昆蟲滯育及其調(diào)控

1、昆蟲滯育及其調(diào)控昆蟲滯育及其調(diào)控董小林董小林MobileQ：78465837E-mail :Office：3-203第一節(jié) 滯育的概念 在自然生態(tài)體系中，空間和時問是可變的，溫度、濕度、光照、食物群體大小及相互關(guān)系等因素是在空間中不斷變化。昆蟲在這樣的環(huán)境中反復面臨著不利于發(fā)育及不適合繁殖的時間歷期等問題，為了渡過這種不適合生存的空間和時間，昆蟲已進化到了具有巧妙的生活習性和生理反應的適應。其中重要的策略之一就是滯育(Diapause) 滯育研究的歷史已經(jīng)有一個多世紀了 滯育是一種不能發(fā)育的生理狀態(tài)，它能使有機體在不利的一個時期內(nèi)更容易生存。當有機體 進入滯育時，它一

2、定是在其確定的時期內(nèi)保持滯育狀態(tài)而不管周圍環(huán)境條件的變化。Lavemezu等(1986) 將滯育描寫為當昆蟲面臨極其惡劣或不利的環(huán)境時，通過遺傳手段所采取的一種預定的生存策略將前者的定義作了進一步的補充和完善因為滯育是可遺傳的 第二節(jié) 滯育發(fā)育 昆蟲進入滯育時，體內(nèi)發(fā)生一系列的生理、生化以及結(jié)構(gòu)等變化來適應特殊的發(fā)育過程，即滯育發(fā)育 這些變化涉及到昆蟲各級調(diào)控機制的變化，且因蟲種的不同而異。 但其主要的、共同的特點如下：1呼吸量徽弱2體內(nèi)含水量降低，干重增加3對低溫的抵抗力增強，降低了對環(huán) 境 溫 度的過冷卻點 （冬天滯育。夏天滯育的昆蟲正好相反）4 . 生 殖 器官 發(fā)育不完全5. 體內(nèi)各種

3、激素以及它所引起的代謝機制發(fā)生變化 近五十年來，對昆蟲滯育研究的范圍廣，領域深圳，所涉及的研究種類也很多。從溫濕度、光照、食料等外部環(huán)境因素的研究到體內(nèi)感受器、生理鐘 及神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)：從外部行為特點的變化到內(nèi)部復雜 綜合的作。從田問實驗 的觀 察、蟲體 內(nèi)部的解 剖到蟲體的結(jié)扎。及器官組織 的摘除和培養(yǎng)逐步發(fā)展到放射免疫和色譜等研究。 隨著生 化技術(shù)和分子生物學的發(fā)展，昆蟲滯育的研究也向前邁進。第三節(jié) 外界環(huán)境對滯育的影響 在許多種昆蟲中，光周期是誘導、維持和終止滯育的主要因素。而溫濕度與食料只是起著輔助和伴隨作用。一般而言，光周期是引起滯育的最有力的環(huán)境刺激，我們在亞洲玉米螟中也獲得了直接

4、的證據(jù)。在冬滯育昆蟲中，通常日照逐漸縮短，溫度逐漸降低是誘導滯育的主要因素，而夏滯育昆蟲則相反。光周期之所以誘導許多昆蟲發(fā)生滯育，因為光周期的年變化比溫度的年變化更有規(guī)律性，它的年變化是逐日地，有規(guī)律地增加或減少的而溫度的年變化是波動地增加或下降的由于昆蟲種類廣，變化大。因此，它們對環(huán)境的適應方式不盡相同。在某些種類中，溫濕度和食料也起著主導作用，如棉紅鈴蟲是由濕度引起滯育 ，低溫也能使棉鈴蟲滯育。第四節(jié) 昆蟲對外界環(huán)境的感受機理 昆蟲是如何接受外界環(huán)境信息的？或者說，它是通過什么途徑來接受光刺激呢？研究表明許多昆蟲并非通進單眼和復眼，而是通過腦中樞直接感受外界光照刺激。 昆蟲腦對光周期的反應

5、包括四個部分：1)感受器：將得到的信息轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)中2)光周期生理鐘：測量光信號的持續(xù)時間，劃分光暗周期為長日照或短日照3)光周期計算器：在個體發(fā)生的敏感期階段，儲存和計算光周期 4)在固定的時間里，接受的信息轉(zhuǎn)移到效應系統(tǒng)；效應系統(tǒng)根據(jù)激素產(chǎn)生的置決定光周期的反應以及發(fā)育方式(滯育或非滯育)第五節(jié) 昆蟲滯育的類型及調(diào)控1、卵滯育的調(diào)控 對昆蟲卵滯育研究和了解最多的是家蠶。 1952年Fukuda和 Hasegwa曾通過器官移植實驗發(fā)現(xiàn)滯育型的蛹和成蟲中，咽下神經(jīng)節(jié)(SG)分泌滯育激素(DH)而在非滯育型昆蟲中SG是不活動的。之后發(fā)現(xiàn)，活動的SG較之不括動的SG具有更多的神經(jīng)分泌細胞和更大的細胞

6、質(zhì)顆粒，從蛹到成蟲的發(fā)育過程及滯育卵的誘導過程是通過DH調(diào)控的，DH又通過SG合成和釋放。 目前，對家蠶卵滯育的研究主要集中在體內(nèi)生理生化的代謝、DH的作用方式以及分子生物學方面的研究。家蠶從蛹到成蟲的發(fā)育時期，DH的分泌引起卵巢中糖原的增加以及脂肪體糖原及血淋巴海藻糖的降低。這是由靶器官-卵巢的反饋作用實現(xiàn)的。通過體外實驗發(fā)現(xiàn)，Ca2+ 對于DH村澈海藻糖酵的活性是必需的，從而引起海藻糖進入卵巢。在卵巢發(fā)育的過程中，海藻糖在糖原臺戚中起著重要的作用。DH是對特定階段的濾泡細胞發(fā)生作用濾泡細胞膜上具有 DH受體，與 DH結(jié)合后，通過 cGMP引起膜上海藻糖酶的活化，使血淋巴中海藻糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖

7、。后者經(jīng)載體運送到細胞質(zhì)中形成糖原。2、幼蟲與蛹滯育的調(diào)控 幼蟲和蛹滯育的昆蟲在滯育前的幼蟲階段具有對光特別敏感的反應，在此期間的這種敏感性，敏感期昆蟲在敏感期內(nèi)積累和儲存環(huán)境信息。不同的昆蟲具有不同的敏感期，根據(jù)Saunders(1982)的統(tǒng)計，已搞清楚了15個目的328種昆蟲的敏感期。 幼蟲與蛹滯育主要是通過蛻皮激素的暫時下降來實現(xiàn)的過去一直認為，昆蟲的滯育是腦神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)失去活性而引起激素缺乏來實現(xiàn)的，但許多研究已證實昆蟲的滯育并非是激素缺乏的結(jié)果。 如 Beck (1968)曾在歐洲玉米螟的研究中發(fā)現(xiàn)，滯育幼蟲具有活動的腦神經(jīng)分泌系統(tǒng)，西南玉米桿草螟的滯育幼蟲中具有較高的JH滴度。

8、這使得人們對滯育的調(diào)節(jié)概念發(fā)生了變化。 大多數(shù)昆蟲促前胸腺激素（PTTH）的缺乏是導致幼蟲和蛹滯育的關(guān)鍵PTTH的缺乏進一步抑制前胸腺合成和釋放蛻皮激素 腦-咽側(cè)體-前胸腺被認為是控制滯育的功能單位。通過對滯育幼蟲和滯育蛹蛻皮激素的測定發(fā)現(xiàn)，在整個滯育期間有一個很低的蛻皮激素滴度，將蛻皮激素類似物注射到滯育蟲志后，剛昆蟲停止滯育，開始發(fā)育正?？梢?，在許多昆蟲中，蛻皮激素的有無對滯育的發(fā)生起著直接的、關(guān)鍵的作用。由于昆蟲種類繁多，滯育所涉及的激素調(diào)控機制也不盡相同。 主要有兩種途徑調(diào)節(jié)PTTH和蛻皮激素的滴度。 一類是一些幼蟲的滯育，如西南玉米桿草螟，二化螟等昆蟲由腦中樞神經(jīng)分泌細胞產(chǎn)生促咽側(cè)體

9、激素(AT)，AT引起咽側(cè)體分泌保幼激素(JH)。 JH的存在抑制腦神經(jīng)分泌PTTH的合成，從而抑制前胸腺產(chǎn)生蛻皮激素，引起滯育。 另一類是在大多數(shù)蛹和一些幼蟲滯育的昆蟲中，昆蟲腦神經(jīng)分泌細胞在接受外界環(huán)境刺激以后直接合成PTTH。但不釋放到血淋巴中，抑制前胸腺產(chǎn)生蛻皮激素，而與JH無關(guān)。 昆蟲滯育期同體內(nèi)小分子代謝物質(zhì)如多元酚，包括甘油，山梨醇，甘露醇，核糖醇，赤蘚糖醇等和一些糖類，包括海藻糖、蔗糖、果糖、葡萄糖等的變化對滯育的影響很大，稱之為防寒物。多元酚作為防寒物的有力因素是因為它們?nèi)苡谒挥绊懨负痛x過程，可自由地穿過膜。此外，它們可以穩(wěn)定蛋白質(zhì)的自然狀態(tài)，阻止蛋白質(zhì)在低溫或冰凍時變

10、性。 一些幼蟲和成蟲的脂肪體和（或）血淋巴中有一種或幾種蛋白質(zhì)，在滯育昆蟲中保持著較高的濃度，且隨著滯育的終止而逐漸消逝。它被認為與滯育的發(fā)生有關(guān)稱為滯育關(guān)聯(lián)蛋白(DAP)， 而在非滯育昆蟲中無此蛋白。3，成蟲滯育的調(diào)控機制 成蟲滯育的明顯特點是行為、生殖和代謝發(fā)生變化。表現(xiàn)在飛行肌不發(fā)達，體表顏色變淺或有鉆地行為，無變配和產(chǎn)卵能力及體內(nèi)激素等方面以變化。在滯育方面研究比較多的成蟲是馬鈴薯甲蟲。與幼蟲和蛹滯育不同，JH的缺乏是成蟲滯育的主要因素，咽側(cè)體（CA）控制其滯育和生殖。de Wllde和 de Boer（1961）曾發(fā)現(xiàn)咽側(cè)體的切除相當于短日照光周期對滯育的誘導。如將無咽側(cè)體的昆蟲重新

11、移入咽側(cè)體或注射JH，滯育能夠立即停止。短日照光周期誘導的滯育涉及到更多腺體的綜合調(diào)控。雖然JH是主要目素，但它是各級水平綜合反應的結(jié)果。 成蟲滯育期間JH的缺乏主要是抑制胚胎時卵的發(fā)生，而JH與卵黃原蛋白的沉積有關(guān)。 另外的一些研究發(fā)現(xiàn)，JH控制成蟲滯育的概念是不完全的。Adams和Filipi(1988)在雙翅目成蟲的研究中發(fā)現(xiàn)卵黃原蛋白的滴度水平是由JH和20-羥基蛻皮酮共同影響的。JH可能對于卵巢分泌蛻皮激素有作用，同時，蛻皮激素對于雙翅目成蟲的發(fā)育也是重要的。 目前，昆蟲滯育和發(fā)育研究的熱點是腦激素神經(jīng)肽除已經(jīng)介紹的昆蟲DH和PTTH外，還有促咽側(cè)體澈素(AT)，腦內(nèi)不僅有促進咽一體

12、合底和分泌的神經(jīng)肽，還具有JH抑制神經(jīng)肽可抑制咽側(cè)體合成和分泌JH。 1，保幼激素（JH）對幼蟲和成蟲滯育的調(diào)節(jié) 幼蟲滯育是由于幼蟲期保幼激素（JH）分泌過多，妨礙了昆蟲進一步發(fā)育造成的；成蟲滯育則是由于JH缺乏，阻礙了卵巢的發(fā)育而造成的（Nijhout, 1994）。這兩種理論基于JH在兩個不同發(fā)育時期的兩種基本功能，適用于一些昆蟲的滯育。但最近的研究卻得出了一些相反的結(jié)果。例如，對于幼蟲滯育，鉆竹蟲進入幼蟲滯育后，JH的含量不但沒有明顯升高，而且對滯育狀態(tài)的幼蟲注射JH類似物還能解除它的滯育，進一步發(fā)育成蛹（Singtripop et al., 2000）。第六節(jié) 昆蟲滯育的種類和相應的激

13、素調(diào)節(jié)機制 對于成蟲滯育，某些體內(nèi)只能產(chǎn)生低水平JH的黑腹果蠅突變體仍能有效地進行卵黃蛋白的沉積，不會進入成蟲滯育狀態(tài)，而蛻皮激素卻對卵黃沉積卻起到更主要的作用（Gilbert et al., 1998）。因為幼蟲和成蟲都是昆蟲活動的活躍時期，這兩個時期的滯育比較容易受到環(huán)境因素的影響，它們的滯育程度往往都不深，所以起決定性的因素在不同昆蟲中差異可能會比較大。2，PTTH-蛻皮激素對蛹滯育的調(diào)節(jié) 蛹滯育的直接成因在不同種類昆蟲中比較統(tǒng)一，那就是體內(nèi)的蛻皮激素缺乏。蛹滯育決定期在幼蟲期，幼蟲期光照不足，會導致蛹期腦缺乏促前胸腺激素（PTTH），使得前胸腺產(chǎn)生的蛻皮激素（20-E）減少，不能進一步

14、發(fā)育，于是形成了蛹滯育。PTTH刺激前胸腺的活性在很早就被確認，其功能在煙草天蛾中得到了系統(tǒng)的研究，而且在生理學水平上研究了PTTH、前胸腺和滯育的關(guān)系。但由于技術(shù)上的限制，煙草天蛾P(guān)TTH序列在很長一段時間都是未知的。PTTH最先在家蠶中被純化克隆。 大腸桿菌表達出來的煙草天蛾P(guān)TTH能刺激前胸腺分泌蛻皮激素，而且把表達的PTTH注射入滯育的Manduca能有效地解除其蛹滯育（Gilbert et al., 2000，Shionoya et al., 2003）。這些結(jié)果都有力地支持了PTTH-蛻皮激素途徑調(diào)節(jié)蛹滯育的理論。3，滯育激素對卵滯育的調(diào)節(jié) 對于卵滯育機理的研究主要集中在家蠶。對于

15、二化性家蠶，上一代卵的發(fā)育受到高溫（25oC）和長光照（12 h）刺激，發(fā)育到蛹期3.5天時，它的SG會產(chǎn)生大量的滯育激素（diapause hormone , DH），分泌到血淋巴中，作用于卵巢，導致卵的糖醇類碳水化合物含量明顯升高，產(chǎn)下的卵為滯育卵（Yamashita, 1996）。反之，在低溫（15oC）和長光照（10 h）的條件下的卵發(fā)育到蛹期時咽下神經(jīng)節(jié)分泌的DH比較少，卵內(nèi)的碳水化合物含量低，卵能正常發(fā)育（呂鴻聲等，1991；Yamashita, 1996）。4，昆蟲滯育激素-性信息素合成激活肽（DH-PBAN）的基因結(jié)構(gòu)和功能 滯育激素首先在家蠶中被純化測序，它含有24個氨基酸。

16、隨后，家蠶的DH cDNA也被克隆得到，發(fā)現(xiàn)它編碼的194個氨基酸前體肽還包括一個已知神經(jīng)肽、性信息素合成激活肽（PBAN）和三個新神經(jīng)肽，并命名為SG神經(jīng)肽-, , （suboesophadeal ganglion neuropeptide, SGNP）。 PBAN能刺激性腺分泌性信息素。它們都同時具有誘導卵滯育和刺激性腺分泌性信息素的功能。 家蠶DH-PBAN基因序列包含五個內(nèi)含子和六個外顯子，它在基因組內(nèi)是單拷貝。DH-PBAN cDNA在鱗翅目中廣泛存在，先后在玉米夜蛾 、煙青蟲 、小地老虎、海灰翅夜蛾 、煙芽夜蛾等昆蟲中被克隆，它們的基因結(jié)構(gòu)都很相似。 家蠶和玉米夜蛾的免疫組化和原位

17、雜交的結(jié)果表明，鱗翅目昆蟲的DH-PBAN的mRNA和神經(jīng)肽主要特異性地在咽下神經(jīng)節(jié)(SG)的十多個神經(jīng)分泌細胞中表達，在胸神經(jīng)節(jié)和腹神經(jīng)節(jié)中也有少量的表達。 以家蠶為例，家蠶DH對卵巢的主要作用過程是：SG分泌DH，釋放到血淋巴中，然后與卵巢膜上的受體結(jié)合，使得卵巢內(nèi)的cGMP水平下降，從而激活了海藻糖酶的活性。海藻糖酶把血淋巴中的海藻糖分解成葡萄糖，葡萄糖再進一步轉(zhuǎn)化成糖原, 這是滯育的誘發(fā)過程。糖原在糖原磷酸化酶的作用下分解產(chǎn)生山梨醇和甘油，這是滯育的開始。山梨醇在山梨醇脫氫酶的作用下還原成果糖，果糖再進一步轉(zhuǎn)化成糖原，這是滯育的結(jié)束。PBAN刺激性腺, 使胞內(nèi)鈣離子和cAMP含量升高，

18、而DH能降低卵巢膜胞內(nèi)cGMP含量，這兩個神經(jīng)肽的信號傳導的研究結(jié)果有些不一致。最近，在果蠅基因組中發(fā)現(xiàn)了一個能被神經(jīng)肽激活的受體，根據(jù)類似受體在不同物種間的同源性，克隆得到了美洲棉鈴蟲的同源受體，并證明了它能被PBAN有效地激活，所以推測它就是PBAN受體。該類神經(jīng)肽具體的信號轉(zhuǎn)導機理還有待進一步研究。昆蟲的結(jié)構(gòu)與形態(tài)的微觀機理；顯微技術(shù)顯微技術(shù)昆蟲的行為昆蟲的行為生理生理生物技術(shù)生物技術(shù)昆蟲對外界的反應的生理生化機制； 昆蟲的遺傳機理，并借助現(xiàn)代生現(xiàn)代生物技術(shù)手段物技術(shù)手段研究特定昆蟲的某方面結(jié)構(gòu)及特點。第七節(jié) 昆蟲滯育的研究方法中華通草嶺在自然界以成蟲進行兼性滯育越冬，通過解剖其卵巢，觀

19、察顏色來判斷是否滯育。卵巢無色透明(完全滯育型）卵巢黃綠色,端部呈乳白色（非滯育型） 例子1置于恒溫箱中,然后放于呼吸瓶中,用GH-305型紅外線CO2測定儀測定成蟲的呼吸量。圖1 G H-305型紅外線CO2測定儀一、呼吸強度的測定 儀器和試劑儀器和試劑：美國 waters 600 液相色譜儀。JH標準樣品為美國Sigma公司產(chǎn)品,甲醇、正乙烷為分析純,重蒸后使用。 樣品制備樣品制備:取羽化后的非滯育成蟲,置于玻璃勻漿器中,加入1ml重蒸甲醇勻漿,用甲醇沖冼研磨棒及研磨器,再加入重蒸正乙烷,封口后放在0-4冰箱中;吸取上層正乙烷提取液,再用正乙烷重復提取兩次,合并三次正乙烷提取液,氮氣吹干后用色譜純甲醇定容,作液相色譜分析用。二、激素的測定色譜條件色譜條件:SPherC18柱,流動相為甲醇:水=75:25,流速0.5ml/min,檢測波長=220nm,進樣量