成年蚊虫的传统形态测量学

摘要

本方案详细介绍了利用图像分析软件解剖并测量关键形态特征以评估蚊虫适应性的方法。

摘要

蚊子是影响人类和动物健康的重要病原体传播媒介。通过测量蚊子的形态特征，研究人员能够评估各种处理措施（如杀虫剂使用、转基因技术）或生态因素（如营养压力、栖息地变化）对蚊子适应性的影响。蚊子物种的适应性与其传播病原体的能力相关，因而直接影响虫媒病原体传播的风险。本文中，我们利用图像分析软件测量蚊媒监测过程中采集的蚊子关键形态特征，以此作为评估其适应性的指标。

引言

适合度（fitness）表示个体生物在其环境中生存和繁殖的能力。在理想条件下，适合度研究涉及评估环境暴露对个体总体繁殖能力的影响。然而，在生态学研究中，测量繁殖力往往十分困难，甚至无法实现，因为调查种群中个体的年龄通常难以准确控制。因此，生态学家转而测量功能性状，包括形态学、生理学和物候学性状，这些性状已被证明会影响个体的适合度或可作为适合度的代表指标^1,2。此类评估在适合度指标可用于推断种群动态以及蚊媒疾病传播潜力时尤为重要³。

幼蚊为水生生物，不同属和物种对栖息地具有明显的偏好差异。例如，作为全球登革热主要传播媒介的埃及伊蚊（Aedes aegypti），可在多种人造容器中发育，包括花盆、罐头、瓶盖、轮胎和排水沟^4,5,6。另一方面，某些物种如三带伊蚊（Aedes triseriatus ）则更倾向于在树洞等自然环境中产卵⁷。 发育环境的多样性使幼虫暴露于不同的胁迫因素，包括温度、捕食以及种内资源竞争，这些因素可能影响成虫的适合度。例如，尽管环境温度与幼虫发育速率呈正相关，但幼虫期温度的波动可能对成蚊的寿命和繁殖力产生负面影响^8,9,10,11。同样，发育期间因食物匮乏或幼虫密度过高导致的资源短缺，可能导致成虫体型较小且寿命较短^12,13,14。

许多影响蚊虫生殖潜力的因素也会影响其传播病原体的能力¹⁵。蚊媒病原体感染会带来适合度代价，因为蚊虫媒介必须分配资源以抵抗感染，从而导致可用于其他生理功能的资源减少^16,17,18,19。研究表明，体型更大、适合度更高的个体在取食时能够摄入更多的花蜜和血液，并且比体型较小的个体更有效地储存资源，从而延长寿命并提高繁殖力²⁰。此外，这些个体通常对病原体具有更强的抵抗力²¹。这一现象在多种蚊虫的食物胁迫和幼虫竞争研究中均有体现。Aedes aegypti 在获得高质量和高数量的幼虫食物时，对寨卡病毒和辛德毕斯病毒的扩散和传播率较低^22,23。类似地，营养匮乏条件下饲养的Aedes triseriatus 比营养充足的同类更易感染拉克罗斯病毒²⁴，在Anopheles gambiae与Plasmodium falciparum的感染模型中也观察到类似模式²⁵。此外，在Aedes aegypti和Aedes albopictus中，种间和种内幼虫竞争加剧也与对登革病毒更高的易感性相关²⁶。最后，热胁迫已被证明可增加Culex pipiens种团成员传播西尼罗病毒的能力¹⁷，以及Anopheles stephensi传播疟疾的能力²⁷。

鉴于环境因素对蚊虫适应性及媒介能力的影响，研究人员在开展生态学研究时需要考虑所监测种群的适应性。已有多个性状被确定为蚊虫适应性的指示指标，因此可用于比较性生态学研究。大量研究表明，翅长可预测蚊虫的体重和繁殖力^{14,28,29,30,31}。其他性状，如腿长、喙长和体长，也被证明与适应性相关^32,33,34,35。传统上，这些方法依赖于模拟网格载玻片和测量透镜。然而，高分辨率图像采集与分析软件使得能够以更高的精度和可重复性对性状进行高分辨率测量。本文概述了我们在实验室中用于生态学研究中采集的野生蚊虫关键形态性状的解剖与测量方法，该方法利用图像分析软件获得高精度测量结果。

方案

注意：昆虫研究不受法律或机构审查委员会的管辖，因此此类研究无需获得批准。

1. 蚊子解剖与成像

1. 将野外采集的雌性蚊子个体转移至直径90 mm的培养皿中，并置于配备数码相机的解剖显微镜下。
   注意：本方案适用于实验室饲养及野外采集的蚊子。任何已知的蚊子采集方法均可与本解剖方法结合使用。
2. 根据蚊子的种类及个体大小调整放大倍数，并对焦，使蚊子整个身体清晰可见，且占据相机视野的大部分区域。
3. 使用显微剪刀解剖以下组织/附肢（图1）：在基节处剪下左侧后足，在轭脉基部剪下左翅，在触角梗节处剪下左触角，以及在唇基处剪下喙（口器）。
4. 将解剖下来的组织转移至贴有双面胶的载玻片上。
5. 在去除附肢后，调整蚊子其余身体部分，使其左侧朝上可见。如有必要，可移除其他附肢，使蚊子身体平整贴合于培养皿表面。使用显微镜的相机拍摄蚊子左侧的图像。
6. 在不改变放大倍数或焦距的情况下，取下含有蚊子的培养皿，替换为载有已解剖组织（触角、喙、翅和后足）的载玻片。使用显微镜的相机拍摄解剖组织的图像。
7. 在不改变放大倍数或焦距的情况下，取下载有蚊子组织的载玻片，替换为校准载玻片（镜台测微尺）。使用显微镜的相机拍摄校准载玻片的图像。
   注意：图像的分析可在解剖操作完成后的其他时间进行。

2. 蚊虫性状测量

1. 在显微镜相机的图像分析软件中打开蚊子解剖过程中采集的图像。如果显微镜相机未配备图像分析软件，可使用独立的图像分析软件（如ImageJ）。
2. 使用软件中以像素为单位的测量工具，测量校准滑片图像上校准标尺1 mm段的长度。记录该图像在特定放大倍数和焦距下的每毫米像素数（px/mm）。
3. 现在可对蚊子进行测量。首先在侧视图像中测量并记录蚊子胸部和腹部的长度（以像素为单位）。胸部长度定义为从胸部前端至小盾片后端的侧视距离。腹部长度定义为从小盾片前端至腹部末端的距离³⁵。对于具有弯曲或关节的形态特征，可能需要使用多点测量工具或进行多次独立测量。
4. 随后对蚊子的附肢进行测量。首先测量已解剖的触角（从触角末端节段至触角梗基部的距离）、翅（从腋切迹至翅尖边缘的距离）、后足（胫节与股节长度之和）以及喙（从唇基基部至唇瓣末端的距离）的长度（以像素为单位）^32,36。
5. 将所测得的各项性状像素值除以校准滑片图像获得的px/mm值，从而得到以毫米（mm）为单位的性状长度。

结果

本实验室在两项正在进行的生态学研究中采用了所述方法，以探究生境破碎化对蚊虫适应性的影响，以及社会经济和人口统计学因素对蚊虫丰度、多样性和适应性的影响。目前，这两项研究已分析了数百只蚊虫。以下是其中一项生境破碎化研究的代表性数据，包括测量结果与分析。

解剖后，使用配备 AmScope MU1803 数字相机的 AmScope SM-4 系列显微镜对蚊虫侧面、其解剖性状以及校准载玻片进行成像（图2）。利用相机配套的成像软件分析这些图像，获得像素测量值。测得胸部为 714.08 px，腹部为 1528.63 px，左胫节和股节为 1900.49 px，左触角为 1063.09 px，左翅为 1749.00 px，喙为 964.14 px（图3）。随后，利用校准载玻片上 1 mm 片段对应的像素长度（447.21 px）将上述测量值转换为以毫米（mm）为单位的长度。经此换算，总虫体长度（胸部加腹部）为 5.015 mm，腿长（胫节加股节）为 4.250 mm，触角长为 2...

讨论

本文所述方法提供了一种通过蚊虫形态特征来评估其适合度的替代手段。此类评估在昆虫、鸟类、爬行动物和植物的生态学研究中被广泛使用^{1,37,38,39,40,41}。测量关键的形态特征使研究人员能够在野外或难以直接测定适合度（如繁殖力）的情况下开展比较生态学研究。历史上，蚊虫形态测量学特征的研究主要依赖模拟测量工具^36,37,42。尽管许多文章未提供具体的性状测量方法，但已有方法通常引用在解剖后的性状上放置分划板或类似标尺工具进行测量。这些工具易于获取，但其精度受限于分...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
100 mm 培养皿	Fischer Scientific	08-748C
带固定摄像头的解剖显微镜	AmScope 或类似产品	SM-4T-144S
双面胶带	3M	NC0879005
细尖镊子	Aven inc.	18059USA	可根据个人偏好选择 4 号或 5 号
图像分析软件	AmScope 或类似产品	SM-4T-144S	许多显微镜配套摄像头均附带图像分析软件。若无可用软件，可使用 ImageJ 等免费程序。
显微手术剪	Wexler Surgical	SL2000.1
显微镜载玻片	Fischer Scientific	12-544-4
显微镜载物台校准载玻片	AmScope 或类似产品	A36CALM1