北美9种萤火虫的荧光特征描述与检测(鞘翅目:蓝蛉科)

摘要

在正式的研究中，零星地记录了Lampyridae家族的荧光，但不全面。萤火虫(鞘翅目:Lampyridae)以其生物发光而闻名，也是荧光的。这种荧光已经在演化支中的几个属中被记录下来，但在对物种的共同理解中，这仍然是萤火虫生理学的一个经常被忽视的方面。为此，本研究的目的是记录和描述北美三属九种萤火虫的荧光。拍摄了每个物种，并提供了荧光模式的描述，以及荧光激发和发射波长的特定光谱灵敏度的测量。这些数据旨在为不同的萤火虫荧光提供一种识别指南，以及明确地记录它在几个萤火虫属中的存在。

1.简介

萤火虫(鞘翅目:萤科)是一种极具魅力的昆虫，最著名的是它们的生物发光，许多物种的成虫都利用萤火虫发出求偶信号[1，2］．据信，这种特征起源于幼虫阶段的系统发育[3.，4］．在这里，它被认为是一种警示性信号[5，6才会成为成年人的一种特征。研究表明，除了求偶外，萤火虫的生物发光也被蝙蝠探测到，因此蝙蝠不敢捕食萤火虫[7］．许多萤火虫类群都有一种叫做lucibufagins的化学物质保护[8- - - - - -11]，它们的生物发光，连同其他视觉和听觉线索，与它们的化学防御一起，作为一种警告信号，以促进捕食者的学习和阻止攻击。

有些萤火虫也会发出明亮的荧光[12- - - - - -17］．梅特卡夫在1943年首次报道了萤火虫体内的一种红色紫外荧光色素蓝比林Photinus marginellus惊艳。在43个不同的Lampyrine类群中也发现了Lampyrine，而在Phengodidae、Cantharidae和Lycidae的分支中则没有。其他种类的萤火虫也有荧光现象[12，13，16，17),包括Photinus,只新描述的Oculogryphus chenghoiyanae［17］．

荧光在许多生物系统中被发现，无论是作为其他生物过程的副产物还是视觉生态的功能部分。从人类(牙齿)到口足类动物再到猪笼草，许多物种都有荧光[18］．它在萤火虫中的存在，虽然有文献记载，但仍需要进一步研究和精确测量。在新英格兰的野外地点收集了9只新北极萤火虫标本，并在蓝光下拍摄了照片，以突出它们的荧光图案。荧光在所有物种中都有发现，其模式因物种而异。在这里，展示了所拍摄的标本，并描述了荧光图案。每个物种的荧光激发和发射光谱也被测量和提出。对于这里显示的许多物种，这是荧光文献和描述的第一个实例。

2.材料与方法

萤火虫是在大波士顿地区的不同地点收集的。标本采集于贝尔蒙特的岩石草地(42.401，−71.197)、林肯的Muster Field(42.422，−71.306)、林肯的Smith Andover Field(42.436，−71.381)和阿灵顿的Menotomy Rocks Park(42.410，−71.169)。只收集了雄性萤火虫。每个标本在- 20°C下冷冻杀灭30分钟，然后保存在黑暗干燥的环境中，直到准备检查。这样做是为了防止光或湿度降解荧光色素。

然后用佳能Rebel T2相机(佳能，梅尔维尔，纽约)拍摄标本。标本在白光下拍摄，在蓝光下使用黄色滤镜拍摄。蓝光由NIGHTSEA SFA型皇家蓝光提供，发射波长为440-460 nm，使用NIGHTSEA黄色屏障滤光片(NIGHTSEA, Lexington MA)筛选反射光并突出荧光波长。

使用FluoroMax-2荧光光谱仪(FluoroMax, Edison, NJ)分析荧光激发和发射光谱。标本放置在无光的暗箱中，荧光探针放在pronotum上，尽量靠近标本。使用荧光光谱仪测量样品的最佳发射光谱，然后使用该波长确定同一机器的特定激发波长。然后又用灯笼重复了一遍。不可能解剖单个组织或荧光团。解剖标本，分离雄性生殖器，鉴定属种。

3.结果

3.1.荧光描述

有关背侧和腹侧的荧光照片，请参阅图1而且2．

3.1.1.Pyractomena linearis惊艳(图1(一)和1(b))

在背侧、elyelyedge周围和prontum可见微弱荧光。Elytral边缘显示微弱的绿色荧光，外层边缘较厚，不达到prontum边缘。原苞本身在一个较暗的楔形区域的两侧有两条弱荧光条纹，没有达到原苞的边缘或顶端。腹侧，在腹侧elytral边缘和灯笼周围显示更强的绿色荧光。在第五和第六腹节边缘可见荧光。prontum腹侧荧光达到顶点，眼睛显示绿色荧光。腿部出现微弱荧光。

3.1.2.Pyractomena dispersa绿色(数据1(c)和1(d))

明亮的荧光出现在整个pronotum，剪影一个暗箭头形状的补丁在中心。绿色荧光也观察到所有elyelyedge，远端更宽，并延伸到pronotum。中胸也有强烈的荧光。在鞘翅的中间出现一些荧光，在顶端更强。背侧，灯笼是强烈的荧光。腹部背侧可见弥漫性荧光，主要在胸椎段边缘。鞘翅沿边缘出现强烈荧光，弥漫性近端朝向先端。腹侧突起呈浅绿色荧光。头部呈浅绿色荧光，主要在眼睛和嘴巴周围的背侧。

3.1.3.Pyractomena angulata(说)(数据1(e)和1(f))

除边缘有深色斑块，中心有深色条纹，从基部逐渐变尖至顶端外，整个原苞呈绿色荧光。Elytral边缘显示远端更宽的荧光，在整个外边缘宽度变化。Elytral荧光部分到达原膜边缘，并使中膜剪影。腹侧，在向后缘逐渐变细之前，elyely荧光在前方和沿前缘宽得多。灯笼是明亮的荧光。Aedeagus的轮廓是绿色荧光。腹侧，原苞顶端有微弱荧光。沿着眼睛和头部也观察到一些荧光，在腿部出现一些微弱的荧光。

3.1.4.Photuris属多色的工厂。(数据1(g)和1(h))

在背侧，pronotum有两条月牙形荧光条纹，勾勒出一个尖的黑色区域，底部更宽，逐渐变细，但没有达到顶点。鞘翅有弥漫性荧光，沿边缘集中，但不明显。在腹部，灯笼显示出突出的荧光，很容易成为最亮的区域。生殖器和第八腹部段也是荧光绿色。pronotum的下面是荧光的，以及elytum的边缘。腿部有微弱的荧光，特别是在关节处。

3.1.5.Photinus obscurellus惊艳(图2(一)和2(b))

除中心呈沙漏状外，整个prontum可见弥漫性荧光。荧光集中在前额边缘。明亮的荧光沿elytal边缘出现，但不达到prontal边界。在内侧elyelyedge，荧光延伸到顶点，但在前面逐渐变细。在腹部，灯笼和翡翠是明亮的荧光。荧光在膈肌边缘完全延伸，并弥散在pronotum和前胸。头部和眼睛的荧光较弱。注意标本主要在背侧有明亮的荧光点。这可能是荧光颗粒的副作用，比如花粉卡在外骨骼上。

3.1.6.Photinus greeni劳埃德(图2(b)和2(c))

除一条深色条纹外，绿色荧光可在整个prontum中看到，该条纹从基部开始在中心运行，接近但不完全达到顶点。荧光沿elyelyedge出现，远端边缘较厚，前端较厚，内缘较薄。鞘翅的底部，也就是它们与胸腔相连的地方，是完全黑暗的。从腹部看，最突出的荧光是在亮绿色的灯器官上。生殖器不可见或明显荧光。pronotum的下面是微弱的绿色荧光，外层elytum边缘也是。在腿的下方可见微弱的荧光，特别是第三对后腿。

3.1.7.Photinus ignitus下降(数据2(e)和2(f))

在前庭观察到明亮的荧光，勾勒出一个暗斑，开始狭窄，然后向顶端扩大。鞘翅边缘荧光，向顶端扩大。内部边缘向中膜狭窄延伸。花灯和玉叶段是明亮的荧光，以及pronotum。荧光沿elyely边缘的范围出现，向内部扩散。腹前肌和眼睛呈荧光，腿部关节周围有弥漫性荧光。

3.1.8.Photinus aquilonius劳埃德(图2(g)和2(h))

可见荧光穿过原果皮到达顶点，中心有黑点，向顶端变宽但未到达顶点。鞘翅荧光集中在边缘，向鞘翅内部扩散一小段距离。沿鞘翅的荧光完全延伸到prontum，但没有穿过鞘翅的附着边缘。腹侧，灯后的腹部节段呈荧光，灯本身显示明亮的荧光。在elyely边缘和prontum边缘也观察到较弱的荧光，并且整个腿部都出现弱荧光。

3.1.9.鹅毛草．(无照片)

e .发成虫在背侧pronotum显示荧光，荧光局限于包围中心黑点的非黑化几丁质弯曲区域。鳞片尖端下方和后方的区域也发出红色荧光。鞘翅上无明显荧光。腹侧，pronotum和眼睛显示绿色荧光，而头部和胸部软组织显示红色荧光，通过透明被膜可见。红色荧光斑块也包围着腿的底部。用于进一步描述荧光只，参考Wilcox和Lewis [19］．

3.2.波长分析

大多数萤火虫的荧光在350-450 nm范围内被激发。Photinus greeni而且只发在这个范围之外，在大约530 nm处有峰值激发值。在pronotum上检测到的荧光发射波长有很大的变化，从400 nm到Photinus aquilonius到600纳米Photinus greeni。

除了两个物种(e .发而且p . greeni)在紫外线至蓝光波段(约350至450纳米)达到峰值。必威2490测试的其余物种在大约530 nm的黄/绿光下发出荧光。属间无明显的分布规律。

灯笼的荧光也有所变化。研究发现，不同的物种在400-600 nm的范围内发出荧光。虽然一般来说，在属间没有明显的模式Photinus物种的荧光波长较短。萤火虫灯的激发峰相当一致，大多在350 ~ 450 nm之间，有少数异常值。在某些物种中(p . linearis，p . angulata)，在同一发射波长处发现了多个不同的激发峰。参考表格1详情如下。

收集到的两个标本之间有明显的差异，最初被确定为位于Pyractomena linearis物种复杂。这两个样品的发射和激发光谱都显示出显著不同的光谱模式。

4.讨论与结论

没有关于荧光在真实世界条件下对总视觉信号的贡献的数据，我无法确定荧光在萤火虫感觉生态学中的目的或用途[必威249020.］．然而，这里收集的数据可能有助于在未来识别和分类萤火虫。以前的研究，采取在这里描述的结果，包括光谱敏感性，表明荧光作为一个特征是共同的家族Lampyridae。

同一物种的原苞和灯苞之间荧光波长的差异表明，萤火虫的荧光是由多种化学物质引起的，或者光的吸收和传输在不同器官中受到不同的影响。在某些物种中，多个激发峰的存在表明灯笼的化学成分包含多种荧光化学物质，可能是由于其中包含的化学发光器官，并且可能不同于pronotum，在不透明几丁质的软组织间隙中可以看到荧光。另一种解释可能是光线通过半透明的外骨骼组织进行频率调制。荧光似乎普遍存在于萤火虫的软组织中。威尔克森及劳埃德[21]报道了萤火虫物种的研磨匀浆中的荧光，这表明它可能在整个软组织中普遍存在。据报道，萤火虫反射出血时血淋巴中也有荧光[14]，尽管没有光谱数据可用于此。

萤火虫的荧光以前被记录为“红色”或“绿色”[15，17］．从视觉上看，萤火虫倾向于呈现绿色和红色的组合模式。这些数据似乎表明，萤火虫身上的绿色荧光比红色荧光更普遍。不幸的是，该设备没有足够的分辨率来区分荧光图案的不同部分，因此不可能区分这些波长。由于这个原因，也不可能检查标本的elyelymargin，因为它们提供了一个太小的目标。在任何情况下，绿色荧光似乎主导了红色荧光。

两者之间的差异p . linearis标本是值得注意的个体表面上是同一物种的一部分。这可能是不同物种或亚种的一个例子linearis种复合体，它包括几个种或亚种Pyractomena通过生理或行为进行区分是极其困难的[22］．在Photinus aquilonius。然而，由于DNA测试是不可能的，这是不可行的明确解释这种变异。这些数据可能指出了一种区分物种的方法Pyractomena(和Photinus)而不需要完全解剖。

虽然这项研究成功地记录了9种萤火虫的荧光，但还没有证明荧光对整体视觉信号有显著贡献。这是关键，与行为观察一起，确定荧光是一种被选择的特征，还是仅仅是生物体化学过程的偶然事件[18，20.］．这样的努力超出了本研究的范围，但向前发展，这是萤火虫生态学研究的一个重要途径。这里发现的荧光当然存在于视觉明显的区域，并且可以被萤火虫所接触到的波长所激发，支持其作为视觉信号的作用[18］．然而，仅凭这一点并不能提供进化论基础的充分证据。测试这两个标准对于确定荧光与萤火虫行为的相关性很重要，建议在这方面进行进一步的研究。荧光是萤火虫生理学的一个潜在的重要方面，我希望这和进一步的研究将阐明它(可以这么说)作为未来的研究途径。

数据可用性

基础数据都可以在手稿的结果中找到。

利益冲突

作者声明，本文的发表不存在任何利益冲突。

致谢

作者要感谢塔夫茨大学的Sara Lewis博士对本项目的建议和支持，Charles Mazel博士的摄影和技术协助，Alex Muccio女士对本稿件的编辑协助。

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