Hermetia illucens的幼虫和蛹期发育：发育关键节点及饥饿诱导的休眠机制

《Arthropod Structure & Development》：Larval and pupal development in Hermetia illucens: developmental checkpoints and starvation-induced dormancy

本研究揭示了黑水虻（Hermetia illucens）的发育关键体重（83 mg），低于该重量幼虫可存活并恢复发育，饥饿导致脂肪体萎缩但五天复喂后完全恢复，表明其存在代谢休眠机制，支持资源间歇性环境中的生存适应。

　　

大原勇也|前野秋辉|山川小林紀美子

静冈大学食品与营养科学学院，日本静冈县鹤冈区矢田52-1，422-8526

摘要

黑兵蝇（BSF）Hermetia illucens是一种分布于五大洲的全球性昆虫物种。其广泛的分布表明它具有很强的能力，能够适应各种生态位。然而，决定变态过程的关键发育节点、饥饿是否会导致类似休眠的状态以及其背后的结构基础仍不清楚。在这项研究中，我们描述了黑兵蝇的解剖特征、发育时间线、抗饥饿能力和发育关键节点。我们发现了一个临界重量（CW）为83毫克，超过这个重量后，幼虫会不可逆地进入变态阶段。值得注意的是，低于这个重量的幼虫能够在饥饿状态下存活数月，并在重新喂食后立即恢复生长和发育，这表明它们进入了一种由饥饿引起的静止状态。饥饿会导致脂肪体严重萎缩，而五天的重新喂食可以完全恢复脂肪体的形态，这表明在饥饿期间储存的能量被动员出来以支持生存。这些发现揭示了黑兵蝇中一种先前未被认识的类似休眠的策略，并表明这种发育可塑性有助于其在食物供应间歇性或季节性变化的环境中生存。

引言

昆虫是地球上最成功的无脊椎动物之一。有翅昆虫（Pterygota）的进化使它们能够广泛分布于各种栖息地（Misof等人，2014年）。其中，双翅目（Diptera）是生态多样性最高的类群之一，已有超过15万种被描述，几乎占据了所有陆地生态系统（Misof等人，2014年；Raguso，2020年）。双翅目的巨大多样性反映了它们利用多种栖息地的能力，为环境适应研究提供了宝贵的模型。

全变态昆虫（包括双翅目昆虫）在幼虫阶段经历系统性生长，随后通过前蛹和蛹阶段发育为成虫。达到足够的体重会导致生长减缓，并进入前蛹和蛹阶段的发育（Mirth和Riddiford，2007年）。前蛹和蛹会经历多次变态事件，包括幼虫组织的重新排列和破坏以及成虫想象细胞的分化。重要的是，从幼虫到前蛹/蛹阶段的发育转变决策过程取决于生长状态。一个例子是最小存活重量（MVW），即激活变态所需的最小幼虫体重（Mirth和Riddiford，2007年；Nijhout，1975年）。如果幼虫在达到MVW之前遭受饥饿，它将无法发育为前蛹/蛹阶段并最终死亡。一旦幼虫达到MVW，即使在饥饿条件下，变态也会开始。然而，除非幼虫达到了另一个重要的生长节点——临界重量（CW），否则发育转变会被延迟。达到CW后，幼虫即使在饥饿条件下也能按照正常时间表进行变态（Mirth和Riddiford，2007年；Nijhout和Williams，1974年）。

昆虫还能感知外部环境线索，如光周期、温度和营养可用性来调节发育时间表。一个显著的例子是休眠，这是一种可以预期在不利条件下诱导或直接由不利环境因素触发的发育暂停状态（Saunders，2020年；Short和Hahn，2023年）。预期性休眠在昆虫中被称为滞育（Short和Hahn，2023年）。各种昆虫会根据非不利环境线索来决定是否在后期进入滞育状态，即使不利条件消失，滞育状态也会持续一段时间。例如，如果Sarcophaga crassipalpis在胚胎或幼虫阶段经历了短光周期，它们会在蛹阶段进入滞育（Denlinger，2022年）。另一种由不利条件（如饥饿、脱水和低温）直接引发的休眠状态被称为静止（Saunders，2020年；Short和Hahn，2023年）。在不利条件持续期间，静止的昆虫会保持休眠状态，一旦条件改善就会立即恢复发育。不同昆虫物种之间的休眠存在和特征可能存在差异。因此，阐明休眠的存在及其机制对于理解昆虫如何调节发育停滞并响应环境变化以恢复生长至关重要。

在这项研究中，我们关注了黑兵蝇（BSF）Hermetia illucens，这是一种属于下短角亚目（Orthorrhapha: Stratiomyidae）的双翅目物种。BSF是一种全球性物种，分布于热带、亚热带和温带地区（Guilliet等人，2022年；Kaya等人，2021年；St?hls等人，2020年）。群体基因组研究表明，BSF的广泛传播是由人类活动介导的迁移以及随后在非原生地区的定殖和自然化引起的（Kaya等人，2021年；St?hls等人，2020年）。BSF幼虫可以消耗各种有机资源，如腐烂的蔬菜和水果以及动物粪便（Myers等人，2008年；Nguyen等人，2013年；Zhou等人，2013年）。十多年来，大量研究探讨了BSF的有机分解能力以及优化其生长、产卵和营养价值的方法（Rehman等人，2023年）。相比之下，BSF的发育可塑性研究较少。例如，BSF的全球分布反映了其生活史对各种生态位的适应潜力；然而，它如何响应营养可用性等环境线索进行生长和发育仍不清楚。此外，尽管有几项研究报告了进食幼虫和进食后动物的生长和发育过程（Brenda Barros-Cordeiro等人，2014年；Gligorescu等人，2019年；Kim等人，2010年；Samayoa等人，2016年），但BSF的生长和发育细节仍不清楚。在这里，我们探讨了BSF的发育时间表、生长关键节点以及对营养饥饿的响应机制。这项研究为理解BSF如何响应环境线索调节发育时间表提供了基础。

研究片段

BSF品系和培养基

我们从当地BSF生产商处获得了一个驯化的BSF菌群，并在实验室中以28–29°C的温度和12小时明暗周期条件下维持了4年。BSF饲养的详细程序在补充信息中有所总结。在成虫笼中设置纸板诱卵器的时刻被定义为卵沉积的起点。每隔12小时收集一次卵，转移到糖/玉米粉/酵母（SCY）培养基中（表S1），然后培养7天

BSF幼虫的解剖特征

BSF幼虫的身体由口器、三个胸节（T1?T3）和八个腹节（A1?A8）组成（图1A），以及内部器官，包括中枢神经系统（CNS）、唾液腺、肠道、马尔皮基管、脂肪体、气管和骨骼肌（图1B–I）。环状腺样组织位于CNS的背部（图1G）。在这项研究中，我们特别关注了脂肪体，因为它作为主要的能量储存组织，在

BSF幼虫发育的时空特征

在这项研究中，我们使用组织化学和μ-CT成像技术研究了BSF幼虫的内部形态。明确了幼虫组织的形态和空间排列，包括CNS、骨骼肌、肠道、马尔皮基管、气管和脂肪体（图1，图2）。BSF幼虫的一个显著特征是除了内脏脂肪体外还存在外围脂肪体。内脏脂肪体常见于双翅目物种，而外围脂肪体

结论

总之，这项研究阐明了BSF的生活史及其对生长和营养状态的响应（图9）。这项研究为理解BSF如何利用地球上更广泛的栖息地提供了基础。我们注意到，不同BSF菌群之间的发育关键节点和相关特性（如CW和抗饥饿能力）可能存在差异。结合遗传学、分析和生理学方法进一步研究将有助于

CRediT作者贡献声明

大原勇也：撰写——原始草稿、可视化、方法论、研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。前野秋辉：撰写——审阅与编辑、可视化、研究、正式分析、数据管理。山川小林紀美子：撰写——审阅与编辑、监督。

手稿准备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备这项工作时，作者使用了ChatGPT 5.4（OpenAI）来提高英语语言表达和可读性。使用该工具后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。

资助

这项工作得到了国家遗传学研究所联合研究与研究会议（NIG-JOINT）计划（31A2024）（资助给Y.O.）的支持。这项工作还得到了日本学术振兴会（JSPS）KAKENHI（21H02521）（资助给Y.O.）的支持。

利益冲突声明

署名的作者没有财务或其他利益冲突。

致谢

我们感谢T. Seyama对优化BSF繁殖系统的建议。