昆蟲受精孔形態及其功能研究進展

孫元星，郝亞楠，王森山，劉長仲

(甘肅農業大學 植物保護學院/甘肅省農作物病蟲害生物防治工程實驗室，蘭州 730070)

兩性卵生是昆蟲最重要的生殖方式之一，大多數昆蟲在母親體外的生命起始于卵[1]。在雌蟲產卵過程中，卵通過生殖腔引起的神經回路激發受精囊中精子的釋放[2]，而精子只有穿過卵殼進入卵內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構，是精子進入卵內的主要通道[4]。多數昆蟲的受精孔較小，肉眼及普通光學顯微鏡難以觀察，但隨著電子顯微鏡技術的發展及應用，人們對昆蟲受精孔的認識逐步加深[5]。近年來，國內外學者在昆蟲受精孔區的形態觀察及受精孔數目變化等方面進行了一系列研究。現就國內外有關昆蟲受精孔的研究進行總結，并基于目前的研究內容，對未來的研究方向進行展望。

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小開口及延伸穿過絨膜至卵黃膜的管狀結構，是精子進入卵內的重要通道[3-4]。此外，多個受精孔管能將進入卵內的精子進行疏散，使其由多個方向競爭地游向卵核，以利提高受精品質[6]。在許多昆蟲中，受精孔周圍還具有一些特殊的結構[7]，這些特殊結構通過不同形式協助精子進入受精孔[8]。因此，受精孔在昆蟲卵的受精過程中發揮著十分重要的作用[9]。

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

BC.邊界細胞 Border cells；NC.滋養細胞 Nurse cells；FC.濾泡細胞 Follicle cells；PC.極細胞 Polar cells；OO.卵母細胞 Oocyte

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

受精孔(區)在卵殼表面的分布位置、形態特征及受精孔數目在不同昆蟲間及某些種類的不同個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)的形態特征及受精孔數目。

1.1 受精孔(區)的分布位置

不同昆蟲的受精孔區在卵殼上的分布位置存在較大差別。在雙翅目、鱗翅目、少數脈翅目及鞘翅目的昆蟲中，受精孔區位于卵的前端一極(遠離產卵部位的一端)[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域(靠近產卵部位的一端)；此外，少數種類如瓢蟲Platynaspisluteorubra和蟻蛉Euroleonnostras(Fourcroy)，卵的兩端均存在受精孔[3, 17]。

1.2 受精孔(區)的形態

受精孔(受精孔區)的形態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構[18]，而鱗翅目昆蟲的受精孔則位于卵殼表面形成的凹陷區域[19-22]；部分昆蟲的受精孔呈現出特殊的外部形態，如波結毛瓢蟲Scymnussinuanodulus的卵殼上有4～11個杯狀及13～20個半圓形的受精孔結構[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個受精孔呈三角狀位于卵殼表面凸起的卵蓋上[25]。少數昆蟲的受精孔直接開口于卵殼表面，無明顯外部形態[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構[26]，家蠅Muscadomestica的卵殼上也具類似的結構[27]。

鱗翅目昆蟲受精孔周圍還具特殊的花飾結構，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在不同種類間均存在較大差異。棉鈴蟲Helicoverpaarmigera卵的受精孔區花飾分為兩圈，內圈一般由13～14個菊花瓣狀花飾小葉圍成，而外圈每個花飾小葉的形狀不規則，但其邊緣線條皆呈嵴紋狀[29]；馬尾松毛蟲Dendrolimuspunctatus的受精孔區花飾有6圈，其中最內一圈由6個花飾小葉組成，各圈花飾小葉多呈六邊形[30]；柞蠶Antheraeapernyi的受精孔區有5～6圈花飾，其中最內層花飾有12～14個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則六邊形；桃小食心蟲Caoposinasasakii[31]卵的受精孔區花飾有特化結構，最內一圈為8～9個橢圓形且邊緣突起的花飾小葉，同時還有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卵的受精孔區只有一圈蓮座型花飾，花飾小葉為8～15個[20]。

1.3 受精孔數目

不同昆蟲的受精孔數目也存在較大差異[33]。大多數雙翅目昆蟲僅有1個受精孔，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受精孔，如二星瓢蟲Adaliabipunctata的卵表面具兩圈共計40～50個受精孔，異色瓢蟲Harmoniaaxyridis卵的頂部環狀排列約20個受精孔[9]，煙草甲Lasiodermaserricorne有9個受精孔[35]。等翅目昆蟲黃胸散白蟻Reticulitermessperatus的受精孔為0～33個不等(平均值為9.48)[24]。鱗翅目昆蟲的受精孔數目在不同種類間變化較大，如家蠶卵殼外部只呈現1個受精孔開口[4,20]；煙草粉斑螟Ephestiaelutella也只有1個受精孔，但臍橙螟Amyeloistransitella有5個受精孔[19]；同時研究表明，鱗翅目的部分種類的內部受精孔道形成多個分支到達絨毛膜，如家蠶有3～5受精孔道，鉤翅大蠶蛾Antheraeaassamensis有8個受精孔道[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 不同昆蟲卵孔區的典型形態
Table 1 Typical morphology of micropyle region of different insects

(續表1 Continued table 1)

1.4 受精孔(區)特征在分類中的應用

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

2 昆蟲受精孔數目的變化及其進化功能

2.1 種間差異及與生殖方式進化的關系

在長期進化中，昆蟲不同種類間受精孔數量的變化可能是形成不同生殖方式的基礎，總體來說體現在以下3個方面：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]，增加受精孔數目能夠增加單次接收精子的數量從而降低因精子缺乏造成卵不育的風險[42]；而對一些交配頻繁的種類來說，減少受精孔數目能夠降低病理性多精入卵的風險[42]；此外，在一些存在嚴重雜交的種類中，受精孔數目增加能夠增大雌蟲在交配后對精子進行選擇性受精的概率[42]。Iossa等[42]通過研究鱗翅目14科51種昆蟲受精孔數目與交配次數的關系，發現鱗翅目昆蟲受精孔數目的變化與雌蟲交配后的受精選擇密切相關，證實受精孔數目變化在鱗翅目昆蟲中的進化功能。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。

2.2 種內變化及與生殖調控的關系

昆蟲的受精孔數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，如麥氏曲頰猛蟻Gnamptogenysmenadensis工蟻[43]及黑胸散白蟻Reticulitermeschinensis蟻后，雌蟲不交配所產營養卵往往缺乏受精孔，而交配后的雌蟲所產生殖卵則具有受精孔[44]。一些昆蟲能同時產生殖卵與營養卵，研究發現部分種類的生殖卵具有受精孔而營養卵則缺乏類似的結構，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代受精孔數目(7～10個)與天蠶相似，而略少于柞蠶(8～12個)[48]；當蟻王存在時，黃胸散白蟻Reticulitermessperatus蟻后所產卵的受精孔消失而轉向無性生殖[24]。

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

3 研究展望

受精孔是精子進入卵內的主要通道，在昆蟲有性生殖過程中發揮著至關重要的作用。目前的研究大多集中于形態學觀察，而進一步探究受精孔數目變化的影響因素、變化規律及調控機理將對深入了解昆蟲的生殖機理及開發害蟲防控新技術等提供重要的理論基礎。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理在大多數昆蟲中尚不清楚

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

3.2 在受精過程中，精子定向進入受精孔的機理尚不明確

在昆蟲卵的受精過程中，當精子到達卵表面一定距離時，精子定向朝受精孔運動，表明受精孔區存在某些特殊物質能夠吸引精子的進入[54]。探明這些物質的具體種類及其作用機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，昆蟲的受精孔數目會發生改變，但引起受精孔形態及數量改變的機理尚未見報道

在體內受精的動物中，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方面來影響生殖[55]，最直觀的表現就是刺激卵的發育速率及數量(如促進卵黃原蛋白的攝取及濾泡細胞的活動)，并能調控產卵過程[56-58]。因此雄性附腺分泌物可能發揮著重要的作用，但參與介導的具體物質僅有零星報道[41]，未來可以從一些關鍵物質入手探究相關調控機理。

3.4 改變或調節受精孔數目將成為害蟲綠色防控的一項新技術

RNAi介導的作物保護是一種具有廣泛應用前景的害蟲防治方法[59]，通過此方法干擾有關基因從而影響害蟲受精孔的形成，將快速壓低其種群數量，減少經濟損失。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目可以增強殺蟲劑的防治效率，從而減少殺蟲劑用量。但增加受精孔數目可能會提高受精率，因此如何合理調控受精孔數量，或準確把握調控時期是實際防治工作中的關鍵問題。