直翅目蟋蟀亚科（Eneopterinae）前翅表面超微结构的比较研究，及其对雄性鸣叫频率的可能影响（蟋蟀科，Eneopterinae亚科）

蟋蟀前翅微观结构与声学适应及性别二态性关联研究，采用扫描电镜对比33种Eneopterinae cricket成体及幼态翅芽超微结构，发现Lebinthini雄性背翅存在显著六边形细胞阵列，与非Lebinthini雌性平滑膜结构差异显著，可能与高频鸣叫（3-30kHz）的振动传导机制相关。

Louna Royer|Teddy Gaiddon|Tony Robillard

系统学、进化与生物多样性研究所（ISYEB），法国国家自然历史博物馆，法国国家科学研究中心（CNRS），巴黎第七大学（EPHE-PSL），巴黎大学（UA），法国

摘要

声学信号在动物交流中起着关键作用，其形成受到性选择和自然选择的双重影响。在蟋蟀中，雄性利用特化的前翅结构产生声音，这导致了前翅形态和功能的显著性别差异。尽管前翅的宏观结构及声音产生机制已得到充分研究，但在微观层面却鲜有探讨。然而，前翅膜的表层超微结构可能对其物理特性和振动行为具有重要影响。在Eneopterinae亚科中，属于Lebinthini族的物种能够发出高频鸣叫声，这部分可以归因于表层超微结构的差异。在本研究中，我们使用扫描电子显微镜比较了33种Eneopterinae亚科蟋蟀的雄性和雌性前翅膜的超微结构，其中包括发出低频和高频鸣叫声的物种。研究结果表明，该亚科内部存在显著的超微结构多样性。非Lebinthini族的雄性与雌性在前翅背面的六边形细胞方面存在明显差异，不同族的雄性之间也存在差异。Lebinthini族雄性（高频鸣叫者）中存在明显的六边形细胞，而非Lebinthini族雄性（低频鸣叫者）的前翅膜较为扁平，这种结构上的强烈性别差异暗示了六边形细胞与声音产生机制之间的关联。

引言

声学信号在动物交流中广泛使用，尤其是在寻找配偶的过程中（Bradbury和Vehrencamp，2011；Gerhardt和Huber，2002）。这些信号在进化过程中至关重要，因为它们受到多种选择压力的影响，包括性选择（物种识别、配偶选择）和自然选择（吸引捕食者和寄生虫、在栖息地中的传播、对声学空间的竞争）。在大多数使用声学交流的物种中，雄性个体通过特化结构发出求偶信号或鸣叫声，而雌性则负责接收这些信号。在大多数螽斯类昆虫中，声音产生结构位于雄性的前翅上（图1，详见补充材料1），而无法鸣叫的雌性前翅具有简单的脉络结构，纵向脉络明显，横向脉络较弱，这导致了前翅形态和结构的显著性别差异。不同物种的雌性前翅具有相似的平行脉络模式，而雄性的前翅背部结构则发生了显著变化。特别是，其中一条脉络上携带着摩擦发声器官——由角质齿构成的锉状结构。当前翅闭合时，另一侧翅膀上的硬化边缘（称为“plectrum”）会撞击锉状结构的齿，从而产生振动信号并启动声音的产生。其他后部脉络（图1A）定义了扩大的膜区域——即“harp”和“mirror”，它们作为共振器放大并辐射声音（Bennet-Clark，2003；Michelsen，1998）。前翅膜的物理特性（如弹性）会显著影响摩擦发声时产生的声音频率（Sample等人，2015；Gaiddon等人，2026），因为这些特性会改变翅膀的共振特性。这些特性可能既取决于翅膀的形状和尺寸（Grosmougin等人，准备中），也取决于构成翅膀的材料（Michels等人，2016；Gaiddon等人，2026）。在决定这些特性的因素中，翅膀膜的表层超微结构可能通过改变翅膀的厚度、重量和弹性特性发挥作用。虽然已有研究关注摩擦发声器官的微观结构（Li等人，2016）或昆虫身体的整体微观结构（Barranco和Molina-Pardo，2021），但很少有研究关注前翅的这一方面。Desutter-Grandcolas（1995）在描述Grylloidea总科三个不同分支的雄性前翅腹面和背面结构的研究中提出，翅膀膜的六边形超微结构可能与振动特性有关。然而，这些研究仅涉及远缘蟋蟀的成年雄性标本。目前尚未有研究在系统发育框架内比较密切相关的物种之间的翅膀超微结构。此外，尽管可以预期前翅的角质超微结构会对振动特性产生影响，但前翅的性别差异在微观层面尚未得到研究。同样，鸣叫声参数与前翅超微结构之间的关联也未被正式提出，这些结构在翅膀发育过程中的变化机制也不清楚。

本研究旨在描述蟋蟀的前翅超微结构，以回答以下问题：1）是否存在支持前翅性别差异的超微结构差异？2）雄性前翅是否存在与不同生物声学特性相关的差异？3）这些表层超微结构的发育基础是什么？我们选择在Eneopterinae亚科（Saussure，1874）中进行这些研究，该亚科的蟋蟀具有丰富的声学多样性，包括发出低频（3–8 KHz）鸣叫声的常见物种，以及一些能发出高达30 kHz高频鸣叫声的物种（主要是Lebinthini族Robillard 2004）。由于该亚科的系统发育关系明确（例如Le Flanchec等人，2025；Tan等人，2021），使其成为进行详细比较研究的理想对象。我们利用扫描电子显微镜研究了33种Eneopterinae亚科蟋蟀的雄性和雌性前翅表面超微结构的多样性，重点关注雄性主要共振区域（“harp”区域）。我们预计会观察到与先前研究（Desutter-Grandcolas，1995；Eisenbeis和Wichard，2012）相似的微观结构，但性别间及亚科内部存在差异。基于超微结构特征与声音产生之间存在关联的假设，我们预计会发现雄性和雌性之间的明显差异，以及发出高频鸣叫声的物种与其他物种之间的差异。

为了研究这些结构的发育过程，我们还对六种物种的幼虫翅膀芽进行了观察。我们期望观察到与成年翅膀相同的发育结构，但不同发育阶段之间存在差异，以此验证这些微结构是否在翅膀功能化之前的最后发育阶段形成。

部分内容摘录

分类采样

我们采集了128只成年蟋蟀的雄性和雌性标本，涵盖33种Eneopterinae亚科物种，用于超微结构观察（表1；详见补充材料2）。所采样的物种代表了这些蟋蟀5个现存族中的16个属，因此体现了该亚科的声学和系统发育多样性（Tan等人，2021；Vicente等人，2017）。

虽然蟋蟀的前翅几乎对称，但它们的功能...

成年个体的超微结构

对前翅表面的扫描电子显微镜观察显示，Eneopterinae亚科蟋蟀的超微结构具有很大的多样性（详见补充材料4中的完整样本图像）。在高倍放大下，大多数样本的腹面和背面都表现出微观颗粒结构（图2、图3、图4、图5右侧面板）。在三个样本中，这种颗粒结构难以区分：Falcerminthus sandakan的雄性背面（图2）

讨论

我们的研究表明，Eneopterinae亚科蟋蟀前翅膜的背面和腹面存在多种微观结构。观察到三种主要结构类型：大多数物种的两种表面上都存在非常细小的颗粒结构；前翅背面有较大的六边形细胞；腹面有微毛。虽然这是首次报道这种颗粒结构...

CRediT作者贡献声明

Louna Royer：撰写初稿、方法论设计、实验实施、数据分析、概念构建。Teddy Gaiddon：审稿与编辑、方法论设计、数据分析。Tony Robillard：审稿与编辑、项目监督、资源协调、资金获取、数据分析、概念构建。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

显微数据由MNHN的UAR 2AD（现为UAR DoHNEE）显微镜部门获取，并得到ISYEB的资助。我们感谢MNHN显微镜部门的Géraldine Toutirais和Sylvain Pont提供的技术支持和建议。这项工作得益于Louna Royer在MNHN进行的硕士实习项目资助。同时，我们也感谢Ming Kai Tan对手稿初稿的建议。