昆虫生理学体壁系统培训课件

昆虫腹部横切面模式图昆虫腹部横切面模式图围心窦围心窦围脏窦围脏窦围神经窦围神经窦背膈背膈腹膈腹膈1昆虫生理学体壁系统6/26/2024一、昆虫体壁的结构昆虫体壁包括昆虫体壁包括基膜基膜(basement membrane)、真皮细胞真皮细胞(epidermal cells)和和多层无活性多层无活性的表皮的表皮(nonliving cuticle)。表皮分为表皮分为包膜包膜(envelope)、上表皮上表皮(epicuticle)和和原表皮原表皮(procuticle)3部分。部分。原表皮分为原表皮分为外表皮外表皮(exocuticle)、中表皮中表皮(mesocuticle)和内表和内表皮皮(endocuticle)。第一节 体壁的结构与功能2昆虫生理学体壁系统6/26/2024昆虫体壁的结构昆虫体壁的结构 表皮层3昆虫生理学体壁系统6/26/2024昆昆虫虫体体壁壁的的结结构构(Krowden,2008)原表皮上表皮真皮基膜表皮包膜4昆虫生理学体壁系统6/26/2024 厚50m，双层结缔组织，内层：无定性型的致密组织，外层：网状层。来源：血细胞分泌。功能：血淋巴与皮细胞之间的渗透屏障 （具有选择透性）。1、底膜（或基底膜）、底膜（或基底膜）basement membrane 5昆虫生理学体壁系统6/26/20242、皮细胞层、皮细胞层 epidermis为单一细胞层，排列整齐。6昆虫生理学体壁系统6/26/2024功能功能1)可特化成腺体、感觉细胞、毛原细胞2)分泌表皮，构成外骨骼和外长物；3)分泌蜕皮液，控制蜕皮。4)修补伤口。5)分泌绛色细胞。7昆虫生理学体壁系统6/26/20243、绛色细胞一种中间代谢器官，因新鲜时为酒黄色而得名。分布：常成团分布在气门附近、侧板的皮细胞层下，功能：向血液分泌糖原、蛋白质和脂类，积累色素；参与上表皮形成、贮藏排泄、雌性生殖腺发育等生理活动。8昆虫生理学体壁系统6/26/20244、表皮层、表皮层 cuticula由皮细胞向外分泌的非细胞性结构。分为三层：9昆虫生理学体壁系统6/26/2024（3）内表皮 endocuticle：最厚，10200m，无色柔软为几丁质蛋白质复合体，呈多层的片状结构，具延展性，可被消化吸收。（2）外表皮 exocuticle：310 m，坚硬而色深，为鞣化后的含骨蛋白，蜕皮时不能被吸收。（1）上表皮 epicuticle12 m，不含几丁质。依形成的次序，由内向外分为三层。10昆虫生理学体壁系统6/26/2024体壁的断面体壁的断面2 2、体壁的结构及化学成分、体壁的结构及化学成分1）上表皮的）上表皮的结构构11昆虫生理学体壁系统6/26/2024外表皮外表皮孔道孔道蜡道蜡道 角质精层角质精层蜡层蜡层护蜡层护蜡层上上表表皮皮表皮质层表皮质层多元酚层多元酚层12昆虫生理学体壁系统6/26/20242）上表皮各）上表皮各层的特点和作用的特点和作用 厚1-3 m，不含几丁质，分为：(1)角质精层：决定虫体体表的模式和化学性质。(2)蜡层：蜡质，保水。(3)护蜡层：含脂类和鞣化蛋白质，即亲水又疏水，保护蜡层、修复表皮。13昆虫生理学体壁系统6/26/20243）昆虫体壁的各昆虫体壁的各层次及化学成分次及化学成分体体 壁壁表表皮皮层层表表细细胞胞层层上表皮上表皮外表皮外表皮内表皮内表皮护蜡层护蜡层蜡层蜡层角质精层角质精层主要含脂类、鞣化蛋白和蜡质含有蜡质；某些昆虫可能含有多元酚主要含脂蛋白复合物主要含几丁质、鞣化蛋白和脂类主要含几丁质、粘多糖蛋白、节肢蛋白和弹性蛋白活细胞层，分泌蜕皮液，可特化形成体壁内外的各种突起，如刚毛和各种腺体底底膜膜主要含有各种粘多糖14昆虫生理学体壁系统6/26/20244)体壁的特化体壁的特化(1)体壁外长物体壁外长物非细胞性外长物：非细胞性外长物：细胞性外长物细胞性外长物 由表皮外突形成，不能活动，具防御功能，由表皮外突形成，不能活动，具防御功能，也也 是重要的外部特征。如是重要的外部特征。如微毛，小棘。微毛，小棘。单细胞性外长物：单细胞性外长物：单个真皮细胞特化形成单个真皮细胞特化形成的，如的，如鳞片，刚毛。鳞片，刚毛。多细胞性外长物：多细胞性外长物：多个真皮细胞与表皮一起外多个真皮细胞与表皮一起外突形成，如突形成，如刺，距。刺，距。15昆虫生理学体壁系统6/26/2024鳞片刚毛刺距16昆虫生理学体壁系统6/26/2024内骨骼及骨片的连接部分内骨骼及骨片的连接部分骨片骨片膜膜17昆虫生理学体壁系统6/26/2024刺刺与与距距的区别的区别18昆虫生理学体壁系统6/26/2024(2)皮细胞腺皮细胞腺真皮细胞内陷形成的各种腺体真皮细胞内陷形成的各种腺体单细胞腺：单细胞腺：由一个真皮细胞特化而成，如毒蛾幼虫的毒腺，由一个真皮细胞特化而成，如毒蛾幼虫的毒腺，同翅目的蜡腺。同翅目的蜡腺。多细胞腺：多细胞腺：由多个皮细胞内陷形成，如丝腺，臭腺。由多个皮细胞内陷形成，如丝腺，臭腺。19昆虫生理学体壁系统6/26/2024(3)体壁的色彩体壁的色彩 色素色（化学色）根据色素的位置分为：表皮上色：如体表的白色蜡质。表皮色：真皮色：皮细胞层，死后消失。真皮下色：体内器官的颜色。（初孵幼虫）结构色（物理色）由体表的毛、沟、缝、刻点等结构使光波发生散射、衍射等形成。综合色 20昆虫生理学体壁系统6/26/202421昆虫生理学体壁系统6/26/2024二、体壁的功能 1、具有高等动物皮肤和骨骼的双重功能。保护、热能交换、体色、感觉；为肌肉提供着生点、形成关节。2、营养物质的贮存库。3、参与呼吸、生殖等活动。各种生理活动的物质基础。22昆虫生理学体壁系统6/26/2024一、几丁质 Chitin N-乙酰-D-葡萄糖胺，为无色、无定型的固体，不溶于水、有机溶剂和稀的酸、碱溶剂。在自然界中无游离的几丁质，一般与蛋白质结合成复合体存在。为节肢动物表皮中的特征性成分，占昆虫表皮的2540%。第二节 体壁的主要化学成分23昆虫生理学体壁系统6/26/2024 几丁质：无色含氮的多糖类，由几百个乙酰几丁质：无色含氮的多糖类，由几百个乙酰氨基葡萄糖构成氨基葡萄糖构成C C8 8H H1313O O5 5N)N)X X24昆虫生理学体壁系统6/26/2024 几丁质可水解为几丁质可水解为氨基葡萄糖氨基葡萄糖 几丁质可脱去几丁质可脱去乙酰基乙酰基，形成，形成几丁糖几丁糖和醋酸盐。和醋酸盐。在在浓矿物酸中：物酸中：（浓KOH或或NaOH液，液，1600C）几丁质的化学性质25昆虫生理学体壁系统6/26/2024二、蛋白质：部分与几丁质结合形成节肢蛋白 （弹性强）。三、脂类：在上表皮中主要是蜡质。四、多元酚及其氧化酶：参与表皮的硬化与黑化五、色素：形成体色六、黑色素：外表皮的鞣化蛋白中很多，还参与免疫和调节体温。七、无机盐：K+、Na2+、Ca2+等26昆虫生理学体壁系统6/26/2024第三节 体壁的类型与特性 表皮表皮类型类型鞣化表皮鞣化表皮弹性表皮弹性表皮节间膜节间膜分布分布外骨骼外骨骼口器、足、翅、腹口器、足、翅、腹部的弹性部分部的弹性部分骨片之间的连接部分和骨片之间的连接部分和附肢、毛刺的着生处的附肢、毛刺的着生处的膜状部分膜状部分物理物理特性特性坚硬，色深坚硬，色深有弹性，在紫外光有弹性，在紫外光下发蓝光。下发蓝光。柔软，色浅柔软，色浅结构结构特点特点含几丁质含几丁质含或不含几丁质含或不含几丁质原表皮不分外表皮和内原表皮不分外表皮和内表皮表皮主要主要功能功能起外骨骼的作起外骨骼的作用，提供肌肉用，提供肌肉的着生点的着生点贮藏和释放肌肉收贮藏和释放肌肉收缩时产生的能量，缩时产生的能量，并吸收震动并吸收震动使虫体能收缩或膨胀；使虫体能收缩或膨胀；联结并使硬化的骨片转联结并使硬化的骨片转动动一、类型27昆虫生理学体壁系统6/26/2024二、特性 由其结构特点决定：1,保水性 上表皮的蜡层2,坚硬性 外表皮鞣化的几丁质-蛋白质复合体3,延展性 内表皮28昆虫生理学体壁系统6/26/2024第四节 脱皮成熟表皮1 皮层溶离2 分泌蜕皮液，形成新表皮 3 消化旧表皮4 吸收脱皮液5 旧表皮刚脱去时的新表皮一、脱皮过程29昆虫生理学体壁系统6/26/2024 脱皮前，皮细胞已通过蜡管在角质精层的上面分泌新表皮的蜡层。脱皮后，新表皮吸收空气和水分而扩展，同时在蜡层的上面分泌护蜡层。随后，原表皮的外层进行蛋白质的鞣化（即：多元酚氧化形成醌，再与蛋白质结合，形成坚硬的骨化蛋白），从而完成内、外表皮的分化。6、上表皮和内外表皮的形成30昆虫生理学体壁系统6/26/2024二、脱皮的激素调控二、脱皮的激素调控脱皮的启动：蜕皮激素（前胸腺分泌）。脱皮后的发育方向：蜕皮激素：促进皮细胞中酶系的活动，增强细胞的代谢保幼激素：高浓度仍为幼虫；低浓度进入蛹期或成虫期。一些昆虫的鞣化过程：需要鞣化激素（来自神经分泌细胞）启动。31昆虫生理学体壁系统6/26/2024昆虫蜕皮的步骤昆虫蜕皮的步骤A.蜕皮前的体壁；蜕皮前的体壁；B.皮层溶离，真皮与表皮层溶离，真皮与表皮分开从而产生出蜕皮皮分开从而产生出蜕皮的空间；的空间；C.无活性的蜕皮胶状物无活性的蜕皮胶状物分泌到蜕皮的空间中；分泌到蜕皮的空间中；D.旧的内表皮的消化以旧的内表皮的消化以及新的原表皮的分泌；及新的原表皮的分泌；E.原表皮和真皮的持续原表皮和真皮的持续生长；生长；F.蜕皮，旧表皮的脱落。蜕皮，旧表皮的脱落。(Krowden,2008)32昆虫生理学体壁系统6/26/2024三、昆虫几丁质及其代谢 几丁质，N-乙酰基-D-葡萄糖胺聚合物，支撑起昆虫表皮和气管，也用于昆虫围食膜的内表皮和内脏的上皮细胞的形成。几丁质是昆虫表皮的主要组分，大约占昆虫虫蜕干物质的40%。昆虫以一定的规律不断地一定的规律不断地合成和分解几丁质。33昆虫生理学体壁系统6/26/2024四、几丁质代谢的2类关键酶1，几丁质合成酶，几丁质合成酶（chitin synthase,CHS）（1）分子量大约在）分子量大约在160KDa-180KDa之间的大型跨膜蛋白，等电点略偏之间的大型跨膜蛋白，等电点略偏酸性。酸性。（2）拥有两种不同的）拥有两种不同的CHS基因，分别命名为基因，分别命名为CHSA和和CHSB。研究表明：。研究表明：CHSA在表皮和相关的外层细胞如气管细胞层特异性表达；而在表皮和相关的外层细胞如气管细胞层特异性表达；而CHSB则则严格在肠壁细胞表达以形成围食膜。严格在肠壁细胞表达以形成围食膜。2，降解的酶类，降解的酶类 包括几丁质酶（包括几丁质酶（chitinase,CH）和）和-N-乙酰葡糖胺糖苷酶。乙酰葡糖胺糖苷酶。黑腹果蝇、赤拟谷盗和冈比亚按蚊的几丁质酶样基因分别有黑腹果蝇、赤拟谷盗和冈比亚按蚊的几丁质酶样基因分别有16、16和和13个。个。34昆虫生理学体壁系统6/26/2024一、透水性昆虫体躯小，相结表面积大开放式循环系统水分散失对策蜡质层表皮层具有抵抗水分渗透的作用鞣化的外表皮具很强的疏水性利用惰性粉摩擦去掉蜡质，时昆虫体内的水分散失而死利用惰性粉摩擦去掉蜡质，时昆虫体内的水分散失而死第五节第五节 昆虫体壁与害虫防治昆虫体壁与害虫防治35昆虫生理学体壁系统6/26/2024二、透气性气管气管化学感觉器化学感觉器气体交换气体交换蜉蝣稚虫蜉蝣稚虫气管鳃气管鳃内寄生昆虫内寄生昆虫体壁体壁无蜡层，多元酚层，无蜡层，多元酚层，甚至外表皮层甚至外表皮层气体交换气体交换利用毒气杀灭害虫利用毒气杀灭害虫36昆虫生理学体壁系统6/26/2024蜡质层蜡质层临界温度临界温度结构发生变化结构发生变化不透水性发生不透水性发生变化变化有机溶剂有机溶剂溶解作用溶解作用摩擦剂摩擦剂除去作用除去作用硅藻土防护剂防治储硅藻土防护剂防治储藏物害虫藏物害虫37昆虫生理学体壁系统6/26/2024 昆虫体壁特别是表皮层是虫体内外物质交流的物理性屏障，其通透性是非常复杂的。这主要表现在：（1）表皮是不同质的重叠片层结构，各亚层的厚度和化学组分，在不同种类及不同部位甚至不同发育阶段中有很大差异；（2）表皮中孔道的有无及数量的多少，与外界异物透入虫体有关；（3）蜡层分子的组成及定向排列方式和紧密程度，是影响表皮通透性的重要因素；（4）体表的节间膜、毛窝、足跗节及气门和气管等表皮极薄的部位，是水分、气体、杀虫剂进入虫体的主要途径。因此昆虫的体壁并不是任何物质都不能穿透的，水分及其它外源性化学物质，在一定条件下可以透过体壁，但物质穿透能力和速率决定于表皮的结构特性、物质的理化性质和环境因素。38昆虫生理学体壁系统6/26/2024 触杀性杀虫剂必须接触虫体并能透过体壁，才能到达靶标部位，进而产生杀虫效力。39昆虫生理学体壁系统6/26/2024三、杀虫剂的穿透性杀虫剂的穿透性杀虫剂的穿透性杀虫剂的理化性质杀虫剂的理化性质昆虫表皮的结构特性昆虫表皮的结构特性上表皮亲上表皮亲脂性脂性内表皮亲内表皮亲水性水性 一种好的触杀剂既要有较一种好的触杀剂既要有较高的脂溶性，又要有一定高的脂溶性，又要有一定的水溶性的水溶性40昆虫生理学体壁系统6/26/2024四、昆虫体壁与实时防治1，体壁的薄厚与硬化程度 不同发育时期(龄期)：虫体不同部位：结构特性：孔道，无蜡层，多元酚层和外表皮鞣化程度2，体壁的不同理化性状 41昆虫生理学体壁系统6/26/20243，体表的结构：，体表的结构：体表的微毛、小刺、鳞片等不易黏附药剂；体壁的蜡层药剂不易通过。42昆虫生理学体壁系统6/26/20244，种类和龄期：，种类和龄期：体壁坚硬和蜡层厚的昆虫，药剂不易穿透；幼龄比老龄体壁薄，耐药力较差。43昆虫生理学体壁系统6/26/20245，虫体的部位，虫体的部位：口器、触角、跗节、毛窝、节间膜和气孔等，是药剂进入的虫体的薄弱环节。44昆虫生理学体壁系统6/26/20246，药剂的类型和剂型，药剂的类型和剂型熏蒸剂熏蒸剂 气门、体壁的孔道气门、体壁的孔道触杀液剂（强脂溶性物质）触杀液剂（强脂溶性物质）上表皮上表皮（水溶性物质）水溶性物质）原表皮原表皮触杀粉剂：触杀粉剂：药物透药物透过过填充剂的惰性粉填充剂的惰性粉 蜡层蜡层 虫体大量失水虫体大量失水特异性杀虫剂：灭幼脲类特异性杀虫剂：灭幼脲类 抑制几丁质合成抑制几丁质合成45昆虫生理学体壁系统6/26/2024第六节第六节 杀虫剂对昆虫体壁的作用过程杀虫剂对昆虫体壁的作用过程一、作用于昆虫变态过程 昆虫变态受控于大脑分泌的一些激素，其中最主要的是保幼激素和蜕皮激素。如果某些化合物对这两种激素有类似或拮抗作用，将其作用于昆虫，势必破坏昆虫体内的激素平衡，达到杀虫的目的。46昆虫生理学体壁系统6/26/2024二、作用于昆虫几丁质合成过程 表皮形成是昆虫生长发育所独有的生化过程，其中几丁质的合成是一个重要的过程。如果这个生化过程被扰乱，势必造成昆虫表皮形成受阻。因此，这个生化过程可成为一个具有高度选择性的作用靶标。1970年，具有抑制昆虫几丁质合成活性的化合物苯甲酰基苯基脲类农药被发现。1977年，第一个商品制剂除虫脲被开发出来。对苯甲酰基脲类作用机制的研究，表明这类化合物可使昆虫的表皮几丁质沉积受抑，合成过程受阻，虽具体机制不是很明确，但已证实对几丁质合成酶没有直接的抑制活性。47昆虫生理学体壁系统6/26/2024三、其他作用靶标 昆虫体内合成蜕皮激素所需的甾醇的原料自身不能合成、转化，只能依赖于食物源。因此，由食物中摄取甾醇的过程或将其转化为基础代谢物的酶，有可能成为杀灭害虫的靶标。昆虫体内的神经肽是一类功能最多，变化最大的小型调节分子。作为神经激素或神经传导体，在昆虫体内控制着几乎所有的功能，如生长发育、交配、产卵、物质代谢等。这些神经肽，或者这些肽类形成或降解过程所需的酶，都可成为攻击靶标，从而开发出新型杀虫剂。48昆虫生理学体壁系统6/26/2024第七节第七节 分子生物学技术在昆虫表皮分子生物学技术在昆虫表皮中的研究中的研究49昆虫生理学体壁系统6/26/2024 几丁质合成通路几丁质通路中包括：几丁质通路中包括：海藻糖酶（海藻糖合成酶）海藻糖酶（海藻糖合成酶）,己糖激酶己糖激酶,葡萄糖葡萄糖-6-磷酸异磷酸异构酶构酶,果糖果糖-6-磷酸转氨酶磷酸转氨酶,葡葡糖胺糖胺-6磷酸磷酸-N-乙酰转氨酶乙酰转氨酶,磷乙酰氨基葡萄糖变位酶磷乙酰氨基葡萄糖变位酶,UDP-N-乙酰葡糖胺焦磷酸化乙酰葡糖胺焦磷酸化酶和酶和 几丁质合成酶。几丁质合成酶。几丁质在昆虫中的生物合成几丁质在昆虫中的生物合成(Kramer et al.,1986;Cohen,2001)实例150昆虫生理学体壁系统6/26/2024几丁质酶及几丁质的循环利用N 乙酰氨基葡萄糖-6-磷酸51昆虫生理学体壁系统6/26/2024甜菜夜蛾（Spodoptera exigua）52昆虫生理学体壁系统6/26/2024Abnormal phenotypes(Chen et al,2008)Most abnormal larvae were unable to molt to the next larval stage(c),a small number of siRNA-injected larvae molted to the next instar(d),but they were smaller in size compared with no injection(a)or buffer injection(b).53昆虫生理学体壁系统6/26/2024RNAi后昆虫表皮几丁质结构的变化54昆虫生理学体壁系统6/26/2024RNAi后昆虫气管形状的变化55昆虫生理学体壁系统6/26/2024Lethal Phenotypes induced by dsRNA for TcCHSAThe injection of TcCHSA dsRNA disrupted all three types of molts;larval-larval,larval-pupal and pupal-adult molts CHS1CHS1CHS1Buffer+PILLL+LLP+PPABufferBuffer(Arakane et al,2005)56昆虫生理学体壁系统6/26/2024RNAi后的甜菜夜蛾表型RNAiRNAiRNAiCKCK2mm0.4mm57昆虫生理学体壁系统6/26/2024dsRNA(250)：exocuticle ：endocuticle PM of midgut scale bar:50m58昆虫生理学体壁系统6/26/2024Yang Q.,et al.The FEBS Journal,2008)SubstratesRelative activity(%)MU-GlcNAc100MU-GalNAc75.9MU-GlcNAc-SO4-0.703pNP-D-GlcNAc96.4pNP-D-GlcNAc84.9GnGn-PAn.d.(GlcNAc)2-6123LiuT.,etal.ProteinExpr.Purif,2009玉米螟玉米螟几丁质外切酶几丁质外切酶OfHex1OfHex1专一性地参与几丁质的降解专一性地参与几丁质的降解RNAi of OfHex1实例259昆虫生理学体壁系统6/26/2024Vorgias CE group.Nat.Structural Biol.1996细菌（银色）人(金色)Mark B.L.,et al.J.Mol.Biol.2003发现昆虫Hex酶不同于人Hex酶的特有结构OfHex1Substratekcat/Km(s-1)WT4MU-GlcNAc4063V327F4MU-GlcNAc2700W490A4MU-GlcNAc1676WT(GlcNAc)23428V327G(GlcNAc)22675W490A(GlcNAc)2239.8W448A4MU-GlcNAc2.103W448F4MU-GlcNAc3.805H433A4MU-GlcNAc3.295E328A4MU-GlcNAc3708E328Q4MU-GlcNAc3324Liu T,et al.Journal of Biological Chemistry.201160昆虫生理学体壁系统6/26/2024发现：单个氨基酸残基决定昆虫酶与细菌酶间发现：单个氨基酸残基决定昆虫酶与细菌酶间物种差异物种差异OfHex1 vs OfHex1 vs SpHexSpHex细菌也含有细菌也含有几丁质降解几丁质降解Hex酶酶!Liu T.,et al.Biochemical Journal.2011PUGNAc野生型突变体61昆虫生理学体壁系统6/26/202462OfHex1作用靶点与小分子抑制剂设计Yang Y,et al.Chembiochem.201162昆虫生理学体壁系统6/26/2024思考题1.昆虫的体壁具有哪些成分？2.昆虫的体壁具有哪些结构？3.昆虫的体壁具有哪些功能？4.昆虫的蜕皮是如何被调控的？5.如何利用害虫体壁的特性对害虫进行防治？63昆虫生理学体壁系统6/26/2024