论文部分内容阅读
白蚁品级发育的多样性和可塑性是其社会性的显著性特征。在散白蚁属Reticulitermes中,工蚁品级有着非常灵活的可塑能力,工蚁的分化有三种途径:经历蜕皮后维持工蚁形状不变,经历两次蜕皮成为完全不育的兵蚁或经历一次蜕皮成为无翅型补充生殖蚁(apterous neotenic reproductives,NRs)。当巢群分割重组或生殖蚁缺失时,无翅型补充生殖蚁的分化可以延续巢群的发展。至今工蚁向补充生殖蚁的转化只需经历一次蜕皮的观点尚未受到质疑。实际上,目前工蚁向补充生殖蚁转化的机制并不清楚,这种转化过程是否只经历一次蜕皮尚未有深入的探讨和充足的证据。本文以圆唇散白蚁Reticulitermes labralis(Hisa)为材料,对工蚁向补充生殖蚁转化过程中的形态学变化、卵巢发育、卵子发生中的生殖细胞凋亡以及卵母细胞成熟过程中的基因表达进行了研究。研究结果及结论如下:1.首次发现了圆唇散白蚁雌性工蚁向NRs转化过程中需要经历两次蜕皮,即需要经过前补充生殖蚁(pre-apterous neotenic reproductive,pre-NR)阶段,雄性工蚁直接与雌性补充生殖蚁交配,不经历蜕皮。Pre-NRs是雌性工蚁向NRs分化过程中的一个独立的龄期,并且有其独特的形态特征。老龄雌性工蚁经历一次蜕皮后形成的pre-NRs,pre-NRs再经历一次蜕皮后形成NRs。Pre-NRs与工蚁和NRs的形态特征有显著性差异,在腹部长度方面,工蚁为1.99±0.02mm,pre-NRs为2.61±0.05mm,NRs为2.85±0.20mm,Pre-NRs较工蚁显著性增长(P<0.05),而pre-NRs与NRs无显著性差异;第七腹板的长度工蚁为0.24±0.02mm,pre-NR为0.38±0.025mm,NRs为0.5±0.01 mm,工蚁、pre-NRs和NRs第七腹板长度随转化呈阶段性增长,三者之间均存在显著性差异(P<0.05)。该结果更深层次的明确了工蚁向补充生殖蚁的转化过程,为揭示工蚁向补充生殖蚁转化的机制提供了基础依据。2.卵巢从工蚁转化为pre-NRs后开始生长,但是卵母细胞恢复发育是从NRs开始的。工蚁转化为pre-NRs后卵巢虽然显著性增长,但是卵母细胞的发育依然被退化的滤泡细胞抑制,表明雌性pre-NRs并不具备生殖能力,只是雌性工蚁向NRs转化中的过渡阶段。Pre-NRs和工蚁的滤泡细胞形态细长,成退化状态,而分化成为NRs后滤泡细胞恢复为柱形形态,滤泡细胞恢复发育。工蚁转变为pre--NRs后卵巢显著增大(P<0.05),pre-NRs转变为NRs后两者卵巢大小无显著性增长,卵巢长度工蚁为0.7±0.04mm、pre-NRs 的为 1.63±0.021mmm,NRs 的为 1.73±0.09mm。三者的卵母细胞直径分别为 22.83±4.2 μm、25.06±5.8 μm、和 69.55±4.8 μm,工蚁与 pre-NRs 无显著性差异,与NRs有显著性差异(P<0.05)。该结果揭示了工蚁向生殖蚁转化过程中卵巢形态学变化以及生殖力抑制和启动的机理。3.通过细胞凋亡检测,发现工蚁维持生殖能力的主要原因是工蚁以退化的滤泡细胞抑制卵母细胞发育的方式代替了卵母细胞自身的凋亡。尽管工蚁和pre-NRs的滤泡细胞发生了退化,但是卵母细胞和滤泡细胞并未发现凋亡。在卵原细胞区细胞凋亡检测中,NRs的卵原细胞凋亡程度最少,表明在工蚁蜕皮转变为Pre-NRs阶段,卵巢中卵原细胞数量一直处于增长状态。只有在NRs中发现了少数滤泡细胞和卵母细胞存在凋亡现象,证明了卵子发生的恢复是在工蚁经历两次蜕皮转变后的NRs阶段,而并非pre-NRs阶段。本结果表明卵母细胞和滤泡细胞出现凋亡是卵母细胞恢复发育的标志,pre-NRs卵母细胞受到抑制,因此没有生殖力,只有成为NRs时才能恢复活性,并发育成为成熟的卵母细胞。4.通过实时定量PCR,我们对卵母细胞减数分裂成熟有关的7个基因在工蚁、pre-NRs和NRs中的相对表达量进行了研究。证明了工蚁向补充生殖蚁转化的过程中,完全恢复卵母细胞减数分裂成熟能力的是NRs阶段,pre-NRs是卵母细胞恢复减数分裂能力的过渡阶段。其中在2个基因的表达水平上,NRs的表达显著高于工蚁和pre-NRs(P<0.05),工蚁与pre-NRs无显著性差异,证明工蚁转化为NRs后卵母细胞恢复减数分裂成熟能力。在调控促成熟因子(Mature Promoting Factor,MPF)的cyclin dependent kinase 1中NRs的表达水平显著高于工蚁和Pre-NRs,分别约是pre-NRs的34倍,是工蚁的68.3倍;在调控后期促进复合物(anaphase-promoting complex,APC)的 cell division cycle protein 20 homolog 基因,在 NRs 的表达水平分别是工蚁的64.2倍,是pre-NRs的62.7倍。在5个基因表达水平上,工蚁、pre-NRs和NRs三者间都存在显著性差异,其中NRs表达量最高,工蚁表达量最低,证明了pre-NRs是卵母细胞减数分裂成熟的过渡状态:在G2/mitotic-specific cyclin-B3-like,NRs的相对表达量约是工蚁的252倍,约是pre-NR的91倍;在2/mitotic-specific cyclin-A-like基因NRs的相对表达量约是工蚁的98.4倍,约是pre-NRs的36.2倍;anaphase-promoting complex subunit CDC26 isoform X1 的基因中,NRs 的相对表达量约是工蚁的4.6倍,约是pre-NR的2.5倍;在aurora kinase A-like和Serine/threonine-protein kinase polo的两种基因中,NRs的表达水平分别是pre-NRs的57.7和106.2倍,是工蚁的130.7和158.8倍。本结果揭示了工蚁向补充生殖蚁转化过程中的卵母细胞减数分裂成熟基因在不同阶段的表达状况,为进一步揭示白蚁的卵母细胞减数分裂成熟与品级分化的关系提供了理论证据。