昆虫成虫滞育的研究进展

孟 佳，王竹红，黄 建

(福建农林大学植物保护学院，福建福州350002)

近年来有关昆虫成虫滞育的研究明显增多，成为昆虫滞育研究的热点之一，研究的昆虫种类涉及到膜翅目、鳞翅目、同翅目和直翅目等，其中以半翅目和鞘翅目昆虫种类为多。研究范围从滞育环境生理和内分泌生理深入到滞育的分子机制(王洪亮，2007)。我国学者主要对三带喙库蚊Culex tritaeniorhynchus(董言德等，1998)、七星瓢虫Coccinella septempunctaca Linnaeus(王伟等，2011)、稻水象甲Lissorhoptrus oryzophilus Kusch(季相华，2008)和中华通草蛉Chrysoperla sinica(Tjeder)(许永玉，2001)等成虫的滞育进行了研究报道。化学物质作为昆虫机体的基本构造成分和新陈代谢的基质及能源物质，其含量变化过程是渐变的，以此为标准所得出的滞育发生、维持、解除则也是一个由量变到质变的过程(高玉红等，2006)。

1 昆虫成虫滞育的特点

昆虫成虫滞育是一种生殖滞育，更具体地说是对卵黄原蛋白的抑制。成虫滞育存在较大的性别差异，有些仅发生在雌虫滞育，如在以成虫越冬的蚊子和小花蝽中，其雄虫在雌虫还未进入滞育状态时，就使雌虫受精，然后雄虫死去，不进入滞育状态(王方海等，1998)。

昆虫成虫滞育在不同的物种间表现出高度的可变性。滞育通常是一种全或无的反应，可某些种类却能保留在一种稳定的中间状态(许永玉，2002)，在红斑翅蝗Oedipoda miniata的雄虫中，性活动和副腺发育从完全抑制状态到具有充分的生殖能力之间均有发生，并且任一种稳定的中间水平可通过适当的昼长处理来达到(Pener and Orshan，1980);在注定滞育的马铃薯叶甲中，飞翔肌明显退化;可有些种类，滞育时常常伴随着迁飞行为，其飞翔肌则发育的很好;虽然成虫滞育多数在成虫羽化后就立即开始，但某些种类羽化后先产卵繁殖一段时间，随后才进入滞育状态，并且个别种类还可以重复进入和解除滞育状态(薛芳森等，2002)。

多数成虫滞育期间代谢活动会降低，如马铃薯叶甲的成虫进入滞育时，它停止取食，变成正趋地性，潜到地里，飞翔肌退化，性活动停止，卵不能成熟，脂类和糖原水平提高，代谢速度明显下降(De Kort et al．，1981)。

2 昆虫成虫滞育的生理生化变化

进入滞育状态的昆虫，其外部特征主要表现为不取食，不活动，生长发育停滞，对外界条件反应迟钝，耐寒、耐热等。产生这些现象的原因是由于外部环境条件的变化诱导昆虫生理生化发生了一系列显著变化的结果。滞育期间，昆虫体内产生一系列的生理生化变化，许多研究涉及了这个领域，成为目前关注的热点之一。

2．1 能量代谢的降低与滞育

昆虫滞育后，其代谢活动也随之逐渐降低至一个很低的水平，且维持至滞育结束。因此，在滞育过程中，几乎所有昆虫的耗氧量呈U型曲线变化。呼吸代谢随滞育时间延长而逐步降低是一种节能的生理表现形式。因为长时间滞育面临的关键问题是如何减少能量消耗，从而保证滞育后个体的正常发育。如果能量消耗殆尽，丧失生殖力，则达不到长期滞育种群的生物学目的。

不同种类的滞育昆虫物质代谢的速率及方式各有特点。环喙库蚊和按蚊脂肪酸的相对含量在滞育期发生变化(Hayadawa and Chino，1982)。马铃薯叶甲滞育个体的耗氧量和二氧化碳释放量均比非滞育个体减少3．5-5倍;欧洲玉米螟幼虫在滞育期间，耗氧量仅为活动期的1/12(南京农学院，1985)。

2．2 代谢物质的积累与滞育

在前滞育期，许多昆虫经历一个迅速取食或延长取食时间的阶段，这些取食不是全部用于昆虫的生长与发育，而是通过不同的代谢途径将部分能量储存起来，用于昆虫滞育期及后滞育期的发育。如在成虫前滞育期，卵巢发育和卵黄形成均受到抑制，昆虫机体开始积累储存脂类、蛋白质以及其它的碳水化合物。这种能量积累过程可能包括机体一些组织的损坏，翅肌肉、卵巢、睾丸、卵均被吸收，脂肪体和其它的储存组织则过度生长。血淋巴也积累大量的蛋白质、脂类以及碳水化合物(Schaefer and Washino，1969)。

2．2．1 碳水化合物 糖类即碳水化合物(carbohydrates)，是一类多羟醛或酮及其衍生物，既存在于昆虫细胞中，也存在于血淋巴和结缔组织中，以游离状态或与嘌呤、嘧啶、蛋白质和脂类等结合存在，是昆虫新陈代谢过程中重要的能源物质。昆虫碳水化合物可分为单糖、寡糖、多糖及其衍生物(刘惠霞等，1998)。

近年来国内学者的研究表明，淡色库蚊在郑州地区越冬过程中，血淋巴中的总碳水化合物、糖原及糖的含量均表现为9-2月份的下降趋势，3月份则显著升高。这种糖代谢的规律性变化对于淡色库蚊成功渡过冬季尤为重要。三带喙库蚊各阶段体内糖含量气相色谱分析表明:长光照处理的蚊体内核糖、岩藻糖及木糖含量高于短光照条件处理(苏天运，1992)。

根据昆虫滞育期间糖醇类物质积累的不同，Hayakwa等(1982)提出滞育昆虫可至少分为两种类型:一类为糖原积累型(glycogen accumulation)，另一类为海藻糖积累型(trehalose accumulation)，如枯叶蛱蝶为海藻糖积累型，非滞育成虫体内海藻糖和糖原含量均较低，越冬成虫含量相对较高。海藻糖和糖原代谢与气温和滞育发育阶段有关，越冬初期存在海藻糖和糖原积累，期间两者间存在相互转化(易传辉等，2009b)。多数昆虫滞育诱导期积累糖原，而在滞育解除时转化为糖类和醇类，如中华通草蛉滞育解除过程中糖原含量则呈下降趋势(陈珍珍等，2013)。

2．2．2 脂肪及脂肪酸 胚后阶段滞育的昆虫以脂类作为能量储存，如非滞育枯叶蛱蝶成虫脂肪含量在0．00363-4．7493 mg/g之间;越冬期间脂肪含量在4．479-32．6927 mg/g之间。越冬成虫脂肪含量相对较高，初期存在积累，较高的脂肪含量有利于枯叶蛱蝶的顺利越冬(易传辉等，2009c)。

在脂类积累的同时，脂肪体细胞也会产生一些超微结构的变化。淡色库蚊越冬前期(9月)脂肪酸蓄积度为I度，脂肪体多呈现分散状，脂滴较少;越冬期(10-1月)脂肪蓄积度为Ⅳ度，脂肪体多呈现块状，脂滴较多;越冬后期(2-3月)的情况与越冬前期接近。跗斑库蚊Culex tarsalis和费氏按蚊Anopheles freeborni越冬过程中的脂肪蓄积和消耗过程与淡色库蚊相似，75%-78%的脂类为甘油三酯，暗示了甘油三酯可以做为成蚊越冬过程中的主要能量物质(Schaefer and Miura，1972)。但是在滞育过程中储存物质的消耗程度取决于滞育代谢的强度。

滞育与非滞育昆虫的脂肪酸组成存在差异，这种现象普遍存在于被研究的昆虫种类中，如非滞育的一种阿根廷茎象Hyperode bonariensis 43%的脂肪酸为不饱和脂肪酸，而生殖滞育者则为63%。但是经低温处理的蚊虫比高温(30℃)条件下含更多的不饱和脂肪酸。低温和短光照处理者，棕榈油酸(palmitolei-cacid)和油酸(oleio acid)含量分别为43%和26%，而长光照加低温处理组含量则分别为31%和20%。处于极端温度下的昆虫，其体内脂肪的饱和程度将会受到影响(Harwood and Takata，1965)。

2．2．3 蛋白质和氨基酸 在昆虫体内存在一些滞育期间合成的，但在滞育结束后被利用和消失了的一类蛋白。因这类蛋白与滞育有关，所以被称为滞育关联蛋白(diapause-associated proteins，DAP)。很显然，滞育关联蛋白对昆虫滞育状态的维持非常重要。De Loof和De Wilde(1970)曾报告了科罗拉多马铃薯叶甲Leptinotarsa decemlineate成虫血淋巴中滞育蛋白的存在。

有人认为，滞育期间增加的血淋巴游离氨基酸(free aminoacids，FAAs)是滞育后发育合成蛋白质所必需。淡色库蚊在越冬过程中血淋巴变化不大，可测出血淋巴中18-19种FAAs的总浓度在越冬前期、越冬期和越冬后期分别为59．96，56．61和98．24 nmol/ul。越冬期与越冬前期相比，除胱氨酸和脯氨酸显著升高外，其它各种FAAs及总FAAs均显著下降;越冬后期与越冬期相比，各FAAs及总FAAs均显著升高，其中天门冬氨酸、谷氨酸、丙氨酸、胱氨酸、脯氨酸及总FAAs甚至超过了越冬前期的水平(仵均祥，2002)。

2．2．4 核酸含量 薛瑞德和陆宝麟(1991)认为，短光照可以降低三带喙库蚊发育期间的核酸合成作用。10-15月龄的滞育蚊体内DNA含量比发育蚊低，解滞蚊体内RNA与DNA含量比发育蚊为高。新蚊、发育蚊、滞育蚊与非滞育蚊体内DNA、RNA含量不同。七星瓢虫成虫脂肪体核酸代谢与生殖滞育的关系研究表明，繁殖期雌虫卵巢发育I、Ⅱ级时，RNA/DNA分别为2．47和4．50，发育到Ⅲ级时，RNA/DNA 为8．44，达到高峰，Ⅳ级时降为3．60，产卵后显著下降到1．76，认为RNA/DNA的比值可做为卵黄蛋白合成的一项指标(关雪辰和陈娥英，1982)。成虫羽化后以短光照诱导成虫滞育，滞育期RNA/DNA及脂肪体蛋白质含量比预滞育期要低，滞育结束后则迅速上升，并且高于预滞育期(薛瑞德和陆宝麟，1991)。因此，脂肪体中核酸及蛋白质含量的高低可认为是滞育发生与解除的信号。

2．2．5 其它生理生化的变化 目前昆虫成虫滞育期间酶的变化研究很少，但像其他虫态一样，滞育期间酶的活性会产生相应的变化，而且酶的变化有很大差别，如异色瓢虫滞育期间两种细胞保护酶超氧化物歧化酶(SOD)与过氧化氢酶(CAT)活性升高，但与新陈代谢有关的乳酸脱氢酶(LDH)及Na+，K+-ATP酶活性却降低(赵静等，2010)。

3 环境影响成虫滞育的生理生化特性

3．1 耐旱性和耐高温性与滞育

对昆虫耐旱性和耐热性与滞育关系的研究还较缺乏。昆虫通常通过行为上(如挖洞或寻找隐蔽的地点等)、生理上(如覆盖蜡层分泌的增加、降低含水量、脂肪含量升高、间歇打开气门等)、以及形态上的改变来调节机体对干旱和高温的忍耐度。

3．2 抗寒性与滞育

受季节变化的影响，大多数昆虫在生长发育过程中都要受到冬季低温的制约。与此同时，昆虫在长期进化过程中也形成了一系列的适应对策和抗寒机制(陈豪等，2010)。为了避免在滞育期间极端低温对机体的损伤，昆虫从滞育开始便在体内进行了抗寒性的代谢调整。有研究表明，较低的水份含量有利于枯叶蛱蝶成虫保持较高的体液浓度，从而降低冰点和过冷却点，提高抗寒能力，对滞育成虫的顺利越冬有利。枯草蛱蝶的非滞育成虫体内水份含量在59．6363-67．5388之间;成虫羽化初期水份含量较高，后期含量下降;越冬成虫水份含量在54．9866-67．6164之间，变化幅度较大，水份含量可能与取食和不同发育阶段有关(易传辉等，2009a)。不同昆虫积累的物质种类和含量是不同的，但大多数昆虫都由几种抗寒物质构成一个物质系统。

昆虫抗寒性物质包括两类，即小分子的物质和抗冻蛋白(antifreeze proteins，AFPs)。目前已知的小分子抗寒性物质有甘油、山梨醇、甘露醇、五碳多元醇(可能是阿拉伯糖醇或核酸醇)、海藻糖、葡萄糖、果糖以及某些昆虫体内的氨基酸和脂肪酸。Duman对黄粉虫Tenebrio molitor Linnaeus等13种昆虫的研究表明，糖蛋白的增加与抗寒力的增强存在密切关系，因而糖蛋白也称为温滞蛋白，温滞蛋白通过吸附到冰核和冰晶表面来阻止水的晶化，从而降低冰点和过冷却点，产生温滞效应(Duman，1982)。Wu等在一种甲虫Dendroides canadensis体内成功分离纯化出4种抗冻蛋白，进一步研究发现，这些抗冻蛋白本身并不能引起虫体很高的抗冻性，而是通过吸附到刚形成的冰晶表面，阻止冰核的生长，以降低和稳定过冷却状态(Wu et al．，1991)。

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