昆蟲受精孔形態(tài)及其功能研究進(jìn)展

孫元星，郝亞楠，王森山，劉長仲

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 植物保護(hù)學(xué)院/甘肅省農(nóng)作物病蟲害生物防治工程實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070)

兩性卵生是昆蟲最重要的生殖方式之一，大多數(shù)昆蟲在母親體外的生命起始于卵[1]。在雌蟲產(chǎn)卵過程中，卵通過生殖腔引起的神經(jīng)回路激發(fā)受精囊中精子的釋放[2]，而精子只有穿過卵殼進(jìn)入卵內(nèi)才能完成雌雄配子的融合[3]。受精孔是卵殼上一類重要的特化結(jié)構(gòu)，是精子進(jìn)入卵內(nèi)的主要通道[4]。多數(shù)昆蟲的受精孔較小，肉眼及普通光學(xué)顯微鏡難以觀察，但隨著電子顯微鏡技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，人們對昆蟲受精孔的認(rèn)識逐步加深[5]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者在昆蟲受精孔區(qū)的形態(tài)觀察及受精孔數(shù)目變化等方面進(jìn)行了一系列研究?，F(xiàn)就國內(nèi)外有關(guān)昆蟲受精孔的研究進(jìn)行總結(jié)，并基于目前的研究內(nèi)容，對未來的研究方向進(jìn)行展望。

1 昆蟲受精孔簡介

Micropyle(受精孔，又叫卵孔)，一詞來源于希臘詞mikros (small) pulé (gate)，意為小的孔道。受精孔是昆蟲卵殼上的一個(gè)小開口及延伸穿過絨膜至卵黃膜的管狀結(jié)構(gòu)，是精子進(jìn)入卵內(nèi)的重要通道[3-4]。此外，多個(gè)受精孔管能將進(jìn)入卵內(nèi)的精子進(jìn)行疏散，使其由多個(gè)方向競爭地游向卵核，以利提高受精品質(zhì)[6]。在許多昆蟲中，受精孔周圍還具有一些特殊的結(jié)構(gòu)[7]，這些特殊結(jié)構(gòu)通過不同形式協(xié)助精子進(jìn)入受精孔[8]。因此，受精孔在昆蟲卵的受精過程中發(fā)揮著十分重要的作用[9]。

在昆蟲卵子發(fā)生后期，卵巢中的濾泡細(xì)胞分泌卵殼蛋白凝聚固化形成卵殼，并形成一些復(fù)雜的附屬結(jié)構(gòu)，如受精孔[10]。一般認(rèn)為受精孔至少由兩類亞濾泡細(xì)胞形成：受精孔形成細(xì)胞(MFCs)，產(chǎn)生并分泌特定物質(zhì)形成外部形態(tài)；受精孔孔道形成細(xì)胞(MCFCs)，形成向內(nèi)延伸的孔道[3]。受精孔形成是一個(gè)復(fù)雜的生物學(xué)過程，其過程為：處于卵室后端區(qū)域的濾泡細(xì)胞在早期進(jìn)行特異分化，其中約7～8個(gè)細(xì)胞形成邊界細(xì)胞簇，邊界細(xì)胞簇包裹極細(xì)胞穿過滋養(yǎng)細(xì)胞遷移至卵母細(xì)胞的后端，而后在一定的調(diào)控因子作用下發(fā)育形成受精孔孔道(圖1)[11-12]。此外，包圍卵的濾泡細(xì)胞內(nèi)表壓印卵殼后形成受精孔區(qū)的特殊花飾特征[6]。

BC.邊界細(xì)胞 Border cells；NC.滋養(yǎng)細(xì)胞 Nurse cells；FC.濾泡細(xì)胞 Follicle cells；PC.極細(xì)胞 Polar cells；OO.卵母細(xì)胞 Oocyte

圖1 受精孔形成示意圖[11-12]
Fig.1 Schematic diagram of micropyle formation

受精孔(區(qū))在卵殼表面的分布位置、形態(tài)特征及受精孔數(shù)目在不同昆蟲間及某些種類的不同個(gè)體間均存在較大差異。表1列舉了一些代表性昆蟲受精孔(區(qū))的形態(tài)特征及受精孔數(shù)目。

1.1 受精孔(區(qū))的分布位置

不同昆蟲的受精孔區(qū)在卵殼上的分布位置存在較大差別。在雙翅目、鱗翅目、少數(shù)脈翅目及鞘翅目的昆蟲中，受精孔區(qū)位于卵的前端一極(遠(yuǎn)離產(chǎn)卵部位的一端)[3, 9, 13-14]；部分直翅目昆蟲，如雙斑蟋蟀Gryllusbimaculatus的受精孔位于卵殼的中腹部區(qū)域[15]；另有一些昆蟲，如一種杏仁蜂Eurytomaamygdali[7]和二星瓢蟲Adaliabipunctata[16]的受精孔位于卵的后部末端區(qū)域(靠近產(chǎn)卵部位的一端)；此外，少數(shù)種類如瓢蟲Platynaspisluteorubra和蟻蛉Euroleonnostras(Fourcroy)，卵的兩端均存在受精孔[3, 17]。

1.2 受精孔(區(qū))的形態(tài)

受精孔(受精孔區(qū))的形態(tài)在不同昆蟲中也存在較大差異。一些雙翅目昆蟲的受精孔為卵殼表面形成的突起結(jié)構(gòu)[18]，而鱗翅目昆蟲的受精孔則位于卵殼表面形成的凹陷區(qū)域[19-22]；部分昆蟲的受精孔呈現(xiàn)出特殊的外部形態(tài)，如波結(jié)毛瓢蟲Scymnussinuanodulus的卵殼上有4～11個(gè)杯狀及13～20個(gè)半圓形的受精孔結(jié)構(gòu)[23]，黃胸散白蟻Reticulitermessperatus受精孔呈漏斗狀且在卵的末端形成一條弧線[24]，而美國牧草盲蝽Lyguslineloaris的3個(gè)受精孔呈三角狀位于卵殼表面凸起的卵蓋上[25]。少數(shù)昆蟲的受精孔直接開口于卵殼表面，無明顯外部形態(tài)[16, 18]。此外，一些昆蟲的受精孔還具有受精孔蓋，如黃糞蠅Scathophagastercoraria的受精孔蓋為透明的果凍狀結(jié)構(gòu)[26]，家蠅Muscadomestica的卵殼上也具類似的結(jié)構(gòu)[27]。

鱗翅目昆蟲受精孔周圍還具特殊的花飾結(jié)構(gòu)，花飾小葉輻射狀排列朝向受精孔，具有聚攏精子的作用[28]，但花飾形狀及花飾圈數(shù)在不同種類間均存在較大差異。棉鈴蟲Helicoverpaarmigera卵的受精孔區(qū)花飾分為兩圈，內(nèi)圈一般由13～14個(gè)菊花瓣?duì)罨椥∪~圍成，而外圈每個(gè)花飾小葉的形狀不規(guī)則，但其邊緣線條皆呈嵴紋狀[29]；馬尾松毛蟲Dendrolimuspunctatus的受精孔區(qū)花飾有6圈，其中最內(nèi)一圈由6個(gè)花飾小葉組成，各圈花飾小葉多呈六邊形[30]；柞蠶Antheraeapernyi的受精孔區(qū)有5～6圈花飾，其中最內(nèi)層花飾有12～14個(gè)略呈倒披針形的花瓣小葉，而向外4～5圈的花飾小葉呈不規(guī)則六邊形；桃小食心蟲Caoposinasasakii[31]卵的受精孔區(qū)花飾有特化結(jié)構(gòu)，最內(nèi)一圈為8～9個(gè)橢圓形且邊緣突起的花飾小葉，同時(shí)還有2～3圈向外呈“Y”字形的突起，其上密布絨毛狀小突起[32]；家蠶Bombyxmori卵的受精孔區(qū)只有一圈蓮座型花飾，花飾小葉為8～15個(gè)[20]。

1.3 受精孔數(shù)目

不同昆蟲的受精孔數(shù)目也存在較大差異[33]。大多數(shù)雙翅目昆蟲僅有1個(gè)受精孔，如一種按蚊Anophelesgoeldii[33]及白斑蛾蚋Telmatoscopusalbipunctatus等[22,34]。鞘翅目的許多種類具有多個(gè)受精孔，如二星瓢蟲Adaliabipunctata的卵表面具兩圈共計(jì)40～50個(gè)受精孔，異色瓢蟲Harmoniaaxyridis卵的頂部環(huán)狀排列約20個(gè)受精孔[9]，煙草甲Lasiodermaserricorne有9個(gè)受精孔[35]。等翅目昆蟲黃胸散白蟻Reticulitermessperatus的受精孔為0～33個(gè)不等(平均值為9.48)[24]。鱗翅目昆蟲的受精孔數(shù)目在不同種類間變化較大，如家蠶卵殼外部只呈現(xiàn)1個(gè)受精孔開口[4,20]；煙草粉斑螟Ephestiaelutella也只有1個(gè)受精孔，但臍橙螟Amyeloistransitella有5個(gè)受精孔[19]；同時(shí)研究表明，鱗翅目的部分種類的內(nèi)部受精孔道形成多個(gè)分支到達(dá)絨毛膜，如家蠶有3～5受精孔道，鉤翅大蠶蛾Antheraeaassamensis有8個(gè)受精孔道[21]。此外，一些儲糧害蟲如干果露尾甲Carpophilushemipterus[19,36]及半翅目旌介殼蟲屬Orthezia的一些種類[37]，其卵表面無可見的受精孔。

表1 不同昆蟲卵孔區(qū)的典型形態(tài)
Table 1 Typical morphology of micropyle region of different insects

(續(xù)表1 Continued table 1)

1.4 受精孔(區(qū))特征在分類中的應(yīng)用

不同昆蟲的受精孔區(qū)形態(tài)具有明顯差異，因此該特征可作為昆蟲的分類依據(jù)[6]。例如，受精孔表面的花紋是食蚜蠅分類的主要形態(tài)特征之一，通過受精孔區(qū)的特征可以建立食蚜蠅的分類檢索表[38]；舟蛾科昆蟲卵受精孔區(qū)呈螺旋形排列的花飾可將其與其他科的昆蟲區(qū)分開來[5]；蜉蝣目昆蟲卵受精孔區(qū)特征也是科間及種間分類的重要依據(jù)[39]。由于昆蟲受精孔區(qū)的特征在普通光學(xué)顯微鏡下不易觀察[5]，因此這些特征在昆蟲或昆蟲卵的分類中的應(yīng)用還較為局限。

2 昆蟲受精孔數(shù)目的變化及其進(jìn)化功能

2.1 種間差異及與生殖方式進(jìn)化的關(guān)系

在長期進(jìn)化中，昆蟲不同種類間受精孔數(shù)量的變化可能是形成不同生殖方式的基礎(chǔ)，總體來說體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：對于一些雌蟲交配頻率較低的種類，如雌蟲占主要比例的幻紫斑蛺蝶Hypolimnasbolina[40]，或雌蟲交配次數(shù)較少的昆蟲，如一生只交配1次的擬暗果蠅Drosophilapseudoobscura[41]，增加受精孔數(shù)目能夠增加單次接收精子的數(shù)量從而降低因精子缺乏造成卵不育的風(fēng)險(xiǎn)[42]；而對一些交配頻繁的種類來說，減少受精孔數(shù)目能夠降低病理性多精入卵的風(fēng)險(xiǎn)[42]；此外，在一些存在嚴(yán)重雜交的種類中，受精孔數(shù)目增加能夠增大雌蟲在交配后對精子進(jìn)行選擇性受精的概率[42]。Iossa等[42]通過研究鱗翅目14科51種昆蟲受精孔數(shù)目與交配次數(shù)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)鱗翅目昆蟲受精孔數(shù)目的變化與雌蟲交配后的受精選擇密切相關(guān)，證實(shí)受精孔數(shù)目變化在鱗翅目昆蟲中的進(jìn)化功能。盡管如此，受精孔在其他昆蟲中是否具有類似功能還有待更多研究加以證實(shí)。

2.2 種內(nèi)變化及與生殖調(diào)控的關(guān)系

昆蟲的受精孔數(shù)目并不是恒定不變的，常常受交配狀況及其他因素的影響。一些社會性昆蟲，如麥?zhǔn)锨a猛蟻Gnamptogenysmenadensis工蟻[43]及黑胸散白蟻Reticulitermeschinensis蟻后，雌蟲不交配所產(chǎn)營養(yǎng)卵往往缺乏受精孔，而交配后的雌蟲所產(chǎn)生殖卵則具有受精孔[44]。一些昆蟲能同時(shí)產(chǎn)生殖卵與營養(yǎng)卵，研究發(fā)現(xiàn)部分種類的生殖卵具有受精孔而營養(yǎng)卵則缺乏類似的結(jié)構(gòu)，如亞社會性土蝽Adomerustriguttulus[45]及無刺蜂Tetragoniscaangustula[46]。而在另一些種類中，兩種卵均具有受精孔且數(shù)目無顯著差異，如異色瓢蟲[9]和交配后的意大利蜜蜂Apismellifera蜂后[47]。此外，昆蟲的受精孔數(shù)目也會受其他因素的影響，如天蠶Antheraeayamamai與柞蠶Antheraeapernyi種間雜交的F1代受精孔數(shù)目(7～10個(gè))與天蠶相似，而略少于柞蠶(8～12個(gè))[48]；當(dāng)蟻王存在時(shí)，黃胸散白蟻Reticulitermessperatus蟻后所產(chǎn)卵的受精孔消失而轉(zhuǎn)向無性生殖[24]。

少數(shù)昆蟲突變體的受精孔數(shù)目及受精孔區(qū)形態(tài)與野生型相比，也發(fā)生不同程度的變化。例如，家蠶正常型卵的內(nèi)部受精孔道為2～5個(gè)(大部分為3個(gè))；卵大小突變型emi的受精孔道為 2～6個(gè)(多數(shù)為3個(gè))，突變型Ge 的受精孔道為3～6個(gè)(多數(shù)為4個(gè))[20]；而幼蟲體色突變型bd與bdsw純合子的卵內(nèi)部則無受精孔道[49]。受精孔的形態(tài)也會因基因突變而發(fā)生變化，家蠶正常型的受精孔表面及邊緣區(qū)域光滑，而突變型Se 的相應(yīng)區(qū)域則較為粗糙[50]。

3 研究展望

受精孔是精子進(jìn)入卵內(nèi)的主要通道，在昆蟲有性生殖過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。目前的研究大多集中于形態(tài)學(xué)觀察，而進(jìn)一步探究受精孔數(shù)目變化的影響因素、變化規(guī)律及調(diào)控機(jī)理將對深入了解昆蟲的生殖機(jī)理及開發(fā)害蟲防控新技術(shù)等提供重要的理論基礎(chǔ)。具體來說，未來可以從以下幾方面開展研究并取得突破。

3.1 昆蟲受精孔形成的分子機(jī)理在大多數(shù)昆蟲中尚不清楚

在昆蟲卵子發(fā)生過程中，濾泡細(xì)胞通過特定的基因調(diào)節(jié)形成外卵殼，如背-腹(dorsal-ventral)模式系統(tǒng)[51]。目前，普遍認(rèn)為昆蟲受精孔開口及內(nèi)部受精孔道數(shù)目的差異主要是由受精孔孔道形成細(xì)胞(MCFCs)及其他特殊濾泡細(xì)胞的分化所決定[3,4,20]，但分子水平的機(jī)理研究十分缺乏。已有研究證明某些基因與受精孔的形成相關(guān)，如果蠅濾泡細(xì)胞中的基因hep是受精孔形成所必需的[52]；在德國小蠊中，通過RNAi干擾證實(shí)基因Brownie會影響受精孔等相關(guān)結(jié)構(gòu)的形成[53]。

3.2 在受精過程中，精子定向進(jìn)入受精孔的機(jī)理尚不明確

在昆蟲卵的受精過程中，當(dāng)精子到達(dá)卵表面一定距離時(shí)，精子定向朝受精孔運(yùn)動，表明受精孔區(qū)存在某些特殊物質(zhì)能夠吸引精子的進(jìn)入[54]。探明這些物質(zhì)的具體種類及其作用機(jī)理將對深入了解昆蟲的受精過程具有重要意義。

3.3 在某些因素的影響下，昆蟲的受精孔數(shù)目會發(fā)生改變，但引起受精孔形態(tài)及數(shù)量改變的機(jī)理尚未見報(bào)道

在體內(nèi)受精的動物中，雄性在交配過程中除傳遞精子外，一些包含大量化合物分子的生殖附腺分泌物可從多個(gè)方面來影響生殖[55]，最直觀的表現(xiàn)就是刺激卵的發(fā)育速率及數(shù)量(如促進(jìn)卵黃原蛋白的攝取及濾泡細(xì)胞的活動)，并能調(diào)控產(chǎn)卵過程[56-58]。因此雄性附腺分泌物可能發(fā)揮著重要的作用，但參與介導(dǎo)的具體物質(zhì)僅有零星報(bào)道[41]，未來可以從一些關(guān)鍵物質(zhì)入手探究相關(guān)調(diào)控機(jī)理。

3.4 改變或調(diào)節(jié)受精孔數(shù)目將成為害蟲綠色防控的一項(xiàng)新技術(shù)

RNAi介導(dǎo)的作物保護(hù)是一種具有廣泛應(yīng)用前景的害蟲防治方法[59]，通過此方法干擾有關(guān)基因從而影響害蟲受精孔的形成，將快速壓低其種群數(shù)量，減少經(jīng)濟(jì)損失。此外，針對那些受精孔在受精后不封閉的害蟲種類，受精孔是殺蟲劑侵入卵的重要途徑[28]，通過分子手段增加害蟲受精孔的數(shù)目可以增強(qiáng)殺蟲劑的防治效率，從而減少殺蟲劑用量。但增加受精孔數(shù)目可能會提高受精率，因此如何合理調(diào)控受精孔數(shù)量，或準(zhǔn)確把握調(diào)控時(shí)期是實(shí)際防治工作中的關(guān)鍵問題。