昆蟲前胸腺的形態(tài)學(xué)與生理功能

昆蟲前胸腺的形態(tài)學(xué)與生理功能

昆蟲的變形發(fā)育是生物發(fā)育學(xué)的重要組成部分。長期以來，昆蟲科學(xué)家一直在研究這種變形機(jī)制。波蘭的昆蟲生理學(xué)家Kopec在1917年利用蛾類的最后一齡幼蟲，進(jìn)行了一系列的結(jié)扎實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其幼蟲的腦是其進(jìn)行變態(tài)所必需的。二十世紀(jì)50年代，有關(guān)腦、前胸腺（prothoracicgland,PG）及咽喉側(cè)腺在昆蟲蛻皮與變態(tài)中的功能已大致明了，控制昆蟲成長與發(fā)育的內(nèi)分泌體系，即“中心法則”已經(jīng)被確定。后來激素調(diào)控的“中心法則”被進(jìn)一步的發(fā)展、補(bǔ)充。隨著對變態(tài)機(jī)理的闡明，前胸腺及其相關(guān)激素的應(yīng)用得到了廣泛的發(fā)展。下面就前胸腺的形態(tài)特征、生理功能與調(diào)控及其在生產(chǎn)上的應(yīng)用進(jìn)行綜述。1前胸腺的形態(tài)特征1.1家蠶前胸腺組織隨著昆蟲學(xué)的不斷發(fā)展,人們對各種昆蟲前胸腺的組織學(xué)研究已經(jīng)有很大的成就。低等昆蟲（蝗蟲）的前胸腺位于頭內(nèi)，腺體內(nèi)細(xì)胞組織致密，通過分裂進(jìn)行增殖；高等昆蟲的前胸腺位于前胸第一氣門附近，由疏松的細(xì)胞串組成。家蠶前胸腺是多細(xì)胞乳白色半透明的扁平帶狀組織，長約2mm，幅約0.1mm，纏在第1氣門的氣管叢上，左右成對。其基本形態(tài)可分為桿部、前枝、中枝和后枝四部分,腺體外面包有一層較厚的共同膜，腺體內(nèi)部擠滿著多角形或橢圓形的分泌細(xì)胞。細(xì)胞核較大，小蠶期呈球形，大蠶期變成輪廓不規(guī)則的樹枝狀。棉鈴蟲前胸腺幾乎透明，不帶顏色，成對。位于第一氣門下，穿行于氣管干下的支氣管間，向前后延伸。完整的前胸腺大約由60個左右的近似球形的細(xì)胞所組成，呈疏松的細(xì)胞鏈狀，外面常常包裹著一層透明的鞘膜。1.2家蠶中前胸腺的變化昆蟲前胸腺細(xì)胞的增長有分裂增殖、增大細(xì)胞體積兩種。棉鈴蟲在5齡至蛹期的各個發(fā)育階段中，均未出現(xiàn)有絲分裂現(xiàn)象，腺體的生長是由于細(xì)胞體積的增大。家蠶中前胸腺的變大是由細(xì)胞體積增大，在第三、第四和末齡期，前胸腺細(xì)胞的數(shù)目保持在一個持續(xù)不變的水平，其分泌活動依蠶齡不同而有周期性的增高?；己筮_(dá)最高濃度，化蛹后的最初1～2日顯著下降，此后再逐漸上升。腺細(xì)胞的DNA合成隨發(fā)育過程不同而被調(diào)控，由一種自分泌因子促進(jìn)了腺體細(xì)胞變化，分泌物形成分泌層-然后分泌層增厚-分泌物向血液中分泌-分泌物水平胞的DNA合成。1.3滯育、非滯育棉鈴蟲形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)的比較前胸腺細(xì)胞內(nèi)含有大量線粒體，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，高爾基體等細(xì)胞器。PTTH刺激后，細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)大量含甾醇類激素的囊胞。同一前胸腺中細(xì)胞大小不一，大細(xì)胞可能活性較強(qiáng)，小細(xì)胞可能活性較弱。王方海等用解剖鏡和電子顯微鏡對滯育和非滯育棉鈴蟲前胸腺的形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在注定非滯育棉鈴蟲中5齡前胸腺的最大細(xì)胞直徑達(dá)200μm左右，剛化蛹時，最大細(xì)胞直徑則增大到300μm左右。滯育棉鈴蟲的前胸腺細(xì)胞及其細(xì)胞間隙相對較小，不易著色，細(xì)胞核規(guī)則，較小，細(xì)胞質(zhì)中幾乎見不到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，線粒體極少，由此證明滯育棉鈴蟲的前胸腺活性較低。2昆蟲學(xué)家研究現(xiàn)狀多年來對昆蟲前胸腺的形態(tài)學(xué)特征已經(jīng)研究的比較清楚，而現(xiàn)在昆蟲學(xué)家的研究主要集中在其生理機(jī)制和調(diào)控上。下面分別從不同方面綜述前胸腺的生理功能和調(diào)控。2.1保幼激素與蛻皮二十世紀(jì)50年代，有關(guān)腦、前胸腺及咽喉側(cè)腺在昆蟲脫皮與變態(tài)中的功能已大致解明，控制昆蟲生長與發(fā)育的中心法則已經(jīng)確立。由腦中的神經(jīng)分泌細(xì)胞所分泌的腦激素（又稱前胸腺刺激激素，PTIH），刺激前胸腺分泌蛻皮激素（PGH，又稱ecdysone），從而引起蛻皮。但蛻皮的性質(zhì)是由咽喉側(cè)腺所分泌的保幼激素（juvernilehormones,JH）的量所決定的。當(dāng)保幼激素量很高時誘導(dǎo)的為幼蟲蛻皮；當(dāng)保幼激素量變少誘導(dǎo)的為化蛹的蛻皮；當(dāng)體內(nèi)不存在保幼激素而只有蛻皮激素時，引起從蛹到成蟲的變態(tài)。2.2健全的抑前仰腺肽前胸腺分泌的蛻皮激素在昆蟲的變態(tài)中起著重要的作用,其生物合成受腦神經(jīng)肽的調(diào)控。昆蟲腦神經(jīng)肽是華躍進(jìn)等通過蛋白酶水解使家蠶腦抽提物中分離出來，他們通過前胸腺抑制活性消失的實(shí)驗(yàn)證明了昆蟲前胸腺抑制因子是一種多肽，HnaY,T等從2000個家蠶Bombyxmori腦成功地分離純化到了200pmol其分子量為1089178D的物質(zhì)，氨基酸測序顯示是一個由9個氨基酸殘基組成的多肽，由于它有抑制家蠶前胸腺分泌蛻皮激素的功能，故被稱為抑前胸腺肽(prothoracicostaticpeptide,PTSP)。劉新等以家蠶PTSP(Bom-PTSP)的氨基酸序列為基礎(chǔ),通過氨基酸的置換、添加、減少，人工合成了一組與Bom-PTSP類似的多肽,利用家蠶前胸腺體外培養(yǎng)技術(shù)和蛻皮激素放射免疫分析研究分析表明，對Bom-PTSP的氨基酸序列作任何改變，都將導(dǎo)致其生理活性的下降、喪失甚至相反的活性。后來他們進(jìn)一步觀察抑前胸腺肽在家蠶體內(nèi)的活性作用以及引起家蠶體內(nèi)血淋巴中蛻皮激素濃度的動態(tài)變化，首次證明了抑前胸腺肽在體內(nèi)對家蠶前胸腺合成蛻皮激素有強(qiáng)烈的抑制作用。從而抑前胸腺肽的生理功能進(jìn)一步被闡明。2.3昆蟲前胸腺促進(jìn)因素2.3.1皮回酶的調(diào)節(jié)促前胸腺激素(Prothoracicotropichormone,PTTH)是由腦神經(jīng)內(nèi)分泌細(xì)胞產(chǎn)生的,調(diào)節(jié)前胸腺合成和分泌蛻皮甾類激素。PTTH是在昆蟲中發(fā)現(xiàn)的第一個激素，也是在動物中發(fā)現(xiàn)的第一個神經(jīng)激素，所以對PTTH研究相對較多。1994年NijhoutHF分離純化了煙草角蛾Manducasexta和家蠶Bombyxmori的PTTH,KawakamiA等克隆到家蠶PTTH的基因并測出氨基酸序列。2.3.2ptth對乳腺癌基礎(chǔ)探索的促進(jìn)在昆蟲生長發(fā)育的不同時期，前胸腺具有不同的合成和分泌機(jī)能，對PTTH反應(yīng)的敏感度也不一樣，當(dāng)前胸腺基礎(chǔ)分泌水平較低時，PTTH對它的促進(jìn)較明顯。而蛻皮激素的合成和分泌也受到PTTH的調(diào)控，2000年歐陽迎春等對粘蟲Mythimnaseparata蛹腦PTTH樣活性物質(zhì)對前胸腺的劑量反應(yīng)的研究也證實(shí)了這一點(diǎn)。2.3.3家蠶末齡期camp誘導(dǎo)的蛻皮激素釋放和合成在煙草角蛾和家蠶中，PTTH刺激蛻皮激素的合成都是在cAMP作為細(xì)胞內(nèi)第二信使的介導(dǎo)下完成的。家蠶幼蟲末齡期蛻皮激素產(chǎn)生的細(xì)胞機(jī)制：末齡期隨發(fā)育變化的PTTH信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，表現(xiàn)出與幼蟲期倒數(shù)第二齡所不同的發(fā)育模式，可能在前胸腺活性的變化調(diào)節(jié)和由幼蟲到蛹的變態(tài)發(fā)育中起到重要的作用。家蠶末齡期cAMP敏感型產(chǎn)生類固醇的機(jī)制隨發(fā)育變化。PTTH釋放和成功的PTTH信號轉(zhuǎn)導(dǎo)對蛻皮激素的產(chǎn)生都很重要。在家蠶中，隨發(fā)育而變化的PTTH信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，在腺細(xì)胞內(nèi)存在著轉(zhuǎn)導(dǎo)缺陷，發(fā)生在末齡時期。在末齡早期，PTTH被釋放出來，但前胸腺對PTTH的刺激既不表現(xiàn)cAMP水平的升高，也不產(chǎn)生類固醇。在煙草角蛾中，前胸腺在幼蟲末齡期具有PTTH刺激下進(jìn)行cAMP累積和合成蛻皮激素隨發(fā)育變化的能力。而有報(bào)道顯示在煙草夜蛾中蛋白激酶C參加了PTTH的信號調(diào)控,并且PTTH通過Ca2+依賴的信號途徑激活PKC，而不是通過傳統(tǒng)的cAMP途徑。最新研究表明PTTH信號轉(zhuǎn)導(dǎo)受到饑餓信號的調(diào)控，饑餓初期，饑餓信號能使PTTH持續(xù)轉(zhuǎn)導(dǎo)，而到饑餓的第3天，PTTH的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)將不受饑餓的控制，饑餓在PTTH信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中失效。2.4ptsp對蛻皮激素的激活效果控制昆蟲成長與發(fā)育的內(nèi)分泌體系很早就發(fā)現(xiàn)，研究人員不斷深入的研究對中心法則進(jìn)行了補(bǔ)充和擴(kuò)展。顧世紅對家蠶蛻皮與變態(tài)的內(nèi)分泌調(diào)控的研究發(fā)現(xiàn)蛻皮激素的微量變化才是直接決定幼蟲轉(zhuǎn)變?yōu)橛嫉闹匾蛩?，而JH分泌活性的下降僅是幼蟲轉(zhuǎn)變?yōu)橛贾暗囊粋€結(jié)果，從而使中心法則得到了進(jìn)一步的擴(kuò)展。華躍進(jìn)等進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)前胸腺處于活動時期，PTSP能強(qiáng)烈地抑制前胸腺合成蛻皮激素；前胸腺處于非活動時期，PTTH可以活化前胸腺；而同時用PTTH和PTSP體外培養(yǎng)前胸腺時，其被PTTH活化的蛻皮激素的生物合成又可被PTSP所抑制。2.5pg臨界體重的機(jī)理變態(tài)昆蟲的發(fā)育過程中，只有當(dāng)蟲體達(dá)到合適的大小，也就是達(dá)到臨界體重的時候，JH分泌量降低，PTTH被釋放出來，變態(tài)才能發(fā)生。而現(xiàn)在對這種臨界體重的機(jī)理還不是很明白，然而在果蠅的研究中最新數(shù)據(jù)表明PG在決定臨界體重的時候扮演重要的角色。當(dāng)抑制幼蟲的PG生長的時候，將發(fā)育成比較大尺寸的個體和成蟲，而當(dāng)通過處理增大PG的時候，將形成小個體的幼蟲，并且幼蟲沒有達(dá)到臨界體重時就開始分泌PTTH，開始變態(tài)。而在其它昆蟲中是否也存在同樣的機(jī)制，有待進(jìn)一步研究。3對昆蟲的調(diào)節(jié)隨著對各個不同激素在昆蟲生長與發(fā)育過程中微妙變化及其相互之關(guān)系的進(jìn)一步深入探討，控制昆蟲蛻皮與變態(tài)的內(nèi)分泌體系必將得到更充分的認(rèn)識和利用。從而，我們可以通過誘導(dǎo)“超齡幼蟲”等方法來調(diào)節(jié)有益昆蟲的生長與發(fā)育，使其更多更好地為人類服務(wù)；而對有害昆蟲，我們可以通過尋找其發(fā)育過程中的薄弱點(diǎn)，以及發(fā)現(xiàn)并利用各種激素或激素的拮抗物來更有效地將其消滅，同時昆蟲內(nèi)分泌體系也為我們研究生命科學(xué)的變化規(guī)律提供了理想的實(shí)驗(yàn)材料。3.1病毒和外源性激素對前胸腺及其分泌的影響在害蟲防治工作中，多數(shù)都是通過病毒侵染昆蟲，而抑制害蟲的生長、發(fā)育、繁殖。從而達(dá)到消滅害蟲或者使之不能增殖的目的。3.1.1mdv對前耳腺的影響PennacchioF等對寄生蜂多分DNA病毒（PDV）的生理功能的研究，發(fā)現(xiàn)寄生蜂多分DNA病毒使昆蟲發(fā)生前胸腺失活和前胸腺解體的兩種不同形式。一，黑頭折脈繭蜂(Cardiochilesnigriceps)寄生煙草夜蛾末齡幼蟲后，由于前胸腺失活，寄主發(fā)育停滯于末齡幼蟲期，不能化蛹。但PDV僅對開始化蛹時寄主的前胸腺起作用，一旦發(fā)育超過這個階段，則無論是活體還是離體的前胸腺均不再受PDV的影響。二，索諾拉齒唇姬蜂寄生煙草夜蛾末齡幼蟲后，寄主發(fā)育延緩或停滯，蛻皮激素的正常峰值未出現(xiàn)。這是由于CsV誘導(dǎo)的寄主前胸腺解體，使蛻皮激素的高峰被抑制或推遲造成的。推測可能是PDV誘導(dǎo)的前胸腺細(xì)胞早熟性程序化死亡,也可能和最后一次幼蟲蛻皮時激素的變化改變了前胸腺細(xì)胞對PDV或PDV誘導(dǎo)產(chǎn)物的反應(yīng)有一定的關(guān)系。2003年8月張叢等進(jìn)行棉鈴蟲齒唇姬蜂多分DNA病毒對棉鈴蟲前胸腺結(jié)構(gòu)的影響的研究，發(fā)現(xiàn)在不同的研究系統(tǒng)，前胸腺是否受PDV影響以及影響的程度均有不同。綜合以上觀點(diǎn)認(rèn)為，多分DNA病毒可以使昆蟲滯育，致死。因此認(rèn)為可以利用多分DNA病毒進(jìn)行害蟲防治。3.1.2加速采用ptth的試驗(yàn)貢成良等用美國白蛾核型多角體病毒表達(dá)家蠶促前胸腺激素基因，發(fā)現(xiàn)促前胸腺激素PTTH在重組病毒中具有加速殺蟲作用。帶有家蠶PTTH基因的重組病毒對家蠶的致病力高于野生病毒,甚至能進(jìn)一步加速幼蟲的死亡。3.1.3psgv感染期秦啟聯(lián)等觀察比較了粘蟲核型多角體病毒(PseudelatiaseparataNPV,PsNPV)，粘蟲顆粒體病毒(PseudelatiaseparataGV,PsGV)感染粘蟲，以及兩種病毒混合感染粘蟲后，粘蟲(Pseudelatiaseparata)前胸腺的形態(tài)特征和前胸腺細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)被PsNPV感染晚期，與前胸腺相連的氣管嚴(yán)重病變，出現(xiàn)大量白色顆粒狀物累積，被伊紅染成紫黑色，腺體細(xì)胞被擠壓變形；PsGV感染組的前胸腺腺體變小，單個細(xì)胞也小，細(xì)胞界限不十分明顯；兩種病毒混合感染組的腺體細(xì)胞小，能被伊紅染色的細(xì)胞極少。由此說明了粘蟲核型多角體病毒可以抑制昆蟲腺體的分泌，從而抑制昆蟲的生長發(fā)育，以及繁殖。3.1.4蛻皮回血減少有關(guān)印楝素生物活性及作用機(jī)制的試驗(yàn)證實(shí)，印楝素對前胸腺的作用有兩方面:a.是印楝素阻礙PTTH的釋放而使前胸腺不能被激活，導(dǎo)致蛻皮甾類的分泌量減少；b.是印楝素降低了前胸腺對PTTH的感受性。只要印楝素對前胸腺的處理時間早于頭臨界期(HeadCriticalPeriod即PTTH釋放臨界期之前去頭)，前胸腺未被PTTH激活，則印楝素對昆蟲的發(fā)育變態(tài)就能起作用。在害蟲綜合治理中的具有廣泛的應(yīng)用前景。3.2蛻皮激素受體的基因檢測加州Salk生物研究所和圣地亞哥加州大學(xué)(UCSD)的研究者提出，昆蟲蛻皮激素可成為有效的基因開關(guān)。研究者把一個與調(diào)控序列相連接的靶基因加入到細(xì)胞DNA中去，他們設(shè)計(jì)把這個調(diào)控序列與修飾的蛻皮激素受體相結(jié)合，使細(xì)胞大量制造蛻皮激素受體。這樣，蛻皮激素一到細(xì)胞核就與受體結(jié)合，而這兩者的復(fù)合物與靶基因上的調(diào)控序列是相連接的，于是便打開了基因。因此他們報(bào)道，蛻皮激素控制基因開關(guān)的裝置可以轉(zhuǎn)移到哺乳動物細(xì)胞中去。研究者用合成的小鼠蛻皮激素譯本可以只打開某些免疫細(xì)胞的基因。蛻皮激素于投藥后迅速打開基因，并在數(shù)小時內(nèi)從動物體內(nèi)清除掉，因而有可能對基因活性精確地安排時間。這一發(fā)現(xiàn)為免疫學(xué)和疾病治療做出了很大的貢獻(xiàn)。3.3延長齡期生產(chǎn)高質(zhì)量絲蛻皮激素在蠶業(yè)生產(chǎn)上有很好的應(yīng)用前景，通過激素調(diào)控，可