昆虫受精孔形态及其功能研究进展

孙元星，郝亚楠，王森山，刘长仲

(甘肃农业大学 植物保护学院/甘肃省农作物病虫害生物防治工程实验室，兰州 730070)

两性卵生是昆虫最重要的生殖方式之一，大多数昆虫在母亲体外的生命起始于卵[1]。在雌虫产卵过程中，卵通过生殖腔引起的神经回路激发受精囊中精子的释放[2]，而精子只有穿过卵壳进入卵内才能完成雌雄配子的融合[3]。受精孔是卵壳上一类重要的特化结构，是精子进入卵内的主要通道[4]。多数昆虫的受精孔较小，肉眼及普通光学显微镜难以观察，但随着电子显微镜技术的发展及应用，人们对昆虫受精孔的认识逐步加深[5]。近年来，国内外学者在昆虫受精孔区的形态观察及受精孔数目变化等方面进行了一系列研究。现就国内外有关昆虫受精孔的研究进行总结，并基于目前的研究内容，对未来的研究方向进行展望。

1 昆虫受精孔简介

Micropyle(受精孔，又叫卵孔)，一词来源于希腊词mikros (small) pulé (gate)，意为小的孔道。受精孔是昆虫卵壳上的一个小开口及延伸穿过绒膜至卵黄膜的管状结构，是精子进入卵内的重要通道[3-4]。此外，多个受精孔管能将进入卵内的精子进行疏散，使其由多个方向竞争地游向卵核，以利提高受精品质[6]。在许多昆虫中，受精孔周围还具有一些特殊的结构[7]，这些特殊结构通过不同形式协助精子进入受精孔[8]。因此，受精孔在昆虫卵的受精过程中发挥着十分重要的作用[9]。

在昆虫卵子发生后期，卵巢中的滤泡细胞分泌卵壳蛋白凝聚固化形成卵壳，并形成一些复杂的附属结构，如受精孔[10]。一般认为受精孔至少由两类亚滤泡细胞形成：受精孔形成细胞(MFCs)，产生并分泌特定物质形成外部形态；受精孔孔道形成细胞(MCFCs)，形成向内延伸的孔道[3]。受精孔形成是一个复杂的生物学过程，其过程为：处于卵室后端区域的滤泡细胞在早期进行特异分化，其中约7～8个细胞形成边界细胞簇，边界细胞簇包裹极细胞穿过滋养细胞迁移至卵母细胞的后端，而后在一定的调控因子作用下发育形成受精孔孔道(图1)[11-12]。此外，包围卵的滤泡细胞内表压印卵壳后形成受精孔区的特殊花饰特征[6]。

BC.边界细胞 Border cells；NC.滋养细胞 Nurse cells；FC.滤泡细胞 Follicle cells；PC.极细胞 Polar cells；OO.卵母细胞 Oocyte

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

受精孔(区)在卵壳表面的分布位置、形态特征及受精孔数目在不同昆虫间及某些种类的不同个体间均存在较大差异。表1列举了一些代表性昆虫受精孔(区)的形态特征及受精孔数目。

1.1 受精孔(区)的分布位置

不同昆虫的受精孔区在卵壳上的分布位置存在较大差别。在双翅目、鳞翅目、少数脉翅目及鞘翅目的昆虫中，受精孔区位于卵的前端一极(远离产卵部位的一端)[3, 9, 13-14]；部分直翅目昆虫，如双斑蟋蟀Gryllusbimaculatus的受精孔位于卵壳的中腹部区域[15]；另有一些昆虫，如一种杏仁蜂Eurytomaamygdali[7]和二星瓢虫Adaliabipunctata[16]的受精孔位于卵的后部末端区域(靠近产卵部位的一端)；此外，少数种类如瓢虫Platynaspisluteorubra和蚁蛉Euroleonnostras(Fourcroy)，卵的两端均存在受精孔[3, 17]。

1.2 受精孔(区)的形态

受精孔(受精孔区)的形态在不同昆虫中也存在较大差异。一些双翅目昆虫的受精孔为卵壳表面形成的突起结构[18]，而鳞翅目昆虫的受精孔则位于卵壳表面形成的凹陷区域[19-22]；部分昆虫的受精孔呈现出特殊的外部形态，如波结毛瓢虫Scymnussinuanodulus的卵壳上有4～11个杯状及13～20个半圆形的受精孔结构[23]，黄胸散白蚁Reticulitermessperatus受精孔呈漏斗状且在卵的末端形成一条弧线[24]，而美国牧草盲蝽Lyguslineloaris的3个受精孔呈三角状位于卵壳表面凸起的卵盖上[25]。少数昆虫的受精孔直接开口于卵壳表面，无明显外部形态[16, 18]。此外，一些昆虫的受精孔还具有受精孔盖，如黄粪蝇Scathophagastercoraria的受精孔盖为透明的果冻状结构[26]，家蝇Muscadomestica的卵壳上也具类似的结构[27]。

鳞翅目昆虫受精孔周围还具特殊的花饰结构，花饰小叶辐射状排列朝向受精孔，具有聚拢精子的作用[28]，但花饰形状及花饰圈数在不同种类间均存在较大差异。棉铃虫Helicoverpaarmigera卵的受精孔区花饰分为两圈，内圈一般由13～14个菊花瓣状花饰小叶围成，而外圈每个花饰小叶的形状不规则，但其边缘线条皆呈嵴纹状[29]；马尾松毛虫Dendrolimuspunctatus的受精孔区花饰有6圈，其中最内一圈由6个花饰小叶组成，各圈花饰小叶多呈六边形[30]；柞蚕Antheraeapernyi的受精孔区有5～6圈花饰，其中最内层花饰有12～14个略呈倒披针形的花瓣小叶，而向外4～5圈的花饰小叶呈不规则六边形；桃小食心虫Caoposinasasakii[31]卵的受精孔区花饰有特化结构，最内一圈为8～9个椭圆形且边缘突起的花饰小叶，同时还有2～3圈向外呈“Y”字形的突起，其上密布绒毛状小突起[32]；家蚕Bombyxmori卵的受精孔区只有一圈莲座型花饰，花饰小叶为8～15个[20]。

1.3 受精孔数目

不同昆虫的受精孔数目也存在较大差异[33]。大多数双翅目昆虫仅有1个受精孔，如一种按蚊Anophelesgoeldii[33]及白斑蛾蚋Telmatoscopusalbipunctatus等[22,34]。鞘翅目的许多种类具有多个受精孔，如二星瓢虫Adaliabipunctata的卵表面具两圈共计40～50个受精孔，异色瓢虫Harmoniaaxyridis卵的顶部环状排列约20个受精孔[9]，烟草甲Lasiodermaserricorne有9个受精孔[35]。等翅目昆虫黄胸散白蚁Reticulitermessperatus的受精孔为0～33个不等(平均值为9.48)[24]。鳞翅目昆虫的受精孔数目在不同种类间变化较大，如家蚕卵壳外部只呈现1个受精孔开口[4,20]；烟草粉斑螟Ephestiaelutella也只有1个受精孔，但脐橙螟Amyeloistransitella有5个受精孔[19]；同时研究表明，鳞翅目的部分种类的内部受精孔道形成多个分支到达绒毛膜，如家蚕有3～5受精孔道，钩翅大蚕蛾Antheraeaassamensis有8个受精孔道[21]。此外，一些储粮害虫如干果露尾甲Carpophilushemipterus[19,36]及半翅目旌介壳虫属Orthezia的一些种类[37]，其卵表面无可见的受精孔。

表1 不同昆虫卵孔区的典型形态
Table 1 Typical morphology of micropyle region of different insects

(续表1 Continued table 1)

1.4 受精孔(区)特征在分类中的应用

不同昆虫的受精孔区形态具有明显差异，因此该特征可作为昆虫的分类依据[6]。例如，受精孔表面的花纹是食蚜蝇分类的主要形态特征之一，通过受精孔区的特征可以建立食蚜蝇的分类检索表[38]；舟蛾科昆虫卵受精孔区呈螺旋形排列的花饰可将其与其他科的昆虫区分开来[5]；蜉蝣目昆虫卵受精孔区特征也是科间及种间分类的重要依据[39]。由于昆虫受精孔区的特征在普通光学显微镜下不易观察[5]，因此这些特征在昆虫或昆虫卵的分类中的应用还较为局限。

2 昆虫受精孔数目的变化及其进化功能

2.1 种间差异及与生殖方式进化的关系

在长期进化中，昆虫不同种类间受精孔数量的变化可能是形成不同生殖方式的基础，总体来说体现在以下3个方面：对于一些雌虫交配频率较低的种类，如雌虫占主要比例的幻紫斑蛱蝶Hypolimnasbolina[40]，或雌虫交配次数较少的昆虫，如一生只交配1次的拟暗果蝇Drosophilapseudoobscura[41]，增加受精孔数目能够增加单次接收精子的数量从而降低因精子缺乏造成卵不育的风险[42]；而对一些交配频繁的种类来说，减少受精孔数目能够降低病理性多精入卵的风险[42]；此外，在一些存在严重杂交的种类中，受精孔数目增加能够增大雌虫在交配后对精子进行选择性受精的概率[42]。Iossa等[42]通过研究鳞翅目14科51种昆虫受精孔数目与交配次数的关系，发现鳞翅目昆虫受精孔数目的变化与雌虫交配后的受精选择密切相关，证实受精孔数目变化在鳞翅目昆虫中的进化功能。尽管如此，受精孔在其他昆虫中是否具有类似功能还有待更多研究加以证实。

2.2 种内变化及与生殖调控的关系

昆虫的受精孔数目并不是恒定不变的，常常受交配状况及其他因素的影响。一些社会性昆虫，如麦氏曲颊猛蚁Gnamptogenysmenadensis工蚁[43]及黑胸散白蚁Reticulitermeschinensis蚁后，雌虫不交配所产营养卵往往缺乏受精孔，而交配后的雌虫所产生殖卵则具有受精孔[44]。一些昆虫能同时产生殖卵与营养卵，研究发现部分种类的生殖卵具有受精孔而营养卵则缺乏类似的结构，如亚社会性土蝽Adomerustriguttulus[45]及无刺蜂Tetragoniscaangustula[46]。而在另一些种类中，两种卵均具有受精孔且数目无显著差异，如异色瓢虫[9]和交配后的意大利蜜蜂Apismellifera蜂后[47]。此外，昆虫的受精孔数目也会受其他因素的影响，如天蚕Antheraeayamamai与柞蚕Antheraeapernyi种间杂交的F1代受精孔数目(7～10个)与天蚕相似，而略少于柞蚕(8～12个)[48]；当蚁王存在时，黄胸散白蚁Reticulitermessperatus蚁后所产卵的受精孔消失而转向无性生殖[24]。

少数昆虫突变体的受精孔数目及受精孔区形态与野生型相比，也发生不同程度的变化。例如，家蚕正常型卵的内部受精孔道为2～5个(大部分为3个)；卵大小突变型emi的受精孔道为 2～6个(多数为3个)，突变型Ge 的受精孔道为3～6个(多数为4个)[20]；而幼虫体色突变型bd与bdsw纯合子的卵内部则无受精孔道[49]。受精孔的形态也会因基因突变而发生变化，家蚕正常型的受精孔表面及边缘区域光滑，而突变型Se 的相应区域则较为粗糙[50]。

3 研究展望

受精孔是精子进入卵内的主要通道，在昆虫有性生殖过程中发挥着至关重要的作用。目前的研究大多集中于形态学观察，而进一步探究受精孔数目变化的影响因素、变化规律及调控机理将对深入了解昆虫的生殖机理及开发害虫防控新技术等提供重要的理论基础。具体来说，未来可以从以下几方面开展研究并取得突破。

3.1 昆虫受精孔形成的分子机理在大多数昆虫中尚不清楚

在昆虫卵子发生过程中，滤泡细胞通过特定的基因调节形成外卵壳，如背-腹(dorsal-ventral)模式系统[51]。目前，普遍认为昆虫受精孔开口及内部受精孔道数目的差异主要是由受精孔孔道形成细胞(MCFCs)及其他特殊滤泡细胞的分化所决定[3,4,20]，但分子水平的机理研究十分缺乏。已有研究证明某些基因与受精孔的形成相关，如果蝇滤泡细胞中的基因hep是受精孔形成所必需的[52]；在德国小蠊中，通过RNAi干扰证实基因Brownie会影响受精孔等相关结构的形成[53]。

3.2 在受精过程中，精子定向进入受精孔的机理尚不明确

在昆虫卵的受精过程中，当精子到达卵表面一定距离时，精子定向朝受精孔运动，表明受精孔区存在某些特殊物质能够吸引精子的进入[54]。探明这些物质的具体种类及其作用机理将对深入了解昆虫的受精过程具有重要意义。

3.3 在某些因素的影响下，昆虫的受精孔数目会发生改变，但引起受精孔形态及数量改变的机理尚未见报道

在体内受精的动物中，雄性在交配过程中除传递精子外，一些包含大量化合物分子的生殖附腺分泌物可从多个方面来影响生殖[55]，最直观的表现就是刺激卵的发育速率及数量(如促进卵黄原蛋白的摄取及滤泡细胞的活动)，并能调控产卵过程[56-58]。因此雄性附腺分泌物可能发挥着重要的作用，但参与介导的具体物质仅有零星报道[41]，未来可以从一些关键物质入手探究相关调控机理。

3.4 改变或调节受精孔数目将成为害虫绿色防控的一项新技术

RNAi介导的作物保护是一种具有广泛应用前景的害虫防治方法[59]，通过此方法干扰有关基因从而影响害虫受精孔的形成，将快速压低其种群数量，减少经济损失。此外，针对那些受精孔在受精后不封闭的害虫种类，受精孔是杀虫剂侵入卵的重要途径[28]，通过分子手段增加害虫受精孔的数目可以增强杀虫剂的防治效率，从而减少杀虫剂用量。但增加受精孔数目可能会提高受精率，因此如何合理调控受精孔数量，或准确把握调控时期是实际防治工作中的关键问题。