昆虫前胸腺的形态学与生理功能

昆虫前胸腺的形态学与生理功能

昆虫的变形发育是生物发育学的重要组成部分。长期以来，昆虫科学家一直在研究这种变形机制。波兰的昆虫生理学家Kopec在1917年利用蛾类的最后一龄幼虫，进行了一系列的结扎实验，发现其幼虫的脑是其进行变态所必需的。二十世纪50年代，有关脑、前胸腺（prothoracicgland,PG）及咽喉侧腺在昆虫蜕皮与变态中的功能已大致明了，控制昆虫成长与发育的内分泌体系，即“中心法则”已经被确定。后来激素调控的“中心法则”被进一步的发展、补充。随着对变态机理的阐明，前胸腺及其相关激素的应用得到了广泛的发展。下面就前胸腺的形态特征、生理功能与调控及其在生产上的应用进行综述。1前胸腺的形态特征1.1家蚕前胸腺组织随着昆虫学的不断发展,人们对各种昆虫前胸腺的组织学研究已经有很大的成就。低等昆虫（蝗虫）的前胸腺位于头内，腺体内细胞组织致密，通过分裂进行增殖；高等昆虫的前胸腺位于前胸第一气门附近，由疏松的细胞串组成。家蚕前胸腺是多细胞乳白色半透明的扁平带状组织，长约2mm，幅约0.1mm，缠在第1气门的气管丛上，左右成对。其基本形态可分为杆部、前枝、中枝和后枝四部分,腺体外面包有一层较厚的共同膜，腺体内部挤满着多角形或椭圆形的分泌细胞。细胞核较大，小蚕期呈球形，大蚕期变成轮廓不规则的树枝状。棉铃虫前胸腺几乎透明，不带颜色，成对。位于第一气门下，穿行于气管干下的支气管间，向前后延伸。完整的前胸腺大约由60个左右的近似球形的细胞所组成，呈疏松的细胞链状，外面常常包裹着一层透明的鞘膜。1.2家蚕中前胸腺的变化昆虫前胸腺细胞的增长有分裂增殖、增大细胞体积两种。棉铃虫在5龄至蛹期的各个发育阶段中，均未出现有丝分裂现象，腺体的生长是由于细胞体积的增大。家蚕中前胸腺的变大是由细胞体积增大，在第三、第四和末龄期，前胸腺细胞的数目保持在一个持续不变的水平，其分泌活动依蚕龄不同而有周期性的增高。化蛹后达最高浓度，化蛹后的最初1～2日显著下降，此后再逐渐上升。腺细胞的DNA合成随发育过程不同而被调控，由一种自分泌因子促进了腺体细胞变化，分泌物形成分泌层-然后分泌层增厚-分泌物向血液中分泌-分泌物水平胞的DNA合成。1.3滞育、非滞育棉铃虫形态解剖结构的比较前胸腺细胞内含有大量线粒体，内质网，高尔基体等细胞器。PTTH刺激后，细胞内出现大量含甾醇类激素的囊胞。同一前胸腺中细胞大小不一，大细胞可能活性较强，小细胞可能活性较弱。王方海等用解剖镜和电子显微镜对滞育和非滞育棉铃虫前胸腺的形态解剖结构进行了比较研究。结果发现在注定非滞育棉铃虫中5龄前胸腺的最大细胞直径达200μm左右，刚化蛹时，最大细胞直径则增大到300μm左右。滞育棉铃虫的前胸腺细胞及其细胞间隙相对较小，不易着色，细胞核规则，较小，细胞质中几乎见不到内质网，线粒体极少，由此证明滞育棉铃虫的前胸腺活性较低。2昆虫学家研究现状多年来对昆虫前胸腺的形态学特征已经研究的比较清楚，而现在昆虫学家的研究主要集中在其生理机制和调控上。下面分别从不同方面综述前胸腺的生理功能和调控。2.1保幼激素与蜕皮二十世纪50年代，有关脑、前胸腺及咽喉侧腺在昆虫脱皮与变态中的功能已大致解明，控制昆虫生长与发育的中心法则已经确立。由脑中的神经分泌细胞所分泌的脑激素（又称前胸腺刺激激素，PTIH），刺激前胸腺分泌蜕皮激素（PGH，又称ecdysone），从而引起蜕皮。但蜕皮的性质是由咽喉侧腺所分泌的保幼激素（juvernilehormones,JH）的量所决定的。当保幼激素量很高时诱导的为幼虫蜕皮；当保幼激素量变少诱导的为化蛹的蜕皮；当体内不存在保幼激素而只有蜕皮激素时，引起从蛹到成虫的变态。2.2健全的抑前仰腺肽前胸腺分泌的蜕皮激素在昆虫的变态中起着重要的作用,其生物合成受脑神经肽的调控。昆虫脑神经肽是华跃进等通过蛋白酶水解使家蚕脑抽提物中分离出来，他们通过前胸腺抑制活性消失的实验证明了昆虫前胸腺抑制因子是一种多肽，HnaY,T等从2000个家蚕Bombyxmori脑成功地分离纯化到了200pmol其分子量为1089178D的物质，氨基酸测序显示是一个由9个氨基酸残基组成的多肽，由于它有抑制家蚕前胸腺分泌蜕皮激素的功能，故被称为抑前胸腺肽(prothoracicostaticpeptide,PTSP)。刘新等以家蚕PTSP(Bom-PTSP)的氨基酸序列为基础,通过氨基酸的置换、添加、减少，人工合成了一组与Bom-PTSP类似的多肽,利用家蚕前胸腺体外培养技术和蜕皮激素放射免疫分析研究分析表明，对Bom-PTSP的氨基酸序列作任何改变，都将导致其生理活性的下降、丧失甚至相反的活性。后来他们进一步观察抑前胸腺肽在家蚕体内的活性作用以及引起家蚕体内血淋巴中蜕皮激素浓度的动态变化，首次证明了抑前胸腺肽在体内对家蚕前胸腺合成蜕皮激素有强烈的抑制作用。从而抑前胸腺肽的生理功能进一步被阐明。2.3昆虫前胸腺促进因素2.3.1皮回酶的调节促前胸腺激素(Prothoracicotropichormone,PTTH)是由脑神经内分泌细胞产生的,调节前胸腺合成和分泌蜕皮甾类激素。PTTH是在昆虫中发现的第一个激素，也是在动物中发现的第一个神经激素，所以对PTTH研究相对较多。1994年NijhoutHF分离纯化了烟草角蛾Manducasexta和家蚕Bombyxmori的PTTH,KawakamiA等克隆到家蚕PTTH的基因并测出氨基酸序列。2.3.2ptth对乳腺癌基础探索的促进在昆虫生长发育的不同时期，前胸腺具有不同的合成和分泌机能，对PTTH反应的敏感度也不一样，当前胸腺基础分泌水平较低时，PTTH对它的促进较明显。而蜕皮激素的合成和分泌也受到PTTH的调控，2000年欧阳迎春等对粘虫Mythimnaseparata蛹脑PTTH样活性物质对前胸腺的剂量反应的研究也证实了这一点。2.3.3家蚕末龄期camp诱导的蜕皮激素释放和合成在烟草角蛾和家蚕中，PTTH刺激蜕皮激素的合成都是在cAMP作为细胞内第二信使的介导下完成的。家蚕幼虫末龄期蜕皮激素产生的细胞机制：末龄期随发育变化的PTTH信号转导，表现出与幼虫期倒数第二龄所不同的发育模式，可能在前胸腺活性的变化调节和由幼虫到蛹的变态发育中起到重要的作用。家蚕末龄期cAMP敏感型产生类固醇的机制随发育变化。PTTH释放和成功的PTTH信号转导对蜕皮激素的产生都很重要。在家蚕中，随发育而变化的PTTH信号转导途径，在腺细胞内存在着转导缺陷，发生在末龄时期。在末龄早期，PTTH被释放出来，但前胸腺对PTTH的刺激既不表现cAMP水平的升高，也不产生类固醇。在烟草角蛾中，前胸腺在幼虫末龄期具有PTTH刺激下进行cAMP累积和合成蜕皮激素随发育变化的能力。而有报道显示在烟草夜蛾中蛋白激酶C参加了PTTH的信号调控,并且PTTH通过Ca2+依赖的信号途径激活PKC，而不是通过传统的cAMP途径。最新研究表明PTTH信号转导受到饥饿信号的调控，饥饿初期，饥饿信号能使PTTH持续转导，而到饥饿的第3天，PTTH的信号转导将不受饥饿的控制，饥饿在PTTH信号转导中失效。2.4ptsp对蜕皮激素的激活效果控制昆虫成长与发育的内分泌体系很早就发现，研究人员不断深入的研究对中心法则进行了补充和扩展。顾世红对家蚕蜕皮与变态的内分泌调控的研究发现蜕皮激素的微量变化才是直接决定幼虫转变为蛹的重要因素，而JH分泌活性的下降仅是幼虫转变为蛹之前的一个结果，从而使中心法则得到了进一步的扩展。华跃进等进一步研究发现当前胸腺处于活动时期，PTSP能强烈地抑制前胸腺合成蜕皮激素；前胸腺处于非活动时期，PTTH可以活化前胸腺；而同时用PTTH和PTSP体外培养前胸腺时，其被PTTH活化的蜕皮激素的生物合成又可被PTSP所抑制。2.5pg临界体重的机理变态昆虫的发育过程中，只有当虫体达到合适的大小，也就是达到临界体重的时候，JH分泌量降低，PTTH被释放出来，变态才能发生。而现在对这种临界体重的机理还不是很明白，然而在果蝇的研究中最新数据表明PG在决定临界体重的时候扮演重要的角色。当抑制幼虫的PG生长的时候，将发育成比较大尺寸的个体和成虫，而当通过处理增大PG的时候，将形成小个体的幼虫，并且幼虫没有达到临界体重时就开始分泌PTTH，开始变态。而在其它昆虫中是否也存在同样的机制，有待进一步研究。3对昆虫的调节随着对各个不同激素在昆虫生长与发育过程中微妙变化及其相互之关系的进一步深入探讨，控制昆虫蜕皮与变态的内分泌体系必将得到更充分的认识和利用。从而，我们可以通过诱导“超龄幼虫”等方法来调节有益昆虫的生长与发育，使其更多更好地为人类服务；而对有害昆虫，我们可以通过寻找其发育过程中的薄弱点，以及发现并利用各种激素或激素的拮抗物来更有效地将其消灭，同时昆虫内分泌体系也为我们研究生命科学的变化规律提供了理想的实验材料。3.1病毒和外源性激素对前胸腺及其分泌的影响在害虫防治工作中，多数都是通过病毒侵染昆虫，而抑制害虫的生长、发育、繁殖。从而达到消灭害虫或者使之不能增殖的目的。3.1.1mdv对前耳腺的影响PennacchioF等对寄生蜂多分DNA病毒（PDV）的生理功能的研究，发现寄生蜂多分DNA病毒使昆虫发生前胸腺失活和前胸腺解体的两种不同形式。一，黑头折脉茧蜂(Cardiochilesnigriceps)寄生烟草夜蛾末龄幼虫后，由于前胸腺失活，寄主发育停滞于末龄幼虫期，不能化蛹。但PDV仅对开始化蛹时寄主的前胸腺起作用，一旦发育超过这个阶段，则无论是活体还是离体的前胸腺均不再受PDV的影响。二，索诺拉齿唇姬蜂寄生烟草夜蛾末龄幼虫后，寄主发育延缓或停滞，蜕皮激素的正常峰值未出现。这是由于CsV诱导的寄主前胸腺解体，使蜕皮激素的高峰被抑制或推迟造成的。推测可能是PDV诱导的前胸腺细胞早熟性程序化死亡,也可能和最后一次幼虫蜕皮时激素的变化改变了前胸腺细胞对PDV或PDV诱导产物的反应有一定的关系。2003年8月张丛等进行棉铃虫齿唇姬蜂多分DNA病毒对棉铃虫前胸腺结构的影响的研究，发现在不同的研究系统，前胸腺是否受PDV影响以及影响的程度均有不同。综合以上观点认为，多分DNA病毒可以使昆虫滞育，致死。因此认为可以利用多分DNA病毒进行害虫防治。3.1.2加速采用ptth的试验贡成良等用美国白蛾核型多角体病毒表达家蚕促前胸腺激素基因，发现促前胸腺激素PTTH在重组病毒中具有加速杀虫作用。带有家蚕PTTH基因的重组病毒对家蚕的致病力高于野生病毒,甚至能进一步加速幼虫的死亡。3.1.3psgv感染期秦启联等观察比较了粘虫核型多角体病毒(PseudelatiaseparataNPV,PsNPV)，粘虫颗粒体病毒(PseudelatiaseparataGV,PsGV)感染粘虫，以及两种病毒混合感染粘虫后，粘虫(Pseudelatiaseparata)前胸腺的形态特征和前胸腺细胞的超微结构。发现被PsNPV感染晚期，与前胸腺相连的气管严重病变，出现大量白色颗粒状物累积，被伊红染成紫黑色，腺体细胞被挤压变形；PsGV感染组的前胸腺腺体变小，单个细胞也小，细胞界限不十分明显；两种病毒混合感染组的腺体细胞小，能被伊红染色的细胞极少。由此说明了粘虫核型多角体病毒可以抑制昆虫腺体的分泌，从而抑制昆虫的生长发育，以及繁殖。3.1.4蜕皮回血减少有关印楝素生物活性及作用机制的试验证实，印楝素对前胸腺的作用有两方面:a.是印楝素阻碍PTTH的释放而使前胸腺不能被激活，导致蜕皮甾类的分泌量减少；b.是印楝素降低了前胸腺对PTTH的感受性。只要印楝素对前胸腺的处理时间早于头临界期(HeadCriticalPeriod即PTTH释放临界期之前去头)，前胸腺未被PTTH激活，则印楝素对昆虫的发育变态就能起作用。在害虫综合治理中的具有广泛的应用前景。3.2蜕皮激素受体的基因检测加州Salk生物研究所和圣地亚哥加州大学(UCSD)的研究者提出，昆虫蜕皮激素可成为有效的基因开关。研究者把一个与调控序列相连接的靶基因加入到细胞DNA中去，他们设计把这个调控序列与修饰的蜕皮激素受体相结合，使细胞大量制造蜕皮激素受体。这样，蜕皮激素一到细胞核就与受体结合，而这两者的复合物与靶基因上的调控序列是相连接的，于是便打开了基因。因此他们报道，蜕皮激素控制基因开关的装置可以转移到哺乳动物细胞中去。研究者用合成的小鼠蜕皮激素译本可以只打开某些免疫细胞的基因。蜕皮激素于投药后迅速打开基因，并在数小时内从动物体内清除掉，因而有可能对基因活性精确地安排时间。这一发现为免疫学和疾病治疗做出了很大的贡献。3.3延长龄期生产高质量丝蜕皮激素在蚕业生产上有很好的应用前景，通过激素调控，可