昆虫滞育的阶段特点

昆虫滞育的阶段特点

昆虫是地球上最繁荣的物种。它分布在除海洋以外的所有地球大陆上，数量巨大。虽然有许多因素导致昆虫物种的繁荣,昆虫生长发育的计划性可能起到关键性的作用。即昆虫在条件适应的环境下,连续不断地生长繁殖,一旦条件不利,则停滞生长发育,进入一个滞育(diapause)阶段。滞育的特征是发育极其缓慢,代谢强度低,抗逆性强,这样昆虫个体可以在恶劣的环境下(比如严冬酷暑)生存下来。在环境转变为适宜的生长条件时,昆虫个体又开始恢复生长发育,同时使得两性个体发育齐一,利于生殖交配同步化。由于滞育机理的查明可以为经济昆虫的开发利用和农业害虫的防治奠定基础,近年来昆虫的滞育研究备受瞩目,国内外有一系列的相关滞育研究论文和综述论文。本文对滞育过程及其科学问题做一简短的回顾和展望,供大家参考和批评。1滞育的开始和过程和滞育含义相近的名词有2个:休眠和静止。休眠(dormancy)是含义比较宽泛的术语,可以指任何发育缓慢(停滞)的状态,通常伴随着代谢抑制。静止(quiescence)是指个体对环境条件的即时性应答反应,即任何不利环境因子低于生理阈值,昆虫个体马上处于静止不动的状态,使发育停止在某一阶段。而一旦环境条件恢复到适应状态,马上开始发育活动。滞育则是一个比较专业的术语,是由昆虫个体内在的、中央的调节指令发出,使原来直接的发育变态改变为选择性的滞育程序的生理学过程。具体表现为滞育的开始通常早于不利环境的到来,而滞育的结束和不利环境的结束往往不一致。广义上说休眠的定义可以涵盖静止与滞育,而滞育明显不同于静止的是滞育有预见性。昆虫可以通过预测不利环境因素(如光周期、湿度、食饵等)的到来,在不利环境到来之前就进入滞育状态。一旦进入滞育,即使环境条件良好,个体也不发育。只有经历一个特殊的滞育打破阶段,滞育才能被解除,开始重新发育。详细的说明可参考吴坤君、KoNtál。2停滞阶段的划分滞育一般划分为3个阶段:滞育前期(pre-diapause)、滞育期(diapause)和滞育后期(post-diapause)。2.1进入滞育状态的环境信号在滞育前期,昆虫个体依然保持发育状态,但是此阶段昆虫接收特定的环境信号,然后在晚些时候进入滞育状态。此阶段又可划分为滞育诱导(inductionphase)和滞育准备(preparationphase)2个时期。2.1.1环境诱导信号滞育诱导期位于不利环境条件到来之前,例如家蚕Bombyxmori的滞育诱导在卵(胚胎)期,高温(25℃)、长光照(12h以上)保育蚕卵可以诱导下个世代的卵(成虫产下的卵)进入胚期滞育;而低温(15℃)、短光照条件则诱导成虫产下的卵继续发育(非滞育)。棉铃虫Helicoverpaarmigera幼虫期受低温(20℃)、短光照(12h以下)诱导,化蛹后进入蛹期滞育;而高温(25℃)、长光照(12h以上)条件则导致幼虫化蛹后继续发育。所以滞育的环境诱导信号被昆虫在一个特定的敏感时期(sensitiveperiod)感受到,如家蚕的胚胎期、棉铃虫的幼虫期。环境信号中的光周期则是最重要的诱导因素,因为光周期有年周期性,非常准确,使得昆虫在进化的漫长岁月中,把光信号作为首选的诱导因素。迄今为止,已有很多论文报道光信号经过昆虫大脑或复眼转化为发育或滞育的指令,而且光受体(receptor)也被定位在大脑或复眼。此外,也有一些报道称特定的化学信号分子也可用于滞育诱导,如线虫Caenorhabditiselegans由同种的其他个别释放的信息素信号诱导滞育,沙漠蝗Schistocercagregaria可釉由食物中的丁子香酚(eugenol)诱导成虫生殖滞育。2.1.2滞育相关的基因表达滞育准备期往往紧接在诱导期之后或与诱导期有部分交叉重迭。滞育诱导后导致一些特异性基因在滞育准备期表达,神经内分泌和代谢过程出现变化,为进入滞育做准备。例如在家蚕或棉铃虫,在滞育准备期表现为幼虫龄期延长,摄取更多的食物贮存在体内作为能源;在蝗虫和粘虫,则出现体色的变化;有些昆虫则在行为学特征上出现迁移(migration)或聚集(aggregation)等。这些生理学变化归根结蒂是由于昆虫个体内基因水平发生了变化。Denlinger教授认为滞育准备期一定反映在滞育相关的基因选择性表达模式上,虽然这一分子过程没有被鉴定出来。例如卵滞育家蚕,胚期受到高温长光照的滞育诱导后,会导致5龄幼虫发育延长,体重增大,在雌蛹的早-中期出现滞育激素(diapausehormone,DH)的大量表达。然后DH作用于卵巢膜上的受体,通过第二信使鸟苷酸环化酶含量下降,下降的cGMP导致膜上海藻糖酶基因的转录和酶活性提高,进而将体液中的海藻糖分解成葡萄糖,穿膜进入卵母细胞。大量的葡萄糖进入卵内后进一步转化为糖原、海藻糖、山梨醇等,为卵(胚胎)滞育做好了准备。2.2滞育发育的含义在滞育期,发育不是停止,而是极其缓慢地发育(停滞),所以有学者建议用滞育发育(diapausedevelopment)这个名词。这个时期大致可以划分为3个阶段:滞育进入(initiation)、滞育维持(maintenance)和滞育解除(termination)。2.2.1家蚕滞育的发育时期指发育开始逐步减缓直至发育停滞的时期。昆虫进入滞育时期依不同的物种而不同,可以发生在生命周期的任何阶段,如胚期、幼虫期、蛹期和成虫期。相对某个物种而言,进入滞育的时期是固定的,如家蚕是胚期滞育,棉铃虫是蛹期滞育,黑腹果蝇Drosophilamelanogaster是成虫滞育。有时滞育进入时期可以比较容易地识别,例如在蜕皮变态后进入滞育期,体表的色彩、外观变化,或形成茧保护等。多数进入滞育的形态学描述通常需要更详细的实验来划分,比如把家蚕胚胎发育划分为30个时期,进入滞育是在时期8;棉铃虫化蛹后的7~10天是滞育的进入期(蛹保育在20℃,眼点始终位于中部的一条直线上就表明个体已经进入了滞育)。当然依赖细胞和分子水平鉴定滞育的精确开始时期是最好的,例如上游的未知因子如何分层调节导致神经肽、激素的产生?从靶组织来看,如何从膜受体到膜内侧的信号级联(signallingcascades)再到细胞循环调节,这些工作近年开始起步。在滞育进入期,最典型的特征是代谢速率的逐步降低,包括代谢酶的磷酸化、生物膜的功能、一些特定的基因表达等发生一系列变化。例如在棉铃虫滞育进入期(化蛹后10天内),大量合成海藻糖、山梨醇并积蓄在体液中,这些物质即是能源物质,又是很好的抗冻剂,防止低温伤害(本实验室未发表数据)。此时昆虫个体一方面将吸收的养分转化为贮存能源和抗逆性物质(和滞育准备期有部分重迭),另一方面由于代谢收到阻抑调节,发育逐步停滞下来。如果是可移动的滞育个体此时依然可以取食,贮存能量和寻找适当的小环境(如地洞等)。也有报道在这个时期的环境条件相关于滞育的强度(滞育时期的长短和滞育打破的难易)。2.2.2滞育强度的延长经过滞育进入期后,把这些昆虫个体放条件适应条件下,依然保持不发育的状态,表明这些个体已经进入了滞育维持期。这个时期短至几周,长至数月甚至1年以上。可惜有关滞育维持的生理学过程几乎不清楚,只知道个体的代谢维持在一个持续的低水平上,同时伴随时间的增加,滞育强度逐步下降,对滞育打破的敏感性逐步增加。在这个时期,有许多基因依然在工作,调控滞育维持的状态,这也是为什么人们把滞育表述为发育停滞,而不是停止。2.2.3滞育的光周期位于滞育期的后期,迄今为止关于滞育打破的机制依然知道得很少。虽然在实验室能够观察到滞育打破,重新恢复发育,但是在自然状态下,滞育打破期如何被识别、划分尚未见报道。在许多昆虫,已经知道特定的滞育打破条件是非常严格的,例如家蚕滞育卵必须经历夏天的高温后,滞育才能逐渐打破;蛹滞育的棉铃虫则需要低温来结束滞育;在热带地区的夏季滞育昆虫,变化的光周期被认为是滞育打破的关键因子。总的来说在自然条件下通常低温是多数昆虫打破滞育的主要因素,而在实验室条件下,人工打破滞育的因素很多,比如机械震动、电击、受伤、感染、激素、化学试剂等,常见的例子有用蜕皮激素或保幼激素等激素打破滞育。针对个别物种,化学物质是很有效的打破滞育手段,如盐酸打破家蚕卵滞育,己烷处理麻蝇Sarcophagacrassipalpis打破蛹滞育等,但是这些滞育打破的机制依然不清楚。一般来说滞育打破涉及一些调节因子的合成、释放和转运,然后作用于靶组织。靶组织的敏感性可能取决于膜受体的有无,如烟草天蛾蛹滞育过程中,蜕皮激素受体(EcR和USP)均下调,滞育打破后开始发育时,这些受体大量表达。一些昆虫滞育打破过程中一些基因表达参与其中,例如山梨酸脱氢酶、碱性磷酸酶、蛋白酶、酯酶等经过一段滞育期后开始表达,可能参与滞育的打破。也有报道家蚕卵滞育打破的生理学机制是由于一个蛋白的构像改变(time-laterval-measaring-enzyme,time),而Time则受到另一个肽PIN(time-holdingpeptide)的调节。2.3家蚕卵pa-diapausequeunesce内部指滞育打破后,环境条件不利于恢复发育,外在性因素抑制发育和代谢,昆虫个体的外观上的表现出滞育打破后的静止(post-diapausequiescence)。此时一旦环境条件变为有利,个体马上恢复发育,例如家蚕卵的滞育在冬季(1月)已经被打破,由于低温抑制了发育,因而外在表现是依然滞育。一旦春天温度回升,家蚕卵很快恢复发育,破卵而出。对于夏滞育昆虫来说,在滞育后期的湿度或水分增加会顷刻恢复发育。3激素调节滞育的识别各国科学家的几十年不懈努力,对滞育机制认识有了很大进展,尤其是激素调节滞育的过程。这里简短介绍一些当今的重要进展,然后提出一些有待解决的重要科学问题供大家参考。3.1重要的科学研究3.1.1患者滞育的基因如前所述,滞育和非滞育型昆虫个体的消化吸收、摄食行为、贮存营养物质、代谢需求是不同的,这些差异最终导致发育或不发育。根据对果蝇和线虫C.elegans研究,发现胰岛素信号路径是研究滞育代谢差异调节的重要候选路径。例如线虫在信息素的刺激下(或在群居、食物短缺等环境条件的诱导下)会进入滞育状态(长寿)。有2个单基因daf-2和age-1的突变能分别使线虫在正常生活的前提下,寿命延长1倍,这2个基因是调控线虫的发育或滞育的开关。用遗传学方法证明了daf-2和age-1是在同一条作用路径上,而daf-2或age-1造成的长寿或滞育的敏感性加强能被另一个基因daf-16的突变所削弱甚至完全消除。分子遗传学的方法分别证明了daf-2是胰岛素受体类似物,age-1是PI3kinase(PI3K)P110亚基类似蛋白,daf-16则编码3个forkhead家族转录因子。这3个蛋白都属于线虫胰岛素路径上的元件,它对线虫的代谢、生殖和寿命起到决定性的作用,而且这条胰岛素路径对衰老的调节作用在果蝇和小鼠中都很保守。所以今后借鉴胰岛素信号路径的研究结果,对昆虫滞育研究大有裨益。3.1.2夜螟案dh滞育激素一词在滞育研究领域广为使用,最早在家蚕滞育研究过程中发现食道下神经节分泌的一种神经肽能够诱导卵滞育,定名为滞育激素(DH)。后来人们一直在寻找其他昆虫的DH和DH诱导滞育的证据,但均未成功。1994年首次发现夜蛾科昆虫玉米夜蛾Helicoverpazea的性信息素合成激活肽的cDNA同时编码DH类似肽,暗示玉米夜蛾体内可能有DH。用家蚕滞育激素cDNA作为探针,发现滞育激素基因可能出现在多种昆虫,如蓖麻蚕、柞蚕甚至果蝇。后来对蛹滞育的棉铃虫进行了深入研究,发现了DH的确存在的证据。一般认为蛹滞育是由PTTH-蜕皮激素调节的,所以DH在蛹滞育昆虫的生理学功能是耐人寻味的。围绕棉铃虫等昆虫的DH功能研究,Sun等人发现DH在棉铃虫滞育过程中该基因表达是下调的,并不能诱导蛹滞育,有趣的是生物活性检测显示DH能打破蛹滞育。为了回答DH打破滞育的机理,实验证明了DH在体内和体外都能激活前胸腺合成蜕皮激素,DH的受体也被定位在前胸腺上,显示出DH打破滞育是通过激活前胸腺合成蜕皮激素,蜕皮激素直接引发滞育打破。最近日本学者发现DH能激活家蚕前胸腺合成蜕皮激素,DH的不同功能(诱导滞育和促前胸腺合成蜕皮激素)非常令人回味,特别是DH和PTTH刺激合成蜕皮激素的相互关系问题。3.1.3聚体生物大量进入核内的调节机制考虑到光周期对诱导昆虫滞育的重要性,有人推测生物钟基因、光受体等关联滞育。通常所见的生物钟基因period(PER),timeless(TIM),clock(CLK),cycle(CYC),doubletime(DBT)已经在果蝇、家蚕、麻蝇等许多昆虫被克隆,这些生物钟基因产物可以形成二聚体进入核内,互为反馈调节的模式。但是也有报道柞蚕Antheraeapernyi的PER不进入核,暗示这些基因虽然保守,但是生物节律的调节机制可能有所不同。生物钟基因的研究虽然很多,但是要确认滞育是否有节律的基础是困难的,换句话说就是节律性是否导致滞育这个问题是有争议的。有支持不同观点的实例,比如PER基因突变的果蝇是无节律的,但是它依然能进入成虫滞育。虽然生物钟基因的研究未必能够关联滞育,但是要在分子水平上认识滞育的机理,生物钟基因的研究进展是很有价值的。3.2关于延迟的研究3.2.1滞育激素是调节滞育能力的工具虽然环境信号诱导滞育世人皆知,但是环境信号如何传递并最终导致体内发生一些变化,引发滞育出现的分子机制还不清楚。过去人们一直认为家蚕滞育激素诱导卵滞育,其实不太确切。滞育诱导发生在胚胎期,分子生物学证据表明高温保育的家蚕卵的DH基因在胚胎的中后期开始表达,表达量明显高于低温的,这种差异可以通过某种未知的机制传递到幼虫期和蛹期,然后在蛹期第3天开始DH基因大量表达,改变蛹期代谢,导致在卵内大量积累山梨醇和甘油。这些山梨醇和甘油是良好的抗冻剂,有利于产下的滞育卵度过低温的冬天,很自然地反映了自然选择的合理性。所以严格说滞育激素是在滞育准备期调节碳水化合物代谢,为卵滞育做好准备而已。家蚕发育中的胚胎如何接收高温信号,棉铃虫幼虫如何感受光信号并传递下去则是非常令人感兴趣的重要科学问题。3.2.2ptth的功能指从发育逐步开始转向停滞的过程。一般认为蛹滞育是由于脑激素PTTH表达的下调或关闭,导致蜕皮