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相较于大自然的广阔,蝴蝶在觅食及求偶时必须要精确定位或缩小寄主植物和异性的寻找范围,在此期间,视觉及嗅觉的利用扮演了极为重要的角色。
蝴蝶具有比人类更为宽广的色域,大部分可感知紫外线及可见光波段[1],部分蝴蝶甚至可感知近红外光的部分区域[2-3],因此蝴蝶的色彩辨别能力较强。一般来说,具有访花习性的蝴蝶在觅食时会依靠视觉信息(花冠的颜色、形状和大小等)定位蜜源植物,嗅觉信息(花香挥发物等)则起到近距离识别的作用[4-13],但每种蝴蝶对颜色和气味的趋性有较大的区别[14],视觉及嗅觉的利用权重也因种而异[13, 15]。如白带锯蛱蝶(Cethosia cyane)和金斑蝶(Danaus chrysippus),觅食以视觉为主,在访花过程中对红色、橙色及黄色的花冠偏好较强,对嗅觉的依赖较小[15];红锯蛱蝶(Cethosia biblis)对白色、黄色及粉色花显示出一定的偏好,但觅食时更依赖于嗅觉,对花香挥发物有明显的趋性,最喜访水杨酸甲酯,对视觉的依赖较小[7]。也有例外,如虎斑蝶(Danaus genutia)是专性访花的蝶种,其在觅食时却仅依靠嗅觉[12]。食腐型的蝴蝶则一般嗅觉较为发达,主要依靠挥发性物质寻找食物[12],有些仅依靠嗅觉即可完成觅食,如枯叶蛱蝶(Kallima inachus)[15]。传粉昆虫的访花行为和偏好不仅受花的颜色、形状、气味等性状的影响,还会受到天敌和其它访花昆虫的影响[16],同时森林中物种繁多,有许多其他来源的化学噪音(chemical noise)[17],而蝴蝶维持嗅觉所消耗的能量是巨大的[18],为了减少能量消耗和规避被捕食的风险,它们必须节省觅食的成本,将视觉及嗅觉信号合理的利用起来。唐宇翀[12]则根据觅食时嗅觉和视觉的利用权重将蝴蝶划分为以下4种类型:(1)以视觉信号为主,嗅觉信号为辅;(2)嗅觉信号为主,视觉信号为辅;(3)视觉和嗅觉信号同等重要;(4)只依赖嗅觉信号。
蝴蝶在求偶的过程中,一般通过视觉(翅的色彩、斑纹、形状及大小等)及嗅觉(虫体挥发物等)信号来寻找和辨识配偶 [10, 13, 19-21]。通常情况下,雄蝶会主动发起求偶,并利用视觉确定雌蝶的位置[22],而雌蝶在择偶时,为提高繁殖成功率,也会选择具有特定特征的雄蝶[23]。性二型的蝴蝶多通过自然光下的翅膀色彩及斑纹来识别异性[24],如白带锯蛱蝶(C. cyane)[21]和菜粉蝶欧洲亚种(Pieris rapae rapae)[25],前者具有明显的性二色性,后者雌、雄蝶前翅背面具有数目不同的黑色斑点,因此能利用视觉识别雌雄。有些可见光下色彩相同的蝴蝶,如菜粉蝶日本亚种(Pieris rapae crucivora),其雌蝶通过后翅腹面反射紫外线来引诱雄蝶求偶,且在紫外线充足的环境中雄蝶求偶行为表现的更积极[26],达摩凤蝶(Papilio demoleus)[13]及一种灰蝶(Lycaena rubidus)[27]也可以通过紫外光下色彩辨识雌雄。蝴蝶在识别雌雄时,同样可以利用化学信号。如大帛斑蝶(Idea leuconoe),在求偶时会先利用共有挥发物识别同类,后利用雌、雄特有挥发物识别同性,但不能通过挥发物直接辨别异性[10];虎斑蝶(Danaus genutia)对异性的色彩不敏感,可能仅利用嗅觉识别雌雄[13];酢浆灰蝶(Zizeeria maha)和黑纹粉蝶(Pieris melete)的种内识别也主要依靠嗅觉[28]。
玉带凤蝶(Papilio polytes)是一种雌雄异型的蝴蝶,隶属凤蝶科(Papilionidae)凤蝶属(Papilio)美凤蝶亚属(Menelaides),是一种较为常见的蝶种,主要分布于亚洲及东欧。其幼虫寄主主要为柑橘(Citrus reticulata Blanco)、花椒(Zanthoxylum bungeanum Maxim.)等芸香科作物。其成虫寿命在一个月左右[29],羽化当天即可交配[30],以花蜜补充营养。蜜源植物主要为马缨丹(Lantana camara L.)、龙船花(Ixora chinensis Lam.)和茉莉(Jasminum sambac(L.)Ait)等,具有一定的传粉生态价值;同时玉带凤蝶外形大方美丽,姿态翩跹,可用于景观建设和制作标本,具有很高的观赏价值和工艺价值[31]。
玉带凤蝶的生态学和行为学研究较少,本研究通过玉带凤蝶访花和求偶过程中的颜色识别和选择行为观察,解析玉带凤蝶的视觉和嗅觉在觅食和求偶中的识别和选择规律,讨论玉带凤蝶的视觉和嗅觉在觅食和求偶过程中的生态学意义。
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玉带凤蝶飞行活动最早出现在上午8:30,从9:00后开始访花,在下午13:30—15:00达到白昼访花最低谷,于下午19:00访花结束。雌蝶的访花起始时间晚于雄蝶,而结束时间与雄蝶相同。玉带凤蝶有2个明显访花高峰期,第一次高峰期出现在10:00—11:30,第二次高峰期出现在17:00—18:00(图3)。
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在玉带凤蝶对无气味的假花访花行为试验中发现,雄蝶访问除黄色花外的其他6种颜色的花,对红色花的访问次数最多,占雄蝶总访花次数的40%;蓝色花访问次数第二(28.42%),紫色花访问次数次之(16.84%);对白色(9.47%)、橙色(4.21%)和绿色花(1.05%)的访问次数显著低于红、蓝、紫3种花色(χ2, P < 0.01)。雌蝶对全部颜色的假花均有访问,对红色花的访问次数最多,占雌蝶总访花次数的37.25%;访蓝色花的次数其次(23.53%);对紫色和橙色花的访问次数均占11.76%;对白色、绿色、黄色花访问次数分别占7.84%、5.88%,1.96% (图4)。雌蝶对红色、蓝色、紫色和橙色的访问次数显著高于其他颜色(χ2, P < 0.01)。说明玉带凤蝶对红色花趋性最强,对蓝色和紫色花也有一定的趋性。雌、雄蝶对颜色的访问有差异,雄蝶对颜色的响应高于雌蝶(χ2, P < 0.01)。
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对10种常见的花香挥发物进行了触角电位试验,发现玉带凤蝶雄蝶EAG反应相对值最高的花香挥发物是β-石竹烯,而雌蝶EAG反应相对值最高的花香挥发物为苯甲醛(图5A)。选择β-石竹烯和苯甲醛在无颜色条件下进行单一花香挥发物诱集试验,结果显示,玉带凤蝶对单一花香挥发物反应不敏感(图5B)。
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给7种颜色的假花喷洒蜂蜜水后,发现该蝶总体访花次数增加了22.6%,雄蝶增加了18.95%,雌蝶增加了29.41%,较喷洒蜂蜜水前增加显著(t, P < 0.01)(图6A)。访问红色花增加了40%,蓝色花增加了12.82%,紫色花增加了31.82%,而其它颜色的花被访问次数不增加甚至减少(黄色假花访问数据太少,存在偶然性,忽略不计)。雌、雄蝶访花次数有明显区别,雄蝶访花数量明显大于雌蝶,雌蝶访花占整体访花的比例(36.87%)与喷洒蜂蜜水前(34.93%)基本持平,访问红色花增加47.37%,蓝色花增加了8.33%,紫色花增加了50%;雄蝶访问红色花增加36.84%,蓝色花增加了14.81%,紫色花增加了25%(图4、图6B)。
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在单一花香挥发物基础上加上红色花冠后,蝴蝶诱集量大大增加(图7A~B),玉带凤蝶访问红色花冠+β-石竹烯后访问量增加了90倍,其中雄蝶增加了120倍,雌蝶增加了60倍,诱集效果显著(t, P < 0.01)(图7A);苯甲醛添加红色花冠后增加了29.8倍,其中雄蝶增加了62倍,雌蝶增加了21.75倍,诱集效果同样显著(t, P < 0.01)(图7B)。玉带凤蝶种群访问红色花冠+β-石竹烯较单一红色花冠只增加了3.16倍,雌、雄蝶均增加了3.16倍(图7C);玉带凤蝶种群对红色花冠+苯甲醛访花次数较仅红色花冠增加了2.61倍,其中雄蝶增加了1.63倍,雌蝶增加了4.58倍(图7D)。试验结果表明,单一颜色诱集蝴蝶远比单一花香挥发物诱集的蝴蝶多(t, P < 0.01),说明颜色与花香挥发物比较,颜色在觅食过程中扮演着更重要的作用。
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玉带凤蝶自然种群求偶有雄蝶追雄蝶、雄蝶追雌蝶、雌蝶追雌蝶和雌蝶追雄蝶的4种现象。一天中发生求偶追逐134次,其中,雄蝶追逐雌蝶59次(44.03%),雄蝶追逐雄蝶50次(37.31%),雌蝶追逐雌蝶20次(14.93%),雌蝶追逐雄蝶5次(3.73%)。玉带凤蝶雄蝶在求偶过程中占据主动地位,追逐雌蝶次数显著高于其它3种追逐行为(χ2, P < 0.01),雌蝶追逐雄蝶最少,还有同性之间追逐行为(图8A)。
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当在网室内悬挂雌、雄蝶翅的模型和透明空模型时,玉带凤蝶对模型的追逐有3种现象,雄蝶追逐雌蝶模型(40%)、雄蝶追逐雄蝶模型(33.33%)和雌蝶追逐雌蝶模型(26.67%),与自然种群相似(图8B,C)。试验结果表明,玉带凤蝶仅通过颜色基本上可以识别配偶。玉带凤蝶一天中对模型追逐次数只有15次,显著低于自然种群求偶时的134次,说明在求偶时,化学信号起到重要的作用。
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分析了玉带凤蝶的虫体挥发物,发现雌、雄蝶的总挥发物数量为14种,其中,雌、雄蝶有7种挥发物为共有挥发物,雄蝶有4种独有的挥发物,雌蝶有3种独有挥发物(表1)。
表 1 玉带凤蝶虫体挥发物
Table 1. Volatile organic compounds of P. polytes
挥发物名称 (CAS编号)
Volatile organic compounds(CAS number)雄蝶
Male雌蝶
Female反式-2-戊烯醛 (1576-87-0) 29.86% 37.06% 7,7-dimethyl-2-methylene-norbornane (471-84-1) 49.53% 2.94% 7-methylidenebicyclo[4.1.0]heptane (54211-14-2) 1.17% − (15232-88-9) − 1.55% 烯丙基醚 (557-40-4) 1.34% − 乙烷 (74-84-0) − 1.39% (40801-29-4) 0.89% 2.84% 巴伦西亚橘烯 (4630-07-3) 1.01% 1.95% 二苯甲烷 (101-81-5) 0.25% 1.69% 正十五烷 (629-62-9) 0.78% − 邻苯二甲酸二丁酯 (84-74-2) 0.90% 1.24% 3-(4-羟基苯基)-7-甲氧基-4H-色烯-4-酮 (486-63-5) − 1.87% 1-二十醇 (629-96-9) 10.02% 47.47% 正二十六烷 (630-31-3) 4.24% − -
玉带凤蝶雌、雄蝶的翅膀颜色和图案在自然光下有显著的区别(图9A)。玉带凤蝶与塑封模型在视觉上差异不大,能够清晰地反映出雌、雄蝶间的差异(图9B)。进一步通过光谱分析可知,雌、雄蝶自然种群光谱反射率在379~529 nm波段内基本一致,且均在379~429 nm波段形成反射率高峰;雄蝶在529 nm波段后基本呈平滑走势,雌蝶在529 nm后反射率逐渐上升,最终在734~770 nm形成第二次高峰。光谱分析指出,在自然种群与塑封模型的光谱分析走势类似的情况下,雄蝶塑封模型的光谱反射率虽低于自然种群,但在重要的反射率高峰阶段相似。光谱分析同时指出,塑封蝴蝶模型与标本比较,在可见光和紫外光范围内,有一定差异,但塑封蝴蝶模型反射率更强,更易识别(图9C~D)。说明塑封模型对蝴蝶寻找配偶的干扰较少。在紫外光范围内,玉带凤蝶雌、雄蝶的翅膀图案有显著的区别,塑封模型中的蝴蝶的紫外翅膀图案区别更为显著,易于识别雌雄(图9E~F)。
玉带凤蝶访花及求偶过程中的视觉及嗅觉识别行为
Visual and Olfactory Response of Papilio polytes During Foraging and Courtship
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摘要:
目的 解析玉带凤蝶的视觉和嗅觉在觅食和求偶过程中的识别和选择规律,讨论玉带凤蝶的视觉和嗅觉在觅食和求偶过程中的生态学意义。 方法 通过玉带凤蝶自然种群访问颜色、气味和颜色加气味的试验,自然种群求偶和访塑封模型试验,分析玉带凤蝶觅食及求偶时的视觉及嗅觉利用权重。 结果 在无气味的7种颜色的假花条件下,玉带凤蝶对红、蓝和紫色显示出了明显的颜色趋性。在假花上喷洒蜂蜜水后,雌、雄蝶访花次数均增加3.16倍;在无颜色的花香挥发物(β-石竹烯、苯甲醛)试验中,玉带凤蝶访问数量很少,增加颜色后,雌、雄蝶访花次数增加了60~120倍,说明颜色的诱集作用超过气味;而访问单一颜色与加上花香挥发物后比较,增加倍数只有1%~5%,说明气味对玉带凤蝶的诱集作用较小。在求偶过程中,玉带凤蝶对塑封模型的访问与自然种群求偶的追逐类型及比例相似,说明玉带凤蝶可利用视觉识别雌雄。在自然光和紫外光下,玉带凤蝶雌、雄蝶翅膀颜色和图案区别明显,可能是该蝶识别配偶的一个指标。 结论 玉带凤蝶在觅食及求偶时均以视觉为主、嗅觉为辅。 Abstract:Objective To analyze the recognition and selection rules of Papilio polytes' visual and olfactory response during foraging and courtship, and to further discuss their ecological significance. Method Through color-visit, odor-visit, color plus odor-visit, courtship and artificial models-visit experiments in natural population butterflies to analyze the visual and olfactory weight factor of P. polytes in foraging and courtship. Result Under the condition of odorless 7-color artificial flowers, the P. polytes showed obvious color tendency to red, blue, and purple. After spraying honey on the artificial flowers, the frequency of female and male butterfly foraging increased by 3.16 times. In the colorless floral volatiles foraging experiment (β-caryophyllene, benzaldehyde), the frequency of butterfly foraging was less; after add odor to color, the frequency of female and male butterfly foraging increased by 60 to 120 times, indicating that the attractant effect of color exceeds odor. However, compared with the single color and floral volatiles, the increase ratio was only 1%~5%, indicating that the effect of scent on the collection of P. polytes was small. In the process of courtship, the visit to the plastic seal model was similar to that of the natural population in the type and proportion of courtship, indicating that the butterfly could use color and stripes to identify male and female. Conclusion P. polytes is mainly visual and supplemented by olfaction when foraging and courtship. -
Key words:
- Papilio polytes
- / foraging behavior
- / courtship behavior
- / visual response
- / olfactory response
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表 1 玉带凤蝶虫体挥发物
Table 1. Volatile organic compounds of P. polytes
挥发物名称 (CAS编号)
Volatile organic compounds(CAS number)雄蝶
Male雌蝶
Female反式-2-戊烯醛 (1576-87-0) 29.86% 37.06% 7,7-dimethyl-2-methylene-norbornane (471-84-1) 49.53% 2.94% 7-methylidenebicyclo[4.1.0]heptane (54211-14-2) 1.17% − (15232-88-9) − 1.55% 烯丙基醚 (557-40-4) 1.34% − 乙烷 (74-84-0) − 1.39% (40801-29-4) 0.89% 2.84% 巴伦西亚橘烯 (4630-07-3) 1.01% 1.95% 二苯甲烷 (101-81-5) 0.25% 1.69% 正十五烷 (629-62-9) 0.78% − 邻苯二甲酸二丁酯 (84-74-2) 0.90% 1.24% 3-(4-羟基苯基)-7-甲氧基-4H-色烯-4-酮 (486-63-5) − 1.87% 1-二十醇 (629-96-9) 10.02% 47.47% 正二十六烷 (630-31-3) 4.24% − -
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