至头部，三级气管及微气管与头部的触角、复眼、足等器官相连，侧纵气管最末端位于腹部末端，同时分出气管与另一侧纵干气管相连，形成腹气管连锁。体内两侧的侧纵干气管在胸部分出2支二级气管，并与气门气管相连，腹部分出7支二级气管，其中靠近腹部末端的3个分支与气门气管相连，与气门相连的气管可见明显的螺纹状结构。不同龄期的中国梨喀木虱若虫的气管分布情况相同，其呼吸系统示意图如图 11所示。

图  10  中国梨喀木虱若虫呼吸系统

Fig.  10  Respiratory system of a Cacopsylla chinensis nymph

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图  11  中国梨喀木虱若虫呼吸系统示意图

Fig.  11  Schematic diagram of the respiratory system of a Cacopsylla chinensis nymph

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3.   结论与讨论

中国梨喀木虱若虫呼吸系统由气管、微气管及气门等组成，气管通过气门与外界相连来完成气体交换。中国梨喀木虱若虫每个体节上均有气管分支，但并非每个气管分支末端均有气门与外界相连。中国梨喀木虱若虫共5对气门，胸部2对，分别位于中胸和后胸，腹部3对气门，位于腹部末端的3个体节上。其气门数量及分布特点与笔者观察的皂角幽木虱、柑橘木虱和枇杷木虱若虫相似，但与洋葱线角木虱、枸杞木虱不同，这两种木虱若虫气门分布方式为：胸部气门为2对，腹部气门为4对；而桑木虱和黄栌丽木虱若虫腹部有5对气门，这种气门数量的差异可能是不同种木虱在与环境、寄主等的长期适应及进化过程中形成的（Hodkinson，2009；Mauck et al.，2024）。

中国梨喀木虱虽为陆生昆虫，但因若虫肛门位于腹部，在分泌蜜露过程中，蜜露常浸没腹部或整个虫体，前期田间调查发现，自然条件下浸没于蜜露中的若虫可以长时间保持静止状态，在没有扰动的情况下可以保持浸没于蜜露中近5 h，之后会爬出蜜露或翘起腹部进行呼吸。将中国梨喀木虱若虫完全浸于水中24 h后发现，中国梨喀木虱若虫仍有35.5%的存活率，在浸水中国梨喀木虱若虫的翅芽及腹部末端气门部位分布有一层气泡膜，进一步通过扫描电镜观察若虫腹面发现，若虫腹部气门周围环绕排列着密集的超微刺状毛，同样在腹面翅芽上也密生超微刺状毛，这种刺状毛形成的空间结构与荷叶表面排列的小乳突构造相似，遇水成膜并形成疏水表面（Neinhuis，1997）。当中国梨喀木虱若虫浸于水中时，气门周围的超微毛状结构间充满空气并隔离水分形成气泡膜，气泡膜一方面阻止了水分进入气门，另一方面气膜中的空气通过气门进入气管供若虫呼吸和气体交换。与水生昆虫龙虱Dytiscidae相似的是，气门周围存储的空气泡或气膜使两者可以在水中呼吸，当气泡中氧气消耗殆尽，龙虱需要重新浮出水面，再次携带气泡（王晓玲等，2010），中国梨喀木虱若虫也需翘起腹部或爬出蜜露重新获取空气。将桑木虱（无超微毛状结构的）若虫浸于水中后发现，其若虫体表不能形成气泡膜，30 min后，死亡率达89%。为验证气泡膜的作用，在水中加入非离子表面活性剂破坏疏水毛在若虫气门周围形成的气泡膜后，10 min内中国梨喀木虱若虫便大量死亡，进一步证明了疏水毛形成的气泡膜对梨喀木虱若虫的水中呼吸起到了关键作用。

蜜露是中国梨喀木虱若虫的代谢产物。2龄若虫日均排蜜量近6倍于自身体重（盖英萍等，2000），田间调查也发现2龄若虫在蜜露中浸没比例最高；1龄若虫虽然有较高的排蜜量，但其浸没于蜜露的比例却最低，可能是由于1龄若虫未发育完全，翅芽较小，翅芽表面及气门周围刺状疏水毛也较少，若虫在蜜露中的呼吸能力较弱导致；5龄若虫日均排蜜量虽然增加，但仅为体重的1.34倍，由于其临近羽化，分泌蜜露相对减少，浸在蜜露的占比也相对较低。蜜露的排泄除有助于维持中国梨喀木虱体液的平衡外，还在自然界中发挥着重要的生态学功能，蜜露中含有糖、氨基酸、微量元素等物质，天敌可通过取食蜜露来补充水分、营养、延长寿命、提高繁殖力（Burger，2002；陆宴辉等，2005）；同时蜜露因其自身黏性或吸引来蚂蚁的保护，妨碍到天敌的接近或捕食（Nelson & Mooney，2022），如中国梨喀木虱蜜露的存在明显影响到天敌小花蝽的捕食（Ge et al.，2020），田间调查也发现，草蛉、瓢虫等天敌的低龄幼虫会被中国梨喀木虱若虫分泌的蜜露黏住致死，蚂蚁的存在也常干扰到天敌的捕食。中国梨喀木虱若虫浸没于蜜露的这一行为，一方面降低了被天敌寄生或捕食的风险，另一方面也减少了因暴露于外，表皮水分蒸发带来的不利影响，提高了它的自然存活率。

本研究明确了中国梨喀木虱若虫呼吸系统的组成及特点，另明确了中国梨喀木虱若虫在蜜露或水中通过气泡膜进行呼吸，其腹部及翅芽上的超微疏水毛是气泡膜形成的关键。根据本文研究结果，建议在实施防治过程中，通过在药剂中加入表面活性剂等相关助剂，破除蜜露和若虫形成的气膜，迫使若虫暴露于外，以提高药剂对中国梨喀木虱若虫的防治效果，如魏明峰等（2019）研究发现在吡虫啉等药剂中加入助剂后明显提高了对梨木虱的杀灭作用。另据笔者观察，在水中加入适量表面活性剂并混合油剂后，喷施到被蜜露包裹的中国梨喀木虱若虫虫体上，30 min后若虫死亡率可达到约68%，其原理是利用表面活性剂破除若虫疏水毛形成的气泡膜后，分散在水中的小油滴会堵塞若虫气门，使其物理窒息而亡，降低虫口数量的同时也减少了对化学农药的依赖，且不易产生抗性，有助于绿色、安全生产。