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生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2006年增刊
昆虫雄性生殖腺分泌物的功能
穆兰芳 1, 2 董双林 2
( 1 吴江市植保植检站,吴江 215200; 2南京农业大学农业部病虫监测与治理重点开放实验室,南京 210095)
摘 要: 昆虫两性成功交配后,雄性生殖腺分泌物使雌性昆虫的生理和行为都发生了巨大的改变。昆虫雄
性生殖腺分泌物含有多种具有生物活性的分子,这些生物活性分子通过成功交配转移到雌虫生殖道后, 对雌虫的
生殖活动产生影响, 使交配雌虫一段时间内不再交配, 使已转移的精子易于在雌虫生殖道内储藏, 使卵与精子完成
受精过程, 还可刺激雌虫产卵和卵的发育, 调控排卵和产卵等生殖过程。在精子的转移过程中, 雄性生殖腺分泌物
中的抗菌媒介质能使雌虫的生殖导管提供友好的环境。此外,一些昆虫的雄性生殖腺分泌物还含有一些有毒的化
学物质, 保护已产下的卵不被天敌取食和病原体侵染。
关键词: 雄性生殖腺 雄性生殖腺蛋白 性肽 雄配偶素 交配抑制物 交配塞 繁殖力增强物质 排
卵刺激物
The Function ofMale Accessory Gland Secretions of Insects
Mu Lanfang
1, 2 Dong Shuang lin2
( 1Wuj iang p lan t p ro tection and quarantine station, Wujiang 215200;
2K ey Laboratory of Monitoring andM anag em ent of P lant D iseases and
Insects, theM in istry of Ag riculture, Nanj ing Agriculture University, N anjing 210095)
Abstrac:t Secretions of m ale accessory glands con tain a var ie ty o f bioactive mo lecu les. When transferred during
m ating, thesem o lecules exert w ide-rang ing effec ts on fem ale reproductive activ ity. The secretionsm ay rende r her unw illing
o r unable to rem a te for som e tim e, facilitating sperm storage and ensuring that any eggs laid w ill be fertilized by that m ale.
s sperm. The secretions m ay stimu late an increase in the number and rate o f deve lopm en t o f egg s and m odulate ovu la tion
and ov ipo sition. An tim icrob ia l agents in the secretions ensure that the fema le reproduc tive tract is a hosp itab le env ironm ent
du ring spe rm transfer. In a few spec ies the secre tions include nox ious chem ica ls. These are sequestered by deve lop ing eggs
tha t are the reby protected from predato rs and pathogens when la id.
Key words: ARG Acps SP M atrone RIS M ating p lug FES OSS
基金项目:国家自然科学基金资助项目 ( 30270878)
作者简介:穆兰芳
1 前言
生殖是联系父代和子代的纽带, 在昆虫的生命
活动和种群变化过程中, 具有十分重要的意义。成
功的交配是昆虫两性生殖, 繁衍后代所必须的。交
配过程中, 昆虫雄性生殖腺 ( accessory reproductive
glands, ARG )分泌物对雌虫的生殖影响较大。
雄性生殖腺分泌物不仅有利于雄虫的精子转移
到雌虫的生殖道内,此外还有许多其它的作用。雄
性生殖腺分泌物在交配雌虫的整个生殖过程, 包括
从雄虫精子进入雌虫生殖道到雌虫产卵过程中都起
作用。对交配雌虫的影响包括: 对雌虫体内精子的
保护、储藏和激活的影响,对精子间竞争的影响 (对
于一生交配多次的雌虫, 雄性生殖腺分泌物影响其
它雄虫的精子 ) ,对雌虫行为的影响 (诱导雌虫的不
再交配和降低对雄虫的吸引力 ) , 对雌虫繁殖力、排
卵和产卵的影响,以及对卵的保护等。可以这样说,
生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2006年增刊
雄性生殖腺分泌物的功能是千方百计维持自己种群
的存在。雄性生殖腺分泌物到达雌虫的生殖道后,
穿过生殖道的管壁进入血腔,通过血淋巴传递到脑
和胸部神经节作用位点,从而引起交配后的行为;而
交配的机械刺激 (精包信号 ) ,则通过神经传入。一
些昆虫的雄性生殖腺分泌物与其它物质结合成一个
或多个囊状的结构,如精包,雄虫通过精包将精子转
移到雌虫的生殖道内; 在其它分泌物没有形成精包
的昆虫中,精子是通过精液的流动而转移的,这种流
动的精液也含有雄性生殖腺分泌物, 射精管也参与
了这个分泌过程。
值得说明的是, 雌虫本身生理的改变对生殖的
影响要大于雄性生殖腺分泌物的影响。本篇文章从
雄性生殖腺分泌物的组分和功能阐述了对昆虫雄性
生殖腺分泌物的研究进展。
2 雄性生殖腺分泌物的生物化学
雄性生殖腺分泌物大致分为蛋白质、碳水化合
物 (自由、复杂地与蛋白质结合 ), 脂类物质 (与蛋白
质结合 )、小部分的氨基酸和胺类物质, 其中蛋白质
是主要组分 [ 1]。另外, 在蜚蠊中雄性生殖腺分泌物
还含有尿酸,鳞翅目昆虫中含有前列腺素和保幼激
素,蚊子中也含有保幼激素 [ 1]。这些雄性生殖腺蛋
白质 (ARG prote ins, A cps)均标记为 A cp# #, 其中#
#是在多线染色体上通过原位杂交测定的编码该蛋
白的基因位置。这些蛋白质在结构上均具有相似
性,它们的 N -端均疏水, 且包含一个信号序列酶切
位点 [ 2]。
雄性生殖腺蛋白质按分子的大小, 可以分为三
类 [ 3] :第一类, 简单肽类。这类肽的肽链长度小于
100个氨基酸, 包括约 75%的果蝇雄性生殖腺蛋白。
例如, 黄猩猩果蝇 Dro sophila m elanogaster性肽 ( sex
pept ide, SP) Acp70A的前体肽有 55个氨基酸, 其中
信号肽为 19个氨基酸 [ 4 ]。当性肽释放到雄性生殖
腺腺腔时,信号肽被切除, 活性肽被转移到雌虫生殖
道内。在 D. funebris的雄性生殖腺分泌物中发现了
两种肽,一种肽 ( PS-1 )包含两条肽链, 每条链都有
27个氨基酸, 仅第 2位的氨基酸不同; 另一种肽与
蛇根平 (丝氨酸蛋白酶抑制剂, 由 63个氨基酸组
成 )有很高的相似序列。大豆象 Acanthoscelides ob-
tectus雄性生殖腺分泌的 /物质 A0 (分子量为 500~
1 000kDa)、家蝇 Musca domestica和黑瘤姬蜂 Coch-
liomy ia hom inivorax 的交配抑制肽 ( receptivity- in-
hibiting peptides) (家蝇中的交配抑制肽分子量为
750kDa,由雄虫射精管产生; 黑瘤姬蜂的交配抑制
肽分子量为 3 000kD a, 来源还不清楚 )均属于这一
类肽。
第二类,激素原类似蛋白。这类糖蛋白含有约
200~ 400个氨基酸,除去糖基后, 才具有生物活性。
如黄猩猩果蝇的 A cp26A a( 264个氨基酸 ) , 有一个
17个氨基酸的区域与软体动物 Ap ly sia californica产
卵激素区域相似, 有 11个氨基酸相同, 同源性达
65%
[ 2 ]。A. californica产卵激素的活性来自于对含
有 271个氨基酸的前体物去糖基。属于这一类的昆
虫雄性生殖腺蛋白还包括黄粉虫 Tenebrio molitor的
精包形成蛋白 [ 5] , 迁徙蚱蜢 M elanop lus sangu inip es
(分子量为 30kD a)和西藏飞蝗 Locusta m igra toria
(分子量为 13kDa)的产卵刺激蛋白 [ 6] ,将这些蛋白
直接注射到体腔内,具有相应的生理功能。因此,推
测它们可能作用于血腔。
雄配偶素 ( matrone)也属于这类蛋白 [ 7 ]。30多
年前, Fuchs等使用埃及伊蚊 A edes aegyp ti的整体抽
提物, 分离和鉴定了雄配偶素由 A和 B两部分组
成, A部分的分子量为 60kDa, B部分的分子量为
30kDa。这两部分都存在时, 才能诱导处女雌虫不
再交配, 单独的 A蛋白能刺激产卵。近来对雄性生
殖腺抽提物的分析表明, 蚊子雄性生殖腺蛋白的活
性部分分子量较低,与其它双翅目的雄性生殖腺蛋
白具有相似性。库蚊 Cu lex tarsalis的交配抑制物
( recept iv ity- inhib it ing substances, R IS )分子量约为
2kD a, 而埃及伊蚊的交配抑制物分子量为 7.
6kD a
[ 8]
,能诱导雌虫的不再交配和调节搜寻寄主行
为。Young和 Downe认为 [ 8] , 以前报道的埃及伊蚊
雄配偶素具有较大的分子量可能是活性蛋白分子与
其它非特异性的蛋白结合导致的。鉴于后来对雄性
生殖腺蛋白的报道与以前对雄配偶素的报道相互矛
盾,有必要对埃及伊蚊雄性生殖腺蛋白的生化特性
进行更彻底的研究。
第三类, 大分子糖蛋白, 这类糖蛋白的结构较
大。例如, 迁徙蚱蜢的精包蛋白 SP-62(分子量为
85kDa)和黄猩猩果蝇的精子储藏蛋白 Acp36DE (分
152
2006年增刊 穆兰芳等: 昆虫雄性生殖腺分泌物的功能
子量为 122kDa ) [ 9]。在精包形成过程中, SP-62去
糖基生成了分子量为 62kDa的结构; 精包转移到雌
虫生殖道内 20m in后, Acp36DE逐渐转化为分子量
为 68kDa的蛋白分子 [ 10]。雄性生殖腺分泌物中的
许多酶可能也属于这一类蛋白, 包括黄粉虫和迁徙
蚱蜢活性精包蛋白酶,以及美洲大蠊 P erip laneta a-
m ericana和黄粉虫雄性生殖腺的海藻糖酶。
尽管大部分的雄性生殖腺分泌物直接在生殖腺
内合成,但也有少量的报道表明,脂肪体也能合成雄
性生殖腺蛋白 [ 11]。如蜚蠊雄性生殖腺中的尿酸是
由脂肪体和马氏管合成,然后转移到腺体内。另外,
一些甲虫能取食化学物质,并将它们储藏在雄性生
殖腺内, 在交配的过程中转移给雌虫; 例如, D i-
abrotica undecimpunctata雄虫从寄主植物中获得葫
芦素类物质, N eopyrichroa f labellata能获得斑蝥素
等。
3 诱导雌虫不再交配和降低对雄虫的吸引
昆虫成功交配后,雌虫 (双翅目例外 )在一段时间内
不再交配。这种不交配的状态可以认为是雌虫主动
拒绝交配,也可以认为是被动的,这种被动的拒绝交
配是由雄性生殖腺分泌物引起的。雄性生殖腺产生
交配抑制物转移到雌虫生殖道内, 能抑制雌虫的再
次交配。对交配抑制物的生化分析表明, 交配抑制
物是一些肽类物质 (如果蝇的性肽, 家蝇和黑瘤姬
蜂的交配抑制物 )或者蛋白质 (雄配偶素 )。
肽类交配抑制物,由于分子量小,它们能穿过生
殖道管壁,到达血淋巴,然后被转运到作用位点 ) ) )
神经系 统 [ 12]。如 果蝇的 肽类 R ISA cp26A a 和
A cp62F能穿过雌虫的生殖道管的薄壁组织到达神
经系统 [ 13]。对于雄配偶素蛋白, 分子量大, 不能自
由穿过雌虫生殖道管壁,因此, 雄配偶素可能刺激雌
虫的生殖道释放一种激素,然后到达神经系统;或者
雄配偶素去糖基,释放活性部分穿过生殖道管壁至
神经系统。
交配抑制物作用于神经系统已在几种昆虫中找
到证据。在蚱蜢中来源于受精囊化感受体的信息,
能通过腹神经索到达更高级的处理中心, 如大脑。
在已交配的家蝇中, 放射性标记的雄性肽类物质在
雌虫大脑中的含量要多于其它器官中的含量; 而且,
去头或子宫结扎的处女雌虫在 8小时的暗期中能交
配 5次。O tt iger等 [ 14 ]使用 125I-标记的人工合成的
黄猩猩果蝇性肽和 DUP99B [ 15] (雄虫射精管的肽类
物质,功能和结构与性肽类似 )注入雌虫体腔, 结果
表明,性肽和 DUP99B能与神经系统的多个位点结
合,与传入神经系统结合很紧密,与大脑的结合相对
来说弱一些。这些都直接或间接说明交配抑制物作
用于神经系统。另外, F leischmann等 [ 16 ]为了明白
黄猩猩果蝇蕈体是否在调节雌虫的不再交配行为中
起作用,他们用化学物质处理雌虫蕈体, 使蕈体失
活,然后注射人工合成的性肽至雌虫体内,果蝇雌虫
仍表现出不再交配。因此, 他们认为蕈体在调节雌
虫的不再交配行为中不起作用。
雌虫交配的不应期与交配质量有关。也就是
说,多少雄性生殖腺分泌物和精子转移,以及精包在
雌虫生殖道内保留时间的长短决定了交配的质量。
少数昆虫一生只交配一次, 如埃及伊蚊和铜绿蝇
Lucilia cup rina,这些昆虫的交配抑制物也叫单次交
配物。但更多的昆虫一生能交配多次,这些昆虫的
雌虫能分批产卵,也能耗尽体内上次交配残存的雄
性生殖腺分泌物,因此, 它们交配后一段时间能够恢
复再次交配的能力 [ 7]。目前, 仅黄猩猩果蝇交配质
量和雌虫不应期的关系被详细研究,果蝇雌虫正常
交配后,能保持 7~ 9d的不应期;但在交配雌虫体内
注射性肽后,雌虫仅有 24h的不应期。
尽管 40多年前, M anning[ 17 ]提出了精子在交配
雌虫长时间的不应期中起作用, 但直到现在 /精子
效应 0的实质才被阐明。使用正常黄猩猩果蝇雌虫
与 prd雄虫 (能正常产生精子, 但不能产生性肽 )交
配后, 雌虫仍能再次交配; 但正常雌虫与 tud雄虫
(能正常产生性肽,但不能产生精子 )交配后, 雌虫
的不应期为 2d左右。Kulb i[ 18 ]研究发现,性肽和精
子是雌虫产生不应期所必须的, 但精子的作用是间
接的,性肽在雌虫长时间和短时间的不应期中起作
用,精子只是加强了性肽对雌虫交配的影响。因此,
Kubli认为, 精子可使性肽稳定, 也有可能精子通过
神经传导,向雌虫神经系统提供了精子储藏器官充
满了精子的信号。H ihara[ 19]认为能多次交配的雄
虫,能持续转移精子,但转移的雄性生殖腺分泌物的
量越来越少,诱导雌虫交配不应期的效果越来越差。
而且,持续表达性肽的转基因雌虫能一直处于交配
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生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2006年增刊
的不应期。
除了诱导雌虫不再交配以外, 在果蝇和一些鳞
翅目中,交配也降低了雌虫对雄虫的吸引力。在鳞
翅目中,雄虫精液中的化学物质抑制了性信息素的
释放, 导致性信息素释放量的减少,降低了雌虫对雄
虫的吸引力。如注射雄性生殖腺和射精管的抽提物
至美洲棉铃虫H elicoverpa zea雌虫体内, 能抑制性信
息素生物合成。在烟夜蛾 H elicoverpa assulta暗期,
雄性生殖腺能产生信息素生物合成抑制因子 [ 20] ;金
星梣叶槭大蚕蛾 H yalophora cerop ia和舞毒蛾 Ly-
mantria d ispar, 精子和睾丸的分泌物也能产生抑制
信息素生物合成的物质 [ 21]。K ingan等从美洲棉铃
虫的雄性生殖腺中分离到了一种含有 57个氨基酸
的肽,分子量为 6. 6kDa,能抑制信息素的生物合成。
人工合成的黄猩猩果蝇性肽能抑制棉铃虫 H. ar-
m ig era信息素的生物合成 [ 22, 23]。这些结果都表明,
交配降低了雌虫对雄虫的吸引力。鳞翅目昆虫的信
息素生物合成是由暗期从脑部释放的信息素生物合
成激活神经肽 ( pheromone b iosynthesis activating neu-
ropept ide, PBAN )调控的,但雄性生殖腺分泌物进入
雌虫交配囊后的去向以及抑制雌虫释放性信息素的
细节大部分还不为人所知。使用完整的昆虫, K in-
gan等不能定位美洲棉铃虫性信息素生物合成抑制
肽 ( pheromonostaat ic pept ide, PSP)的作用位点。Fan
等 [ 23]利用离体制备试验表明,黄猩猩果蝇性肽直接
作用于棉铃虫的性信息素腺体, 同时也刺激棉铃虫
咽侧体合成保幼激素,进而抑制信息素的生物合成。
性肽对咽侧体和性信息素腺体的影响与蛾龄有关,
也受其它因子的调控,如 PBAN。
与鳞翅目昆虫相反, 黄猩猩果蝇处女雌虫和交
配后 24h的雌虫具有相同水平的信息素滴度,黄猩
猩果蝇雌虫交配后对雄虫的吸引力下降, 可能是交
配后雌虫活动减少造成的。尽管雄虫精子在维持雌
虫吸引力下降中是必须的,但雌虫交配后最初的行
为变化既不是由精子也不是由雄性生殖腺分泌物引
起的, 而是雌虫活动减少造成的 [ 24]。
4 与精子有关的功能
交配后一段时间内, 雌虫不再交配和对雄虫的
吸引力下降是雄虫为了维持与下一代的 /父子0关
系所采取的策略。尽管交配一些天后, 雌虫体内的
精包会被雌虫排出或消化,但被消化之前,受精囊内
精包的存在能抑制雌虫的再次交配。对于第一次与
雌虫成功交配的雄虫, 雄性生殖腺分泌物与精子形
成交配塞 ( mating p lug) ,阻止精液流失,利于精子储
藏,加速雌虫产卵。对于最后一次与雌虫交配的雄
虫,能破坏或取代雌虫受精囊内已存在的精子,保护
和激活自己的精子,并完成受精过程。
已在鞘翅目、鳞翅目、蚊子、意蜂 Ap is mellif era
和果蝇中报道存在交配塞, 但仅对黄猩猩果蝇交配
塞的形成研究得较详细。黄猩猩果蝇的交配塞分为
前交配塞和后交配塞两部分 [ 25 ] , 开始交配后 3m in
形成的后交配塞,是雄虫射精管分泌的物质,分子量
为 38kDa的糖蛋白 ( PEB-me)是主要组分。 PEB-me
富含脯氨酸 ( P ro)和甘氨酸 ( G ly ) (两者占氨基酸的
40%多 ) , 肽链的一端由 12个 Pro-G ly-G ly重复组
成 [ 25]。与其它无脊椎动物的 PEB-m e蛋白相似, 如
蜘蛛和蚌类。后交配塞是在精子转移之前, 即缺少
雄性生殖腺分泌物和精子的情况下形成的, 后交配
塞能防止精子流失, 阻止雌虫再次交配。而前交配
塞, 包括雄性生殖腺蛋白, 形成于开始交配后
20m in,也就是说,在精子和雄性生殖腺蛋白转移之
后,形成前交配塞。精子储藏蛋白 A cp36DE是前交
配塞的重要组成部分 [ 25]。
与其它动物一样, 昆虫的射精导管是微生物进
入雌虫体内的 /林荫道0, 进入的微生物有些对昆虫
的繁殖具有负面的影响, 因此雌虫和雄虫的生殖系
统内都能产生抗菌肽 [ 26]。比较黄猩猩果蝇处女雌
虫和刚交配的雌虫生殖道抽提物成分表明, 在交配
的过程中,有 3种主要的抗菌肽发生了转移, 其中一
种是雄性生殖腺的产物, 分子量为 28kDa的蛋白
质,其它两种肽是雄虫射精管的产物 [ 13]。这些肽可
能保护没有储藏的精子,但这种保护作用是短暂的,
因为雌虫产下第一批卵时, 会将没有储藏的精子排
到体外,而雌虫生殖系统内合成的抗菌肽,对精子的
保护作用是长期的。
雌虫精子储藏器官中存在的精子和雄虫体内的
精子, 在生理上存在很大的不同。在精子的转移过
程中, 或精子刚转移后的一段时间内, 精子获得较
大的能动性, 具有进入卵内, 并使卵子受精的能
力, 这个过程称为精子获能 ( capac itat ion)。雄虫
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2006年增刊 穆兰芳等: 昆虫雄性生殖腺分泌物的功能
精子必须在雌虫生殖道内停留一段时间, 方能获得
具有使卵子受精的能力。在睾丸与精液中都存在去
获能因子, 它使精子的受精能力受到抑制。当精子
进入雌虫生殖道内后, 能解除去获能因子对精子的
抑制, 从而使其恢复精能力。在直翅目雄虫精囊
中, 精子的头部聚集在凝胶状 /帽子 0 (睾丸的产
物 ) 中, 不能移动 [ 27 ] ; 但在受精囊内, 精子能自
由移动。V iscuso等鉴定 Rhacocleis annulata雄性生
殖腺分泌物中主要含有一种分子量为 29kD a的蛋
白质, 离体注射这种物质能破坏 /帽子 0, 使精子
具有能动性。电泳表明, 这种物质还含有其它的蛋
白质。需要试验进一步证明, 除存在分子量为
29kDa的蛋白质外, 是否还存在其它的蛋白质在破
坏 /帽子0 中起作用?
昆虫精子获能的本质和影响因素很多还不为人
所知, 但可以确定的是,雄性生殖腺分泌物在精子获
能中起作用。使用交配两次的黄猩猩果蝇雌虫,研
究雌虫体内精子的竞争, P rice等 [ 28 ]发现第二次交
配的雄虫的精液能使第一次交配留下的精子不能获
能,而且第一次交配残留的精子也被取代。雄性生
殖腺在精子获能过程中的作用, 还有许多需要进一
步研究。
一些直翅目昆虫, 精包能在交配囊或交配囊导
管内打开,并释放精子。但是, 精子必须储藏在受精
囊或 /子宫 0中, 才能完成受精。因此, 交配囊内的
精子必须能够移动到受精囊和 /子宫0内, 否则卵受
精会失败。试验表明, 雄性生殖腺分泌物能刺激雌
虫生殖道收缩, 使精子进入受精囊内。如长红猎蝽
Rhodnius pro lixus雄性生殖腺分泌物能作用受精囊
管壁, 导致神经信号传导至中输卵管,使肌肉节律性
收缩, 精子被动转移到受精囊内。在一些鳞翅目昆
虫和美洲大蠊中也存在类似的机制来调节精子的移
动 [ 11]。精子也能主动移动迁入受精囊, 已有一些报
道表明,鳞翅目雄虫的射精管分泌物中存在诱导精
子主动移动的因子。另外,精子既不依靠生殖道的
收缩, 也不依靠主动移动也能到达受精囊。如棉铃
象 An thonomus grandis中,移动的精子能被受精囊的
分泌物吸引到受精囊内。
使用转基因果蝇, T ram和 W olfner[ 29]发现正常
雌虫与缺少雄性生殖腺分泌物的雄虫交配, 90%的
精子不能正常地被储藏, 这可能是缺少了雄性生殖
腺蛋白 A cp36DE导致的。Acp36DE能与输卵管壁
结合,能形成前交配塞, 也能与 /子宫 0中的精子紧
密相连,然后进入储藏器官。果蝇 A cp36DE能与输
卵管壁结合,表明它与长红猎蝽腺体分泌物具有相
似的作用; 与精子结合后转移到储藏器官中,
Acp36DE能保护精子正常储藏, 这一点实验已证
实。这两方面都间接作用于精子间的竞争。
5 调节卵的发育
交配雌虫的产卵量一般大于处女雌虫。雄性生
殖腺分泌物含有使雌虫繁殖力增强物 ( fecundity-en-
hanc ing substances, FES ), 因此繁殖力增强物能刺
激雌虫排卵和产卵 (下一节详细阐述 )。也有一些
研究表明,雄性生殖腺分泌物也能加速卵的发育。
如大豆象 A canthoscelides ob tectus的物质 A (一种肽
类物质 )对早期的卵子发生有促进作用; 注射雄性
生殖腺抽提物至完整伊蚊 Aedes taeniorhynchus虫体
内,能促进卵黄原蛋白的合成;通过注射雄性生殖腺
匀浆物,能刺激埃及伊蚊处女雌虫卵的发育 [ 1]。
在保幼激素调节卵黄沉积的鳞翅目昆虫中, 雄
性生殖腺分泌物似乎具有双重作用。首先, 在交配
过程中,来源于雄性生殖腺的保幼激素能直接刺激
卵黄产生和在成熟卵母细胞内的沉积。因此, 交配
后立即除头的烟芽夜蛾H elio this virescens产卵量是
除头处女雌蛾的 3倍 [ 30]。其次, 交配后烟芽夜蛾咽
侧体合成和释放保幼激素的量是同日龄未交配雌蛾
释放量的 2. 5倍,表明,雄性生殖腺分泌物也能刺激
雌蛾自身合成保幼激素。黄猩猩果蝇性肽也能刺激
棉铃虫处女雌蛾咽侧体合成保幼激素 [ 23]。
繁殖力增强物质对卵发育的刺激,在黄猩猩果
蝇中研究得最为清楚。黄猩猩果蝇性成熟过程中,
卵母细胞逐渐发育,但如果不与雄虫交配,大部分的
卵母细胞不会发育成熟。性肽, 保幼激素和 20-羟
基蜕皮酮相互影响卵母细胞的发育成熟。离体注射
性肽至咽侧体能明显增加黄猩猩果蝇体内 JHB3 (占
黄猩猩果蝇体内保幼激素的 95% )的生物合成 [ 31]。
人工合成的性肽注射至性成熟的黄猩猩果蝇处女雌
虫中,性肽通过刺激早期的卵黄沉积,促进卵母细胞
发育,导致卵黄蛋白从血淋巴中吸取的营养物质增
加以及增加滤泡细胞产生卵黄蛋白 [ 32]。而 20-羟基
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蜕皮酮通过影响早期的卵黄沉积, 能抑制成熟处女
雌虫卵母细胞的发育。除了性肽外, 精子也在调节
卵母细胞的发育中起作用。用正常雌虫分别与无精
的雄虫和正常雄虫交配, 发现与无精雄虫交配的雌
虫早期卵黄沉积作用要慢于与正常雄虫交配的雌
虫 [ 33]。正如 H eifetz等 [ 33]所强调的,卵黄沉积、排卵
和产卵在昆虫体内是一个连续的过程, 因此当卵离
开卵巢并被产下时,同时刺激了体内其它卵的发育。
因此, 影响这个过程的因子 (包括繁殖力增强物 )也
间接影响卵的发育。
6 诱导排卵和产卵
繁殖力增强物质能诱导雌虫快速产卵 [ 11]。在
早期的研究中,并没有将繁殖力增强物质对雌虫排
卵 (卵巢释放卵母细胞 )和产卵 (侧输卵管和中输卵
管将卵排出体外 )的影响区别开来, 难度在于一些
昆虫排卵和产卵时间间隔很短。但少数昆虫, 如M.
sangu inip es和一些蝗虫, 卵排出后能在输卵管内停
留一段时间, 直到外界的环境适合, 才将卵产到体
外。在这些昆虫中, 繁殖力增强物质能引起产
卵 [ 34]。单独使用侧输卵管进行离体试验,雄性生殖
腺分泌物能刺激侧输卵管,使之收缩的频率和强度
增加, 加速产卵。雌虫 (如脑部和受精囊 )抽提物,
也能刺激侧输卵管的蠕动 [ 34 ] ,是来源于雄虫的雄性
生殖腺分泌物,还是雌虫本身的物质促进产卵,还是
两者兼具? 现在还不能确定。但可以肯定的是,雌
虫是否产卵,取决于许多来自于内部和外部信号的
总和。
人工合成黄猩猩果蝇性肽以及遗传饰变雄虫和
雌虫的成功,使将雌虫产卵和排卵区别开来变为可
能。有趣的是,即使得到了人工合成的性肽,开始并
不能确定它是调节排卵还是产卵,后来,发现了一种
新的排卵生测方法,即测定子宫中卵的数量,才使这
个问题得以解决 [ 18]。当黄猩猩果蝇受到热冲击时,
雌虫能失常地大量表达性肽,在 1. 5~ 2h内,雌虫子
宫中卵的数量能从 5%增加到 80%。同时,注射纯
化或人工合成的性肽至处女雌虫的体腔,在 3~ 24h
内,能使子宫内卵的数量增加 [ 35]。
使用这种生测方法,在其它果蝇 (D. suzukii, D.
biarm ip es)中发现了排卵刺激物 ( ovulation-stimu lating
substances, OSS)的存在, 且在这两种昆虫中, 不止
存在一种排卵刺激物 [ 35]。在 D. suzukii中已报道,
雄性生殖腺的分泌物有三种, 包括排卵刺激物和两
种肽类物质,其中一种肽的氨基酸序列与黄猩猩果
蝇性肽具有很高相似性, 另一种被认为是实验过程
中操作失误带来的污染物 [ 35]。而在 D. suzukii中,
虽然排卵刺激物来源于雄性生殖腺,但第二种分子
( ED-OSS), 与黄猩猩果蝇性肽具有一定的同源性,
来源于雄虫的射精管且具有种专一性 [ 36]。
在果蝇中, He ifetz等 [ 37 ]发现排卵激素 ( ovulin)
Acp26Aa能引发排卵。A cp26A a属于激素原类似蛋
白,只有交配后,在含有雄性生殖腺分泌物的雌虫生
殖道内去糖基, 才具有生物活性。交配后, 一部分
Acp26Aa保留在雌虫生殖道内, 另一部分穿过生殖道
管壁,进入血淋巴 [ 12]。雌虫与缺少 Acp26Aa的雄虫
交配后, 中输卵管中卵的数量明显减少。被认为,
Acp26Aa通过使卵进入中输卵管,进而刺激排卵, 而
且, Acp26Aa能通过清除卵巢的成熟卵母细胞,促进
新的卵母细胞发育。A cp26A a似乎不影响产卵行为,
因为雌虫与缺少 A cp26A a的雄虫交配后, 6h后雌虫
产卵量与对照相比差异不显著。H eifetz等 [ 37]认为,
性肽除能促进卵的发育 (作用于 JHB3的生物合成 ),
还能刺激子宫和输卵管的蠕动,促进产卵。性肽能促
进产卵被 O ttiger等 [ 14]通过 125I标记性肽能与处女
雌虫子宫和输卵管结合的实验证实。
7 雄性生殖腺分泌物的其它功能
雄性生殖腺分泌物除了以上的功能外, 还能间
接影响雌虫的生殖生理和行为, 包括对生理节律的
调控,对新陈代谢的改变,降低交配雌虫的寿命和对
昆虫搜寻寄主行为的影响等。
在疟蚊中, 这些功能与雄配偶素有关 [ 1]。例
如,注射雄配偶素到埃及伊蚊中,能刺激雌虫取食。
注射雄性生殖腺抽提物至库蚊 C. quinquefasciatus
中,能使雌虫的行为由求偶转化为搜寻寄主。注射
雄性生殖腺抽提物至地中海实蝇 C eratitis cap itata
雌虫体内,能使雌虫由趋向于雄性信息素的行为改
变为趋向寄主植物气味物质 [ 38 ]。
果蝇还存在其它的雄性生殖腺蛋白 [ 3]。如
Acp62F,它的氨基酸序列与蛔虫的蛋白酶抑制剂序
列高度相似,交配后,约 90%的 A cp62F保留在雌虫
的生殖道内 (包括雌虫的受精囊 ) , 而其它的
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2006年增刊 穆兰芳等: 昆虫雄性生殖腺分泌物的功能
A cp62F则进入血淋巴 [ 12]。 90% 的 Acp62F保留在
雌虫的生殖道内说明了它对精子和流动精液蛋白的
保护作用,可能抑制蛋白酶对精子的降解。而少部
分的 Acp62F进入血淋巴, 通过干扰调节传递细胞
信号的蛋白酶, 如免疫反应, 可缩短交配雌虫的寿
命。还有部分雄性生殖腺蛋白 (包括黄猩猩果蝇的
A cp76A和果蝇 D. funebris蛋白酶抑制剂 )与蛇根平
具有相似的氨基酸序列, 或具有相似的功能。这些
物质抑制了蛋白水解酶的活性, 对交配产生影
响 [ 35]。
8 结论
近 10年来,对雄性生殖腺分泌物的物质鉴定和
功能的研究向前迈进了一大步, 特别是对模式生物
黄猩猩果蝇的研究了取得了巨大的突破性进展,经
典遗传学和新兴基因组学的结合使对黄猩猩果蝇的
研究变为可能。迄今为止,在果蝇中已分离和鉴定
了约 80个 Acp基因及其产物, 约占果蝇 Acp基因的
90%
[ 3]
, 而且一些基因的功能已经阐述清楚, 相信
对果蝇其它 Acp基因功能的了解只是一个时间的问
题。而对其它昆虫雄性生殖腺分泌物的了解要大大
落后于对果蝇的了解, 难处在于研究果蝇的试验方
法、假设和理论不能应用于其它的昆虫,特别是对那
些生殖策略与果蝇不同的昆虫。在其它昆虫中,当
需要纯的或人工合成的物质时,但仍在大量使用 20
年前的方法 (如使用组织匀浆或不完全纯化的雄性
生殖腺抽提物 )。对蚊子雄性生殖腺分泌物的具体
组分及其对应的功能也缺乏足够的关心, 对蚊子雄
配偶素的组成 (由于报道称蚊子雄配偶素存在 A和
B两种不同形式的蛋白 )及其可能的功能都需要重
新研究,是否将黄猩猩果蝇雄性生殖腺抽提物注入
埃及伊蚊也能模拟雄配偶素对埃及伊蚊的影响,使
雌蚊不再交配,也需要研究。
随着我们对昆虫雄性生殖腺分泌物的结构特征
和作用机制的的阐明, 也有可能从干扰害虫正常生
理过程出发,设计新型化合物, 为与环境相容的新农
药的开发和农药作用新靶标奠定理论基础, 作为害
虫低污染治理的新途径之一。因此, 具有较好的生
态和经济价值。
参 考 文 献
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