（农业昆虫与害虫防治专业论文）两种水生萤火虫发光器的超微结构研究.pdf

两种水生萤火虫发光器的超微结构研究 o c t o p a m i n e ( o a ) ：章鱼胺 p e r o x i s o m e s ：过氧化物酶体 t r a c h e o l e s ：微气管 t ee n do r g a n ：气管端器官 p h o t o c y t e s ：发光细胞 l u c i f e r i n ：荧光素 l u c i t e r a s e ：荧光素酶 m i t o ，i i i c h o n ：线粒体 n o ：一氧化氮 n o s ：一氧化氮合酶 o a r 章鱼胺接受器 c a m p ：环腺苷酸 p k a ：蛋白质激酶a c y t oco x i d a s e ：细胞色素氧化酶 g s ：g s 蛋白 a c ：腺嘌呤环化酶 c a t a l a s e ：过氧化氢酶， t r a c h e o l a rc e l l ：微气管细胞， p h o t o c y t e ：发光细胞 缩略语表 5 华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书 学位论文 如需保密，解密时间年 月 是否保密 日 研究生鲐吉：乏僖、帆川年月，夕日 学位论文使用授权书 本人完全了解“华中农业大学关于保存、使用学位论文的规定”，即学生必 须按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存提交论文的印 刷版和电子版，并提供目录检索和阅览服务，可以采用影印，缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。本人同意华中农业大学可以用不同方式在不同媒体上 发表，传播学位论文的全部或部分内容。 注：保密学位论文在解密后适用于本授权书。 娩彭毋撇名：圈 签名蹴矽7 年| b签名溅少夕每其扣 两种水生萤火虫发光器的超徽结构研究 摘要 中国大陆的萤火虫研究刚刚起步，而对于萤火虫发光器的研究，国外主要集 中在陆生萤火虫光的产生、控制机制及发光器的超微结构等方面。为探讨武汉发 现的两种珍稀的水生萤火虫一一条背萤l u c i o ks u b s 护i a t a 和雷氏黄萤l u c i o l a & i i 发光器与陆生种发光器结构的异同及为研究萤火虫发光的高效率提供基础，作者 对这两种水生萤火虫发光器的超微结构进行了研究，结果如下。 条背萤1 2 s u b s 打i a t a 成虫发光器较简单，由明显的两层组成一一反射层和发 光层。成虫发光器腹节由外向内依次为表皮、发光层、反射层和内部细胞层。反 射层由排列紧密的“尿酸囊泡”构成，具有发达的气管结构，对光起反射作用； 发光层由大量发光细胞构成，内含典型的发光颗粒、线粒体、内质网及大量糖原， 该层通过发光细胞胞质内的生化反应而发光。条背萤ls u b s t r i a t a 两层均由非细 胞层膜包被，间距2 5 3 0um 。雷氏黄萤l k f f 成虫发光器同样分为反射层和发 光层。反射层由排列紧密的“尿酸囊泡”构成，具有粗大的气管结构，为发光器 提供充足的氧气供应，气管外周具有上皮细胞。发光层由发光细胞构成，发光颗 粒一般呈圆球状，散布于胞质内，线粒体主要位于发光细胞内部近细胞膜处，反 射层与内部细胞层间可观察到发达的气管结构，与反射层内的气管结构类似。 条背萤l s u b s t r i a t a 和雷氏黄萤l 跆豇幼虫发光器复杂。条背萤l s u b s 什i a t a 幼虫发光器长椭圆形，由背射层和发光层构成，由非细胞层膜包被。背射层由单 层柱状细胞构成，内含大量“尿酸囊泡”。发光层细胞膜相互绞缠，含有两种类 型的发光颗粒：”致密”型和”凋亡”型，含有大量的线粒体和无定形颗粒，发 光细胞之间分布着大量的气管、微气管及神经末梢，同时可观察到神经突触。雷 氏黄萤l 跆f f 幼虫发光器球形，直径为0 3 8 0 0 3 5n l l n ( n = 3 0 ) ，由一非细胞层 膜包被，分层现象不明显，发光器边缘存在大的透明区域。三级气管分支进入发 光器中并且发光器中有2 4 束肌肉穿过，起固定发光器的作用。发光器由发光 细胞构成，内含典型的发光颗粒。发光器含有大量的气管及微气管。有大的神经 与发光器相联系。此外，这两种幼虫发光器间距差异显著。 两种水生萤火虫成虫与幼虫发光器结构的不同点：成虫发光器的发光颗粒主 要位于发光细胞的中央部位，而幼虫发光器中的发光颗粒随机散布于胞质中；幼 虫发光器具有直接的神经支配，而成虫发光器不具有；成虫发光器中的线粒体主 要位于近发光细胞的细胞膜处，而幼虫发光器中的线粒体位于发光细胞内部；成 虫发光器都分为反射层和发光层，而l 跆豇幼虫发光器中部结构致密，边缘透明， 不具有两层的结构；相同点在于：发光的生化反应机制相同；发光颗粒相似；都 具有发达的气管结构。 与这两种水生萤火虫相比，陆生种成虫发光器反射层和发光层均无非细胞层 华中农业大学2 0 0 7 届硕士学位论文 膜包被，两层间无明显间距，发光颗粒形状不规则，气管通常形成二分支；陆生 种幼虫发光层形状差异较大，背射层由单层或2 4 层细胞构成：相似点在于， 成虫发光器都由均由反射层和发光层构成，发光细胞内都含发光颗粒、线粒体及 大量糖原，都具有发达的气管结构，发光颗粒相似。幼虫发光器都由背射层和发 光层构成，都具有发达的气管和直接的神经支配，发光颗粒相似，都由非细胞层 膜包被。 关键词：条背萤；雷氏黄萤；发光器；超微结构 2 两种水生萤火虫发光器的超微结构研究 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho ff i r e f l yi nm a i n l a n dc h i n ab r e a k st h ei c ej u s tn o w w i t hm g a r dt ot h e f i r e f l yl i g h to r g a n s ，a b r o a dr e s e a r c ha r ea r o u n dm a i n l yt h ee m e r g e n c eo fl i g h t ，c o n t r o l m e c h a m i s ma n dl i g h to r g a nu l t r a s t r u c t u r eo ft e r r e s t r i a lf i r e f l i e sa n ds oo n t h ea u t h o r s t u d i e dt h eu l t r a s t r u c t u r eo fl i g h to r g a n so ft h et w oa q u a t i cf i r e f l i e st od i s c u s st h ed i f f e r e n c e o fl i g h to r g a n sb e t w e e nt h et w or a r ea q u a t i cf i r e f l i e s - - - - l u c i o l as u b s t r i a t aa n dl u c i o l al e i i f o u n di nw u h a na n dp r o v i d eb a s i st oh i g he f f i c i e n c yo ff i r e f l i e s b i o l u m i n e s c e n c e t h ea d u l tf i r e f l yl i g h to r g a n so fls u b s t r i a t aw a ss i m p l e t h e yw e r ec o n s i s t e do ft w o c o n s p i c u o u sl a y e r s 一- - t h er e f l e c t i n gl a y e ra n dt h ep h o t o g e n i cl a y e r t h ev e n t r a la d u l tl i g h t o r g a n ss e g m e n t sw e r ei nt u mc o m p o s e do fb o d yc u t i c l e ，t h er e f l e c t i n gl a y e r , t h ep h o t o g e n i c l a y e ra n dt h ei n t e r i o rc e l ll a y e rf r o mt h eo u t s i d e t h er e f l e c t i n gl a y e rw h i c hw a ss u p p l i e d w i t he v o l v e dt r a c h e aw a sc o m p o s e do fc o m p a c tu r a t ev e s i c u l e s ，a n dt h el a y e rw a sr e f l e x i b l e t ol i g h t ；t h ep h o t o g e n i cl a y e rw h i c he m i t t e dt h e i rl i g h tb yt h eb i o c h e m i c a lr e a c t i o ni n p h o t o c y t ec y t o p l a s mw a sc o m p o s e do fm a s so fp h o t o c y t e sc o n t a i n i n gt y p i c a lp h o t o c y t e g r a n u l e s ，m i t o c h o n d r i a , e n d o p l a s m i cr e t i c u l u ma n dar i c hs u p p l yo fg l y c o g e n t h et w o l a y e r so f l s u b s t r i a t aw e r eb o t hc o v e r e dw i t ha c e l l u l a rm e m b r a n e ，a n dt h ed i s t a n c eb e t w e e n t h et w ol a y e r sw a s2 5 3 0um t h em i c r o s t r u c t u r eo fa d u l tf i r e f l yl i g h to r g a n so fll e i i w e r eb o t hc o n s i s t e do ft w ol a y e r s 一一t h er e f l e c t i n gl a y e ra n dt h ep h o t o g e n i cl a y e r t h e r e f l e c t i n gl a y e rw a sc o m p o s e do fc o m p a c tu r a t ev e s i c u l e s ，a n dh a ds t r o n gt r a c h e a l sw h i c h c a np r o v i d ee n o u g ho x y g e nf o ra d u l tl i g h to r g a n s t h et r a c h e ah a dt r a c h e a le p i t h e l i u m t h e p h o t o g e n i cl a y e rw a sc o m p o s e do fp h o t o c y t e s p h o t o c y t eg r a n u l e sw e r eg e n e r a l l yo r b i c u l a r a n dd i s p e r s e di nc y t o p l a s m m i t o c h o n d r i ad i s t r i b u t e dm a i n l yw h e r ec l o s e dt ot h ep h o t o c y t e s m e m b r a n e t h e r ew e r ee v o l v e dt r a c h e aw h i c hw e r es i m i l a rt ot h et r a c h e ai nt h er e f l e c t i n g l a y e rb e t w e e nt h er e f l e c t i n gl a y e ra n dt h ei n n e rc e l ll a y e r t h el a r v a lf i r e f l yl i g h to r g a n so f l s u b s t r i a t aa n dl 1 e i iw e r ec o m p l i c a t e d t h el a r v a l l i g h to r g a no fl s u b s t r i a t aw a se l l i p t i c ，c o v e r e dw i t ha c e l l u l a rl a y e ra n dc o n s i s t e d w i t ht h e d o r s a ll a y e ra n dp h o t o g e n i cl a y e r t h ed o r s a ll a y e rc o n s i s t e do fas i n g l et i e ro fc o l u m n a r c e i l sw h i c hc o n t a i n e dm a n yu r a t ev e s i c u l e s p h o t o c y t e s m e m b r a n ei n t e r l o c k e de a c ho t h e r p h o t o c y t e sc o n t a i n e dt w ot y p e so fp h o t o c y t eg r a n u l e s ：o n ew a sc o m p a c t ，t h eo t h e rw a si n a p o p t o s i s t h ep h o t o g e n i cl a y e rc o n t a i n e dn u m e r o u sm i t o c h o n d r i aa n da m o r p h o u sg r a n u l e s n u m e r o u st r a c h e a e s ，t r a c h e o l e sa n dn e r v ee n d i n g sr a nb e t w e e np h o t o c y t e s t h es y n a p s e s c a nb eo b s e r v e d t h el a r v a ll i g h to r g a no fll e i iw h i c hc o v e r e dw i t ha c e l l u l a rl a y e rw a s o r b i c u l a r , a n di t sd i a m e t e rw a s0 3 8 o 0 3 5t o n i ( n = 3 0 ) t h el a r v a ll i g h to r g a nd i dn o t c o n s i s t e do ft w oc o n s p i c u o u sl a y e r s t h el a r v a ll i g h to r g a nc o n t a i n e dl a r g ee m p t ya n d 3 华中农业大学2 0 0 7 届硕士学位论文 t r a n s p a r e n ts t r u c t u r e s a ti t s e d g ea n db o t h c o n s i s t e do fn u m e r o u sp h o t o c y t e sw h i c h c o n t a i n e dm a n y t y p i c a lp h o t o c y t eg r a n u l e s t h et e r t i a r yt r a c h e a ee n t e r e dt h el i g h to r g a na n d t h e r ew e r e2 4m u s c l e sc r o s s i n gt h el a r v a ll i g h to r g a n t h em u s c l e sc a nf i xt h el i g h to r g a n t h el a r v a ll i g h to r g a no f 厶l e i ic o n t a i n e dn u m e r o u st r a c h e a ea n dt r a c h e o l e s t h e r ew e r e l a r g en e r v e st h a tc o n n e c t e dw i t ht h el a r v a ll i g h to r g a n t h ed i f f e r e n c eo ft h ed i s t a n c e b e t w e e nt h i st w ol a r v a ll i g h to r g a nw a ss i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e sb e t w e e nt h el a r v a la n da d u l tl i g h to r g a n so ft h et w oa q u a t i cf i r e f l i e s w e r e ：t h ep h o t o c y t eg r a n u l e so ft h ea d u l tf i r e f l yl i g h to r g a n sl i e dt ot h em i d d l eo ft h e p h o t o c y t e s ，b u ti nt h el a r v a lf i r e f l yl i g h to r g a n st h a td i s p e r s e di nt h ec y t o p l a s m ；t h el a r v a l l i g h to r g a n sh a dd i r e c ti n n e r v a t i o n s ，b u tt h ea d u l tl i g h to r g a n sh a dn o t ；t h em i t o c h o n d r i ai n a d u l tp h o t o c y t e sd i s t r i b u t e dm a i n l yw h e r ec l o s e dt ot h ep h o t o c y t e sm e m b r a n e ，b u tt h e m i t o c h o n d r i ai nl a r v a lp h o t o c y t e sl i e di np h o t o c y t e s ；t h ea d u l tl i 曲to r g a n sw e r ec o n s i s t e do f t w ol a y c 船一一t h er e f l e c t i n gl a y e ra n dp h o t o g e n i cl a y e r ，b u tt h el a r v a ll i g h to r g a no fl 1 e i i h a dt r a n s p a r e n ts t r u c t u r e si nt h eb o r d e ro ft h el a r v a ll i g h to r g a na n dw e r en o tc o n s i s t e do f t w ol a y e r s t h es i m i l a r i t i e so ft h el a r v a la n da d u l tl i g h to r g a n so ft h et w oa q u a t i cf i r e f l i e s w e r e ：t h em e c h a n i s mo fb i o l u m i n e s c e n c ew a ss a m e ；t h ep h o t o c y t eg r a n u l e sw e r es i m i l a r ； b o t hh a de v o l v e dt r a c h e a e s c o m p a r e dw i t ht h et w or a r ea q u a t i cf i r e f l i e s ，t h et e r r e s t r i a la d u l tf i r e f l i e sr e f l e c t i n g l a y e ra n dp h o t o g e n i cl a y e rw e r en o tc o v e r e dw i t ha c e l l u l a rm e m b r a n e ，a n dt h et w ol a y e r s h a dn o tc o n s p i c u o u ss e p a r a t i o n t h ep h o t o c y t eg r a n u l e sw e r en o ti nr e g u l a rs h a p e ，a n dt h e n u m b e ro ft r a c h e o l e sc o m i n go f fe a c ht r a c h e a lt w i gw a sd e f m i t e l yt w o t h et e r r e s t r i a ll a r v a l f i r e f l i e sp h o t o g e n i cl a y e rw e r ev e r yd i f f e r e n ti ns h a p ea n dt h ed o r s a ll a y e rw e r ec o m p o s e d o fas i n g l et i e ro fc e l l so rt w ot of o u rt i e r so fc e l l s t h es i m i l a r i t i e so fls u b s t r i a t aa n d t e r r e s t r i a lf i r e f l i e sw e r e ：a d u l tl i g h to r g a nb o t hc o n s i s t e do ft h er e f l e c t i n gl a y e ra n d p h o t o g e n i cl a y e r ；p h o t o c y t e sb o t hc o n t a i n e dp h o t o c y t eg r a n u l e s ，m i t o c h o n d r i aa n da l o to f g l y c o g e n ；l i g h to r g a nb o t hs u p p l i e dw i t he v o l v e dt r a c h e a e s ；p h o t o c y t eg r a n u l e sw e r ev e r y s i m i l a r a n dl a r v a ll i g h to r g a nb o t hw e r ec o m p o s e do ft h ed o r s a ll a y e ra n dp h o t o g e n i cl a y e r a n dh a de v o l v e dt r a c h e a ea n dd i r e c ti n n e r v a t i o n t h e ya l s oh a da n a l o g i c a lp h o t o c y t e g r a n u l e sa n db o t hw e r ec o v e r e dw i t ha c e l l u l a rl a y e r k e y w o r d s ：l u c i o l as u b s t r i a t a ；l u c i o l al e i i ；l i g h to r g a n ；m i c r o s t r u c t u r e ；u l t r a s t r u c t u r e 4 华中农业大学2 0 0 7 届硕士学位论文 1 前言 萤火虫泛指鞘翅目萤科( c o l e o p t e r a ：l a m p y r i d a e ) 昆虫，目前全世界已记录20 0 0 多 种，主要分布在温带，亚热带和热带地区( m c d e r m o t t ，1 9 6 4 ) 。萤火虫依照成虫的活动 规律分为昼行型、昼夜两行型和夜行型；依照幼虫生活的环境，可以分为陆生、水生和 半水生三类( o h b a ，1 9 8 8 ) 。大多数的萤科昆虫为陆生性，幼虫以蜗牛、蛞蝓为食物， 有些种类会捕食蚯蚓和昆虫等小动物。半水生类一般生活在水岸边，进入水中捕食猎 物或躲避天敌。水生萤火虫稀少，幼虫期可达9 1 0 个月，生活在湖泊、小溪流或稻 田中，以小型淡水螺类为食，对水质要求较高，可作为一种水质监测昆虫( m o r s e ，1 9 8 4 ) 。 萤火虫独特的发光行为使之成为一类重要的观赏性昆虫；在中国昆虫文化中，萤 火虫与蝴蝶、蟋蟀齐名，并长期受到文化界的推崇；它对环境敏感，是环境的指示物 种；特有的光信息传递方式使它成为研究昆虫种内信息交流和信息交流信号演化的实 验对象；同时，萤火虫体内的荧光素酶可用于l 缶床医学及法医学检测，生命科学研究， 环境监测和制备广谱酶联免疫检测试剂；在分子生物学中还可应用荧光素酶基因作报 告基因；荧光素酶还可用于有毒有害物质分析( r o b e r t ，1 9 9 8 ：张菊梅等，2 0 0 1 ) 。从而 使萤火虫可能成为一种非常有价值的资源昆虫。 国内少有萤火虫方面的研究报道，国外则在陆栖萤火虫的发光机制( r o b e r t ，1 9 9 8 ) 及其信号通讯系统的行为生态学研究( l l o y d ，1 9 6 6 ；b r a n h a m ，1 9 9 6 ) 报道较多。 1 1 萤火虫的生物发光 自然界中许多植物和动物都具有发光的能力，这种生物体发光现象被称为生物发 光( b i o l u m i n e s c e n c e ) 。生物发光可分为两种类型( b u c k ，1 9 7 8 ：r o b e r t ，1 9 9 8 ) 。其中， 萤火虫( 鞘翅目：萤科) 的发光最为独特，除一些昼行性的种类外，萤火虫的卵、幼虫、 蛹、成虫均能发光( b u s c h r n a n ，1 9 8 8 ；付新华，2 0 0 4 ) 。 1 1 1 发光机制 萤火虫利用发光细胞中的荧光素( 1 u c i f e r i n ) 、荧光素酶( 1 u c i f e r a s e ) 、氧气和a t p 进行生化反应而发光。当氧气通过小气管进人发光细胞时，荧光素酶在镁离子作用下， 与底物反映形成与酶结合的腺苷酸荧光素酰化复合物，该复合物经过氧化脱羧作用成 为处于激活状态的氧化荧光素，最后发射光子。萤火虫在脑神经系统的支配下，通过 调节呼吸节律，控制氧气供应，便形成时明时暗的“闪光”。荧光素作为热抗性的底物， 是光的来源；荧光素酶起触发器及催化剂的作用；氧是氧化剂；a t p 提供能量，促使荧 光素荧光素酶复合体发光( h a r v e y ，1 9 5 2 ：r o b e r t , 1 9 9 8 ；w i l s o n ，1 9 9 8 ) 。 该氧化还原过程进行的场所为发光细胞，经表皮向外发出。发光过程中不会产生 6 两种水生萤火虫发光器的超微结构研究 巨大的热量，能量利用的效率非常高，仅有约2 - - 1 0 f l 谎量转化为热，而其余能量全 部用来发光。因此，萤火虫的光被称为“冷光”( o h m i y a ，2 0 0 0 ；王郡明，2 0 0 6 ) 。 l u e i f e r i n + a t p + 0 2 一l u c l f e r a a e m g + + 0 x y l u c i f e r i n + a m p + p p i + c 0 2 + h 7 ；j ，：+ 、；h “o ；l，一v 。卜= ；：r 一州p 一k 一： ；j ，：+ “o ；l 、一”- 叫7 k 。 ；j ，、 、s 一一。 量薯抽 l n ，tt ，一，。， b 。i j m ，e “：弩一，弦 毫：o 、- - ：_ p f l p 1 弋吐x k 竹 荔i t ：， | 钮。，；，、，妒 ”l ，矿y 、 f ) ： ：tc o ：一 。 r0 7 + i l 、。) 图1 萤火虫的发光机制 f i g 1 t h em e c h a n i s mo fb i o l u m i n e s c e n c ei nf i r e f l i e s 1 1 2 萤火虫的闪光信号 萤光虫的闪光具有种的特异性，不同种类萤火虫的光谱不同。萤火虫成虫发光的颜 色因种而异，有黄色、绿色、黄绿色，之所以有颜色的差异，是由于它们体内的荧光 素酶的结构不同而造成的( o h m i y a ，2 0 0 0 ；王郡明，2 0 0 6 ；b u c k ，1 9 3 7 a ) 。 萤火虫成虫的发光具有性信息交流、诱集、警戒和照明等作用，成虫发光最主要 的作用就是用在性信息交流上。萤火虫雄萤通常在空中飞行，发出种特异性闪光进行 求偶，其发光轨迹具有种特异性，雌萤并非根据雄萤的单个闪光脉冲进行种及性别的 辨认，而是辨认雄萤飞行时发出的闪光信号序列及闪光轨迹( 付新华，2 0 0 5 ；o h b a ， 1 9 8 3 ) 。雄萤的闪光求偶信号与雌萤的回应信号构成了闪光交流系统。m c d e r m o t t 和 b l a i r 将萤火虫的闪光信号交流系统分为两大类；o h b a 在研究日本萤火虫的两性交流 时，根据萤火虫闪光信号的特点及性信息素在闪光交流中的作用特点将日本萤火虫的 闪光交流系统分为6 种类型( m c d e r m o t t ，1 9 1 4 ；b l a i r ，1 9 1 5 ；k a n d a ，1 9 3 5 ；o h b a ， 1 9 8 3 ：w i l s o n ，1 9 9 8 ；b r a n h a m ，1 9 9 6 ；o h b a ，2 0 0 4 ) 。 p y r o c o e l i a 属的一些萤火虫利用光和性信息素进行两性交流( o h b a ，1 9 8 3 ) 。此 外，p h o t u r i s 属一些种类的雌萤破译了某些异种萤火虫的种特异性闪光信号，进而模 拟异种雌萤的回应信号来吸引并捕食前来交配的雄萤。p h o m r 西属中的一些种类非常 擅长于此，如p h o t u r i sv e r s i c o l o r 至少捕食1 1 种萤火虫( l l o y d ，1 9 7 1 ，1 9 8 0 ，1 9 8 9 ， 7 华中农业大学2 0 0 7 届硕士学位论文 1 9 9 3 ；d o m a g a l a ，1 9 8 4 ：b u s c h m a n ，1 9 8 8 ；v e n c l ，1 9 9 4 ；付新华，2 0 0 5 ) 萤火虫幼虫的发光具有警戒潜在天敌的作用。有些萤火虫的幼虫除了具有生物发 光的功能外，还能分泌毒素来防御天敌( d ec o c ka n dm a t t h y s e n ，1 9 9 9 ，2 0 0 1 ，2 0 0 3 ； d ec o c k ，2 0 0 0 ) 。萤火虫的幼虫都能发光，而有些萤火虫的成虫是不发光的，这表明 萤火虫幼虫的生物发光是一种原始的警戒和防御天敌的手段。萤火虫成虫的发光为“闪 光”，发光迅速。如p h o t m u sc o l l u s 打a n s 雄成虫日落后1 1 2 6m i n 开始低飞，每次发光 时间为0 2s ，间歇时间为2 2s 。萤火虫幼虫的发光为“闪烁”，持续时间较成虫要长， 可达几秒钟( b u c k ，1 9 3 7 1 0 ，1 9 4 8 ；c a r l s o n ，1 9 6 5 ；b u s c h m a n ，1 9 8 8 ；h o ，1 9 9 8 ) 。 1 2 萤火虫发光器结构研究概况 除双翅目( a r a c h n o c a m p a ) 昆虫的发光器官起源于马氏管外，昆虫发光器官主要起 源于脂肪体( h e s s ，1 9 2 1 ，1 9 2 2 ) 。 萤火虫发光器一直作为人们研究的对象( g h i r a d e l l a ，1 9 7 8 ) 。不同种类的萤火虫， 其发光器形态差异较大。雄萤成虫发光器一般2 节，雌萤成虫发光器1 3 节。幼虫发 光器较成虫发光器要小，持续发光时间较成虫要长。 成虫发光器能发出具种特异性的闪光( h a s h ) ，而幼虫发光器只能闪烁( g l o w ) ( g h i r a d e l l a ，1 9 7 8 ：p e t e r s o n ，1 9 6 8 ) 。根据萤火虫发光器中的气管、神经供应及前人 工作的总结，b u c k 将发光甲虫发光器官归为6 类( h a r v e y ，1 9 5 2 ) 。国外对陆生萤火 虫光的产生及控制机制( g h i r a d e l l a ，1 9 7 8 ；s m i t h ，1 9 6 3 ；t r i m m e r ，2 0 0 1 ) ，发光器超 微结构( k l u s s ，1 9 5 8 ；s m i t h ，1 9 6 3 ；d o n a t ao e r t e l ，1 9 7 5 ；b u s c h m a n ，1 9 8 4 ) 都进行 了大量研究。目前，陆生萤火虫发光器的发光细胞、尿酸囊泡、微气管、神经末梢、 气管端细胞等结构都已阐明( b e a m s ，1 9 5 5 ；p e t e r s o u ，1 9 6 8 ：d o n a t ao e n e l ，1 9 7 5 ； g h i r a d e l l a ，1 9 7 8 ) 。 1 2 1 萤火虫成虫发光器结构研究 国外对萤火虫成虫发光器结构的研究主要在2 0 世纪5 0 8 0 年代，且研究内容主 要集中在陆生萤火虫的几个属，如p h o f i n u s 、p h o t u r i s 属。 p h o 聒n u sp y r a l i s 成虫发光器分为明显的两层一一反射层和发光层。反射层较致 密，发光层由发光细胞组成，内含大量的发光颗粒( b e a m sa n d a n d e r s o n ，1 9 5 5 ) 。p h o t u r i s p e n n s y l v a n i c ad e g e c r 成虫发光器分为“反射细胞层”和“发光细胞层”。“反射细胞层” 的细胞核主要位于胞质中央位置，胞质中含有小的线粒体、某些平行的鞘脊及糖原， 所有“反射细胞层”的细胞胞质都是相似的；“发光细胞层”的发光细胞厚平板状。发 光细胞胞质中含有大量的发光颗粒( 其功能尚未知) 和线粒体。气管主干在“反射细 胞层”并不产生侧枝，而在其穿过“发光细胞层”时产生大量分支( s m r h ，1 9 6 3 ) 。 8 两种水生萤火虫发光器的超徽结构研究 成虫发光器另外一个明显的特征是气管端细胞( t r a c h e a le n dc e l l s ) 的存在。p h o t i n u s p y r a l i s 气管端细胞为一球形或椭圆形体，外部具有限制性膜( 该膜与某些肾细胞或某 些昆虫的马氏管细胞膜相似) ，其中心有气管分支穿过，形成微气管。气管端细胞膜与 气管端细胞分支相接处具有大量的绒毛，呈辐射状，绒毛内含线粒体( b e a m sa n d a n d e r s o n ，1 9 5 5 ) 。p h o t u r i s p e n n s y l v a n i c ad e g e c r 的气管端细胞中的线粒体呈放射状分 布，与气管上皮细胞中的线粒体相比更为显著( s m i t h ，1 9 6 3 ) 。日本的l u c i o l a p a r v u 和 工“c f d 肠v i t i c o l l l i s ，气管主干向发光细胞分支，气管端细胞分散分布。但并非所有的成 虫发光器都具有气管端细胞，如l a m p o 砌i z as p l e n d i d u l a 成虫有气管供应但无反射层和 气管端细胞( h a r v e y , 1 9 5 2 ) 。 g h i r a d e l l a 比较了p h o t m u ss a b u l o s u s ，p h o m r i ss p 和p y r a c t o m e n as p 三个属雄成 虫发光器中微气管的结构，研究发现这三个属的雄成虫具有发达的微气管系统，起输 送氧气的作用，而且不具有折叠或萎陷的结构( g h i r a d e l l a ，1 9 7 8 ) 。m a r g a r e t 研究认为， 成虫发光器中的气管除进行简单的气体供应外，还具有某些传导或兴奋性的功能：而 幼虫发光器中的微气管只具有纯粹的呼吸功能( m a r g a r e t ，1 9 6 8 ) 。p e t e r s o n 和b u c k 对三种亚洲萤火虫发光器结构进行了研究，认为这三种亚洲萤火虫在总的发光器形态 上与北美p h o m r 括和p h o t i n u s 属萤火虫具有相似性( p e t e r s o na n db u c k ，1 9 6 8 ) 。p e t e r s o n 研究认为，萤火虫发光器发光层一个重要的特征就是发光颗粒的存在，尽管发光颗粒 在形状、大小上有差别，但至少在p h o t i n u s 和p h o t u r i s 属的幼虫和成虫中非常相似 ( p e t e r s o n ，1 9 7 0 ) 。s m i t h 观察到了p h o t u r i s p e n n s y l v a n i c ad e g e e r 成虫发光器中的神 经末梢( s m i t h ，1 9 6 3 ) 。 p h o t n u s p y r a l i s 成虫发光器反射层含有6 一牛乳糖、1 3 一葡糖苷酸酶、亮氨酸氨 肽、d n a 、甘氨酸、酸性粘多糖、一n h 2 、- - s h 、酪氨酸、色氨酸、糖原、c a 2 + 等； 发光层含有细胞色素氧化酶、琥珀酸氧化酶、碱性磷酸酶、三磷酸1 腺苷、1 3 一牛乳糖、 1 3 一葡糖苷酸酶、亮氨酸氨肽、d n a 、r n a 、磷脂、一n h 2 、一s h 、酪氨酸、色氨酸、 精氨酸、纤维蛋白、胶原纤维等；气管中含有细胞色素氧化酶、琥珀酸氧化酶、酸性 磷酸酶、碱性磷酸酶、碱性磷酸酶、糖原、酸性粘多糖、磷脂、一n h 2 、- - s h 、d n a 、 纤维蛋白、胶原纤维等( s t r e h l e ra n dt o t t e r ，1 9 5 2 ；s t r e h l e ra n dp r e s s ，1 9 6 7 ) 。 1 2 2 萤火虫幼虫发光器结构研究 萤火虫幼虫发光器结构比较复杂，不同的属之间结构差异较大。国外对萤火虫幼 虫发光器结构的研究主要在2 0 世纪4 0 一8 0 年代，且研究内容主要集中在陆生萤火虫 的幼虫发光器结构。 p e t e r s o n 对p h o t u r i sv e r s i c o l o ，和p h o t u r i sl u c i c r e s c e r s 的幼虫发光器超微结构进行 了研究，发现其发光器由背部“背射层”和腹部圆锥状的“发光层”构成。“背射层” 9 华中农业大学2 0 0 7 届硕士学位论文 由包含“尿酸”颗粒、线粒体和大量糖原的单层细胞构成；“发光层”由大量的发光细 胞构成，含有与成虫发光器相似的发光颗粒，大量的线粒体和微气管，而且发光细胞 之间有大量的神经纤维( p e t e r s o n ，1 9 7 0 ) 。s m i t h 对p h o t u r s 属一种幼虫的发光器进行 了研究，同样发现其背射层由一单层细胞构成( s m i t h ，1 9 6 3 ) 。p h o m r 妇p e n n s y l v a n i c a d e g e e r 幼虫发光器位于第8 腹节，直径0 5 m m ，有神经分支穿过发光器，分为明显 的两个细胞层；背部细胞层里白色且不透明，背部细胞层之下为发光细胞层，发光细 胞层大约由2 0 0 0 个发光细胞构成，发光细胞较小，透明；其每一发光器通过一个大的 和多个小的气管分支进行通气，并受包