家蚕的变态发育过程及其激素调控

李琼艳

摘要 家蚕是鳞翅目昆虫的模式生物，是一种完全变态昆虫，一个生活世代要经历卵、幼虫、蛹、成虫4个显著不同的发育阶段。在变态过程中家蚕的外部形态、内部结构、生活方式及生理机能等诸多方面都要发生改变。该文综述了家蚕的变态发育过程及在变态发育中的激素调控，以期为阐述家蚕变态发育过程和调控方式以及对鳞翅目害虫的防治提供参考。

关键词 家蚕；变态；调控；促前胸腺激素；蜕皮激素；保幼激

中图分类号 S882.4 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2015）18-0271-02

Metamorphosis Development Process and Hormone Regulation in the Silkworm，Bombyx mori

LI Qiong-yan

（Institute of Sericulture and Apiculture，Yunnan Academy of Agricultural Sciences，Mengzi Yunnan 661101）

Abstract Silkworm，Bombyx mori is the model organism of lepidopteran insects，which is a complete metamorphosis insect and its life has four developmental stages：egg，larva，pupa，and adult.The external morphology，internal structure，life style and physiological function of Silkworm，Bombyx mori are completely changed in the process of metamorphosis.This paper summarized the process of metamorphosis and the hormonal regulation during metamorphosis in Silkworm，Bombyx mori，in order to provide a reference for illuminating the metamorphosis process and the regulation mode of Silkworm Bombyx mori and controlling the lepidopteran pests.

Key words Silkworm，Bombyx mori；metamorphosis；regulation；prothoracotropic hormone；ecdysteroid；juvenile hormone

许多昆虫的胚后发育过程，即从卵孵化开始到成虫性成熟为止，其外部形态、内部器官和生活习性等方面都发生一系列的变化，从而形成几个不同的发育阶段或虫态，这种变化称作变态（metamorphosis）。昆虫变态反应分为完全变态和不完全变态。不完全变态经过卵、若虫和成虫3个时期，完全变态经过卵、幼虫、蛹、成虫4个阶段，各阶段形态完全不同[1]。家蚕作为完全变态昆虫的代表，全生育期要经历4个发育阶段，幼虫期要经历4次生长蜕皮，幼虫化蛹及蚕蛹羽化过程中还要发生2次变态脱皮。在家蚕的发育及变态过程中受到环境和神经内分泌激素等因素的协调调控。变态发育是许多昆虫的一个共同特征，而家蚕是一种重要的经济昆虫，是鳞翅目昆虫的模式生物。该文综述了家蚕的变态发育过程及在变态发育中的激素调控，以期能为家蚕变态发育分子调控机理的阐明以及家蚕发育的调节和害虫的生物防治提供重要线索。

1 家蚕变态发育

家蚕生活史从生理学角度可分为营养生理时期和生殖生理时期。幼虫期为成虫期摄取营养物质，储备能量，属于营养生理时期；成虫期则主要是为了交尾和产卵，繁衍后代，属于生殖生理时期。家蚕从幼虫向成虫变态发育过程中身体结构发生了根本性的变化，幼虫的口器、消化系统等大部分组织、器官的细胞形态发生改变或消亡，进入组织溶解过程。成虫器官或从改造利用幼虫器官而来，或从成虫原基发育生成。变态期家蚕各组织器官的形态变化分为5种类型：一是无变态型。组织并不崩坏，只是细胞水平上发生改变，如马氏管、神经系统等；二是退化消失型。组织崩坏或消失，如丝腺[2]、唾腺、小肠、结肠等；三是蜕皮型。在化蛹和化蛾蜕皮时更新，如体壁、气管等；四是重组型。幼虫系统细胞崩坏，由成虫系统细胞分化而成，如中肠[3]、脂肪体、肌肉等；五是分化发育性。由成虫原基分化发育而成，如生殖腺、翅[4]、复眼等。

组织解离分为细胞程序性死亡和细胞再构建2种形式。细胞开始解离的时间，根据细胞自身发育状态而定，而激素尤其是蜕皮激素是组织解离的直接动因。细胞程序性死亡过程中首先细胞自溶，变小，被其他细胞吞噬、降解、消化，这一过程引起整个组织器官的解离，降解产物被释放到血液当中[5]。细胞再构建也发生细胞自溶，但只限定在细胞内，细胞核不被分解。细胞再构建过程中哪些细胞器被降解，哪些细胞器留下的细胞器识别机制还不清楚。在蛹期脂肪体细胞中存积着大量的糖原、蛋白质和脂质，只有少量的线粒体、内质网、高尔基体和过氧化酶体。在得到成虫分化信号时，这些细胞器重新分化成各种细胞器，但这些细胞器和幼虫时期的细胞器在形态上有所区别。

家蚕成虫的复眼、胸足、翅和生殖器等器官在幼虫期无法看到，这些是从成虫原基发育过来的。在胚胎发育初期成虫原基的分化就已经发生，但只进行有丝分裂，不发生组织分化和机能分化，细胞数目在幼虫期成对数增长。当受到变态发育信号刺激时，不同原基细胞采取不同方式进行组织分化。在化蛹的时候，不同的成虫原基配置到相应的位置，随成虫发育过程，原基细胞不断增殖分化，发育成不同的成虫组织。endprint

2 家蚕变态发育的激素调控

家蚕生长蜕皮及化蛹、化蛾变态蜕皮行为是家蚕生活史当中个体生长发育到一定程度质的飞跃。家蚕中枢神经系统感受外部环境和家蚕自身信息，通过神经内分泌系统控制家蚕生长变态过程。家蚕蜕皮和变态过程是受脑、咽侧体和前胸腺3个内分泌器官分泌的激素调节控制的。脑部神经分泌细胞分泌促前胸腺激素（prothoracotropic hormone，PTTH）激活前胸腺，激活前胸腺分泌蜕皮激素（ecdysteroid，Ecds），从而诱导家蚕发生蜕皮。当血液中保幼激素（juvenile hormone，JH）充足的情况下，前胸腺分泌蜕皮激素诱导家蚕生长蜕皮；当血液中保幼激素缺乏时，前胸腺分泌的蜕皮激素诱导家蚕变态蜕皮，也就是化蛹和化蛾蜕皮。需要指出的是其他器官活性会调节内分泌器官分泌活性，某些激素浓度的变化会影响其他激素浓度的变化，我们不可能用单一内分泌器官或单一激素的变化来解释变态发育过程。

2.1 脑分泌的促前胸腺激素调控

PTTH由脑部的神经分泌细胞产生，激活前胸腺分泌蜕皮酮的神经肽类激素，首次发现时被称为脑激素。PTTH在脑神经细胞中合成后，然后被转移到心侧体中储存，在一定的发育阶段释放到血腔中，刺激前胸腺分泌蜕皮激素。在家蚕脑的侧方神经分泌细胞群中有1个大型细胞，此细胞分泌的PTTH经过脑—心侧体—咽侧体神经索运输到咽侧体储存，再由咽侧体释放到血液中[6]。PTTH基因不仅在脑部表达，咽下神经节、胸神经节及非神经组织如中肠也有表达，但表达量比脑中明显低[7]。PTTH生理作用需经受体介导的信号转导以完成，这个受体在果蝇当中被证明是受体酪氨酸激酶，一个7次跨膜的G蛋白偶联受体（GCPR）[8]。PTTH能改变细胞的Ca2+和cAMP浓度，也影响了细胞内MAPK的活性。PTTH首先促进细胞内Ca2+增加，然后激活在Ca2+和GCPR参与下的腺苷酸环化酶（AC）的活性，促进前胸腺胞内cAMP合成，导致依赖cAMP的蛋白激酶活化，再磷酸化核糖体蛋白和其他相关蛋白，这些磷酸化的蛋白参与和调节蛋白质的合成。磷酸化的蛋白再促进一些调节蜕皮激素合成的蛋白质和酶的合成，最终促进蜕皮激素的合成和分泌。PTTH促进蜕皮激素的合成和释放是在Ca2+、钙调蛋白（CaM）、GCPR和AC等共同参与下的复杂动态过程[9]。PTTH分泌活动受环境、营养状态和其他激素的调节。

2.2 前胸腺分泌的蜕皮激素调控

20世纪60年代，生物学重大发现之一是激素调节遗传物质的活动，这是首先由研究昆虫蜕皮激素而取得的突破。蜕皮激素是启动昆虫变态发育的起始信号，是由昆虫前胸腺合成分泌的[10]。在家蚕胚胎期，前胸腺是由第二颚节腹侧的外胚层表皮凹陷发育而成，最终定位于前胸部。在幼虫期，前胸腺位于前胸气门附近，前胸气管的内侧，前后端以纤维附着于附近组织上。前胸腺内几十个细胞密集成长带状，下端由分支或松散的细胞组成，在蜕皮期间有周期性分泌活动。蜕皮激素是以胆固醇作为起始单元逐步合成的。但昆虫本身并不能合成胆固醇，而是直接或间接地从植物中得到。胆固醇经一系列中间步骤在前胸腺中合成α-蜕皮激素，然后再合成β-蜕皮激素[11]。由于β-蜕皮激素的活性比α-蜕皮激素高很多，所以多数人认为β-蜕皮激素是主要调节昆虫蜕皮的激素。在家蚕胚胎期，Ecds与胚胎的发育和滞育有一定关系[12]。在家蚕幼虫期蜕皮期，气门老化脱落是发生蜕皮最早可见信号，在信号刚出现到气门完全脱落，Ecds呈现升高再降低的趋势[13]。在家蚕化蛹变态阶段，Ecds呈现逐日增高的变化，化蛹前出现一个蜕皮激素滴度高峰[14]。Ecds还可以引发家蚕上簇后丝腺细胞程序性凋亡[15]，在蛹期翅发育时促使细胞凋亡和细胞分化[16]。由此可以推测在家蚕蜕皮和化蛹或化蛾期都会出现一个蜕皮激素高峰期，Ecds是在脑分泌的促前胸腺激素剌激前胸腺而分泌的，它可以引发蜕皮，蜕皮激素的变化直接参与了调控家蚕的变态发育过程。

2.3 咽侧体分泌的保幼激素调控

家蚕的JH是家由蚕咽侧体所分泌的一种保持家蚕幼虫状态的一种激素。在幼虫期，能抑制成虫特征的出现，能使幼虫蜕皮但仍维持幼虫状态；在成虫期，有控制性的发育、产生性引诱、促进卵子和精子成熟等作用。家蚕幼虫期是家蚕各个发育阶段最长的一个时期，幼虫期主要是摄取营养物质，储存能量的阶段。保幼激素对维持家蚕幼虫形态起着重要作用，摘去家蚕幼虫咽侧体后会减少几个龄期，3龄或4龄家蚕幼虫摘去咽侧体后，可以发育成小型的蛹，并羽化为蚕蛾，说明当幼虫体内不存在咽侧体（即没有保幼激素起作用）时，就不能保持幼虫状态而呈现出成虫的性状。咽侧体分泌的JH的活动受脑发出的神经信号调节，同时咽侧体也受JH正负反馈作用调节。在家蚕幼虫期，蜕皮前JH降到最低，蜕皮后JH会出现一个峰值[17]。家蚕幼虫分5个龄期，有4个眠期，生长和休眠是由JH和Ecds共同调节的，生长期JH保持较高量，Ecds保持较低量，促进幼虫生长；休眠期JH保持较低量，Ecds保持较高量，促进幼虫蜕皮。在鳞翅目烟草天蛾幼虫最后龄期，JH能够抑制脑分泌PTTH，也起调控幼虫向蛹的转化过程[18]。

3 家蚕变态发育研究存在的问题及研究意义

家蚕变态发育是在长期进化过程中适应自然环境的结果，正是由于这种变态发育的机制才使家蚕得以生存和发展。家蚕变态发育过程是一个自我更新的过程，包括旧组织消亡，新组织产生，随之发生的包括细胞增殖、凋亡、分化、迁移及组织重塑等活动。家蚕变态发育是研究鳞翅目昆虫生物进化和自然演变的一个重要材料，同时也是研究细胞、组织、个体产生和消亡分子机制的绝佳材料。虽然经过多年科学研究和生产实践对家蚕变态发育过程有所了解并积累了丰富知识，但由于家蚕变态发育是一个快速的动态过程，对其过程还知之甚少。想阐明家蚕变态发育过程还有一个很长的路要走，需要科学研究者不断去探索。随着科学的进步和技术的发展，对家蚕变态发育研究涉及的领域更广、更宽，研究会越来越深入，随之也会出现越来越多的新问题，但相信经过一代或几代人的努力，研究者们会逐步阐明家蚕的变态发育过程。endprint

家蚕变态发育主要是由激素调控的。在家蚕体内，脑分泌促前胸腺激素、前胸腺分泌蜕皮激素、咽侧体分泌保幼激素组成一个激素调节系统，其中促前胸腺激素起主导作用。脑在接到内外环境中的刺激信号后分泌适量的促前胸腺激素，促进前胸腺活动分泌蜕皮激素，促前胸腺激素又促进咽侧体活动分泌保幼激素，在蜕皮激素和保幼激素的共同作用下，家蚕得以正常的蜕皮，蜕皮后仍保持幼虫性状。因此，家蚕各龄期的蜕皮过程都是由保幼激素和蜕皮激素共同调节的。到了家蚕末龄，由于某些原因，保幼激素量相对减少，蜕皮激素量相对增多，家蚕蜕皮后就化蛹，这就是家蚕变态过程中激素调节的主要过程。在家蚕体内并不只前胸腺合成（下转第280页）

（上接第272页）

蜕皮激素，卵巢也可以合成蜕皮激素并转移到卵中，虽然卵巢蜕皮激素机能还不明确，但这一结论否定了激素和分泌器官具有严格的一一对应关系，激素并非由特定的单一组织分泌。虽然已经基本了解各种激素在家蚕变态发育中的作用及变化规律，但是各种激素何时分泌和消失以及产生量的内外因又是什么以及各种激素是如何调控的，这些还了解很少，这些可能比家蚕变态过程本身更复杂，需要付出更多努力去探索。家蚕变态发育主要受激素调控[19]，但还受基因[20]、microRNA[21]、营养等因素调控，这些调控影响因素更多，研究更复杂。

家蚕是农业生产当中一种重要的经济昆虫，其主要的经济性状是结茧吐丝，蚕丝量的多少直接影响经济收入。通过人为调控保幼激素和蜕皮激素的量，可以改变家蚕的发育周期，延长幼虫生长期和丝腺发育，增加丝蛋白合成量，相应就会增加丝产量。在农业生产中，农药的实施不但污染环境，破坏生态系统，而且农药残留也危害人类健康。大部分农业害虫为鳞翅目昆虫，家蚕是鳞翅目昆虫的模式昆虫，对其变态发育的研究积累了相关的基础理论，因此研究家蚕变态发育及其调控规律对研究鳞翅目害虫及其生物防治也具有重要参考价值。激素是调控生长和变态的主要因素，据此可用激素以及可用作基因靶标的调节昆虫生长发育的基因开发生物农药，来扰乱有害昆虫的生长和变态，或是通过转基因技术来控制害虫的发育。避免害虫过多地侵食植物，减少害虫后代的产生。另外，激素类生物防治也有其弊端，生物激素不具有专一性，减少有害昆虫的同时一些有益昆虫发育周期也被改变，因此生物农药的开发和应用还需要更多科学研究改进和优化。

4 参考文献

[1] 曾保娟，冯启理.昆虫的变态发育研究[J].应用昆虫学报，2014，51（2）：317-328.

[2] GONCU E，PARLAK O.Some autophagic and apoptotic features of programmed cell death in the anterior silk glands of the silkworm，Bombyx mori[J].Autophagy，2008，4（8）：1069-1072.

[3] 黄志君.家蚕变态期中肠组织退化与二次发育的研究[D].广州：华南农业大学，2006.

[4] 刘学术.家蚕翅原基细胞凋亡和细胞自噬的分析[D]. 广州：华南师范大学，2014.

[5] JACOBSON M D，WEIL M，RAFF M C，et al.Programmed Cell Death in Animal Development[J].Cell，1997，88（11）：347–354.

[6] ISHIZAKI H，SUZUKI A.The brain secretory peptides that control moulting and metamorphosis of the silkmoth，Bombyx mori[J].The International journal of developmental biology，1994，38（2）：301-310.

[7] ADACHI-YAMADA T，IWAMI M，KATAOKA H，et al.Structure and expression of the gene for the prothoracicotropic hormone of the silkmoth Bombyx mori[J].European journal of biochemistry，1994，220（2）：633-643.

[8] REWITZ K F，YAMANAKA N，GILBERT L I，et al.The insect neuropeptide PTTH activates receptor tyrosine kinase torso to initiate metamorphosis[J].Science，2009，326：1403-1405.

[9] GILBERT L I，TATA J R，ATKINSON B G.Metamorphosis：postembryonic reprogramming of gene expression in amphibian and insect cells[M].Academic Press，1996.

[10] WOODARD C T，BAEHRECKE E H，THUMMEL C S.A molecular mechanism for the stage specificity of the Drosophila prepupal genetic response to ecdysone[J].Cell，1994，79（4）：607-615.

[11] CAI M J，DONG D J，WANG Y，et al.G-protein-coupled receptor parti-cipates in 20-hydroxyecdysone signaling on the plasma membrane[J].Cell Communication &Signaling，2014，12：243.endprint

[12] SONOBE H，YAMADA R.Ecdysteroids during early embryonic develo-pment in silkworm Bombyx mori：metabolism and functions[J].Zoolog Sci，2004，21：503-516.

[13] KIGUCHI K，AGUI N.Ecdysteroid levels and developmental events during larval moulting in the silkworm，Bombyx mori[J].Journal of Insect Physiology，1981，27（11）：805-812.

[14] SAKURAI S M，SATAKE S I.Hemolymph ecdysteroid titer and ecdyste-roid-dependent developmental events in the last-larval stadium of the silkworm，Bombyx mori：role of low ecdysteroid titer in larval-pupal metamorphosis and a reappraisal of the head critical period[J].Journal of Insect Physiology，1998，44（10）：867-881.

[15] TERASHIMA J，YASUHARA N，IWAMI M，et al.Programmed cell death triggered by insect steroid hormone，20-hydroxyecdysone，in the anterior silk gland of the silkworm，Bombyx mori[J].Development Genes & Evolution，2000，210（11）：545-558.

[16] FUJIWARA H，OGAI S.Ecdysteroid-induced programmed cell death and cell proliferation during pupal wing development of the silkworm，Bombyx mori[J].Development Genes & Evolution，2001，211（3）：118-123.

[17] KENJIRO F，AKIO I，MIKA M，et al.Takahiro，S.Determination by LC-MS of Juvenile Hormone Titers in Hemolymph of the Silkworm，Bombyx mori[J].Bioscience Biotechnology & Biochemistry，2013，77（5）：988-991.

[18] NIJHOUT H F，WILLIAMS C M.Control of moulting and metamorphosis in the tobacco hornworm，Manduca sexta（L.）：cessation of juvenile hormone secretion as a trigger for pupation[J].Journal of Experimental Biology，1974，61：493-501.

[19] 顾世红.家蚕蜕皮与变态的内分泌调控[J].应用昆虫学报，2000（4）：70-74.

[20] 石小峰.家蚕部分变态发育过程中基因表达变化规律的分析[D].北京：中国农业大学，2014.

[21] 蒋剑豪.家蚕变态发育关键基因的miRNA调控机理研究[D].上海：中国科学院上海生命科学研究院，2013.endprint