石蛾发育过程中触角感器和脑形态学变化

《Cell and Tissue Research》：Antennal sensilla and brain morphology during development in caddisflies

　　

研究人员对石蛾（Hydropsyche pellucidula）未成熟阶段的触角和脑进行了研究，采用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察触角，采用荧光显微镜观察脑结构。幼虫触角不分节，着生两个具关节的长毛形感器（trichoid sensilla）和两个大型无关节的锥形感器（basiconic sensilla），其内部结构均具有典型的机械感受器特征。在所检查的幼虫阶段之间未检测到变化，但幼虫感器与该物种先前描述的成虫感器完全不同，成虫包括多种化学感受器（如毛形感器、伪板形感器、刺形感器chaetoid、冠状感器coronary和锥形感器styloconic sensilla）。幼虫脑解剖学的初步观察显示，中央体（central body）较小且无柱状结构，蕈形体（mushroom bodies）无蕈体冠（calyces），任何幼虫阶段均无触角叶（antennal lobes）。这种情况与蛹脑明显不同，蛹脑类似于成虫脑，表现出具有模糊扇形结构的中央体、具小型蕈体冠的蕈形体，以及含有少量但相对较大的小球（glomeruli）的结构良好的触角叶。这种剧烈变化类似于其他近缘全变态昆虫（如鳞翅目Lepidoptera）中所发生的变化，但更为显著，这可能是由于幼虫与成虫之间的生态差异所致，正如在其他水生昆虫（如蚊子）中所观察到的那样。该研究结果揭示了石蛾生物学中被忽视的方面，并可能增进对昆虫嗅觉演化的理解，因为石蛾是最重要的水生昆虫目之一，也是昆虫化学生态学关键模型系统鳞翅目的近缘类群。

石蛾（Trichoptera）俗称毛翅目昆虫，是约17,000种水生昆虫的统称，广泛分布于全球的河流、溪流和湖泊中。这些昆虫因其幼虫构建的复杂外壳作为庇护所而闻名；成虫通常在黄昏时飞行，外观似小型蛾类，体表和翅覆有细毛。幼虫因其在水生食物网中的关键作用以及对污染的一般敏感性，而成为水质监测的重要生物指示物种。尽管石蛾在分类学、环境监测和普通动物学方面已有大量研究积累，但对其感官生物学和神经解剖学等关键生物学方面的理解仍存在显著空白。触角是昆虫主要的感觉器官，着生有多种类型和分布的感受器，对昆虫行为至关重要。成虫石蛾具有显眼的触角，其长度因物种和性别而异；雄性和雌性均具有极其多样的触角感器，超过20种不同类型和亚型，其中许多发挥化学感受功能。成虫石蛾的嗅觉对于交配通讯至关重要，因为许多物种的头部和胸部腺体已证实能分泌性信息素。然而，由于幼虫终生生活于河流中，可以预期其触角上的嗅觉感器有所减少，嗅觉在其行为中的作用也相应降低，这与水生昆虫的普遍报道一致。

石蛾与鳞翅目具有密切的系统发育关系，两组之间的许多相似性已有大量文献记载。关于触角嗅觉感器，已在成虫石蛾和鳞翅目中描述了六种类型，但比较分析表明，从石蛾和原始蛾类中的板形/耳形感器向衍生鳞翅目中的毛形感器发生了转变，同时伴随0型向I型性信息素的转变。转录组数据也支持这一观点，石蛾中发现了离子型受体（IR），而信息素受体（PR）支系的气味受体（OR）和信息素结合蛋白（PBP）仅出现在使用I型信息素的衍生鳞翅目中。与鳞翅目类似，石蛾幼虫具有高度退化的触角，表现为一或两个顶端乳突。然而，虽然鳞翅目幼虫具有多种不同功能的触角嗅觉感器，但石蛾幼虫的情况尚不明确。许多物种（如流石蛾科等）缺乏触角化学感受器，但对Melampophylax mucoreus触角上的板状结构曾根据其与小海斑螟幼虫中类似结构的比较，被初步解释为可能是多孔板形感器。此外，Limnephilus centralis的触角被描述为装备有嗅觉和味觉感器。

尽管鳞翅目脑形态和功能已有广泛研究，但石蛾脑形态学研究相对匮乏。近期两项博士论文研究了Rhyacophila nubila的成虫脑：一项比较了石蛾与蛾类触角叶的小球组织结构，以寻找所谓的巨小球复合体（macroglomerular complex）；另一项探索了迁徙性蛾类的神经基础，并使用R. nubila作为外群物种。据研究人员所知，目前尚无石蛾幼虫神经解剖学数据，也未见从幼虫到成虫脑形态学发育变化的研究。这与鳞翅目以及其他水生昆虫（如双翅目、蜻蜓目和襀翅目）已有的数据形成鲜明对比。在此背景下，研究人员对石蛾未成熟阶段的触角和脑进行了研究，旨在解决以下问题：幼虫触角的感官装备是什么？触角感器的组成如何在发育过程中反映为脑结构的变化？这些变化与鳞翅目相比如何？这些特征与石蛾幼虫水生生活方式之间有何关联？

研究人员开展的研究及结论具有重要的学术意义。在材料和方法部分，研究人员于2024年1月至8月从意大利Nera河采集了H. pellucidula幼虫，并根据头宽、头长和体长等形态参数区分其5个幼虫龄期。由于较小龄期幼虫个体微小且存活时间短，研究仅使用第4和第5龄幼虫；部分幼虫在实验室条件下化蛹，作为成熟蛹（pharate imago，羽化前成虫）用于神经解剖学观察。在触角研究中，研究人员采用扫描电子显微镜描述触角及其感器的发育，对第4和第5龄幼虫头部进行固定、脱水、干燥和镀铬处理后，使用场发射扫描电子显微镜进行观察；同时采用透射电子显微镜观察6个触角的内部超微结构，通过固定、后固定、包埋和超薄切片，在透射电子显微镜下观察感器的神经支配情况。在脑形态学研究中，研究人员利用针对果蝇突触结合蛋白1（synapsin 1）的单克隆抗体进行免疫组织化学染色，通过荧光显微镜和共聚焦显微镜获取图像，并使用Amira软件进行三维重建，以可视化和定性描述脑形态。

在幼虫触角形态和感器方面，H. pellucidula幼虫触角在头部背视图中不可见，但从前视和侧视可辨认；每个触角不分节、高度退化，位于眼点（stemmata）和上颚基部之间的腹侧外缘。触角窝（torulus）表现为直径约50微米的基础膨大，着生两根细长的具关节毛，基部宽约5微米、长150至180微米，具有明显窝座（socket）；此外还有两个大型锥形感器，无关节座，表面无可见孔。透射电子显微镜超薄切片显示，毛形感器和锥形感器均由单个神经元支配，周围有明显树突鞘（dendritic sheath），神经元以发达的管状小体（tubular body）为特征，通过悬纤维（suspension fibres）与角质层相连，这是典型的机械感受器结构特征。在第4和第5龄幼虫之间未发现相关差异。

在幼虫和蛹的脑形态方面，由于解剖困难，研究人员仅获得少量完整的幼虫脑标本，且神经纤维网（neuropil）结构在光学切片中不太清晰。在获得的少数幼虫脑标本中，可清晰辨认出小型中央体，但柱状结构不明显；蕈形体由蕈体柄（peduncle）以及腹叶（vertical lobe）和中叶（medial lobe）组成，但未能识别蕈体冠；小的略椭圆形视叶（optic lobes）似乎由视网膜层板（lamina）、视觉髓（medulla）和视小叶（lobula）组成；任何标本中均未识别出触角叶和触角神经。相比之下，蛹脑易于解剖，神经纤维网结构在光学切片中清晰可见。蛹脑强烈类似于成虫脑结构，前脑包含发达的视叶以及具有模糊扇形结构的中央体，蕈形体具有蕈体柄和小型蕈体冠以及中叶；后脑包含结构良好的触角叶，其中含有少量但相对较大的小球。

在讨论部分，研究人员指出幼虫触角的极度退化是所有石蛾物种的共同特征，与成虫的长触角形成鲜明对比。在所有幼虫阶段，触角由单一不分节的膨大部组成，着生相同的四种感器。两根细长毛形感器从中部伸出，具明显窝座和关节膜，由单个感觉神经元支配，树突具有发达的管状小体，这是典型的机械感受器结构特征，可能有助于运动及摄食活动。两个棒状锥形感器位于触角基部，无可见窝座或孔；其内部结构亦提示机械感受功能，由单个树突支配，被树突鞘包围并装备发达的管状小体；其较小尺寸、作为触角基部小圆顶的形状和位置、无关节座以及不规则的感器角质层，暗示其可能作为牵张和压力感受器发挥功能。由于形状所致，它们可能无法像毛形感器那样感知水流。成虫Hydropsychidae科石蛾触角在鞭节（flagellum）上着生11种机械感受器和化学感受器，与大多数石蛾触角典型感器一致，其中六种与许多鳞翅目共有；此外三种为Hydropsychidae科特有，包括T形伪板形感器、肋状伪板形感器和粗刺形感器。成虫与幼虫感器无任何相似之处，包括成虫中数量更多且更粗壮的毛形感器。这种显著差异反映了它们不同的生态角色：成虫触角在信息素通讯中起关键作用，而幼虫化学感受似乎减少，有时报道与躲避捕食相关，且主要通过口器介导。

研究人员将H. pellucidula幼虫触角与Rhyacophila fasciata进行了比较，发现两者非常相似；但与Limnephilus centralis显著不同，后者装备有嗅觉和味觉感器且呈圆柱形而非膨大型。根据Friedrich等人的研究，H. pellucidula的退化触角不代表石蛾中的"原始类型"（primitive type），而更可能是次生退化的结果，这与Frania和Wiggins提出的系统发育框架一致，即石蛾幼虫触角形态被认为是高度退化和保守的，简化、非关节结构的相关变异主要用退化和性状的保守性来解释，而非祖先状态的保留。因此，H. pellucidula中观察到的状况不太可能代表祖征（plesiomorphic condition），而是反映了石蛾目中触角退化总体趋势中的衍生状态。这支持了不同类群间触角结构的相似性应谨慎解释的观点，因为它们可能源于趋同或平行退化而非共同祖先。

在脑形态学方面，幼虫触角的强烈退化与缺乏明确嗅觉感器、以及机械感受器的明显存在相一致，与幼虫脑中触角叶的缺失相吻合。同样，在许多昆虫中被识别为嗅觉信息主要次级处理中心以及学习和记忆中心的蕈体冠，在幼虫脑中似乎也高度退化。数据显示蛹脑中出现蕈体冠，类似于小球状触角叶，可能为处理成虫发达触角传入的嗅觉信息做准备。这种情况似乎与其他水生昆虫（如蜻蜓目和襀翅目）不同，这些古老的半变态昆虫（hemimetabolous insects）在若虫和成虫阶段具有不同的嗅觉感器，但脑中神经纤维网非常相似，即相同的脑结构可能处理水中和空气中感知的信息，这符合发育可塑性（developmental plasticity）的特征，有助于在若虫阶段缺乏蛹期的情况下维持整个个体发生过程中的功能。

H. pellucidula触角和脑的观察结果与埃及伊蚊（Aedes aegypti）中的研究结果相似，后者描述了从第4龄幼虫到成虫脑神经纤维网的完全转变和显著生长，特别是在蛹期形成成虫脑特有的复杂神经纤维网，如触角叶、中央复合体（central complex）和三个视叶神经纤维网，类似于果蝇（Drosophila）。尽管石蛾幼虫与蚊子生态不同——蚊子栖息于静水并滤食腐殖质，而非生活于流水并用特化的网捕食——但两者均为全变态昆虫，在蛹期脑形态可发生剧烈变化。研究人员观察到幼虫中明显退化的神经纤维网转变为成熟蛹中发育良好的神经纤维网，与成虫中描述的基本相同。然而，这种变化在半变态昆虫中不同，如蜻蜓目和襀翅目，它们的水生若虫和陆生成虫具有相似的脑结构。

在鳞翅目中，成虫中央脑的主要神经纤维网（如小球状触角叶或具有大蕈体冠的蕈形体）在最后幼虫阶段即已存在，不同科之间以及夜行性与昼行性物种之间无重大差异。石蛾与鳞翅目脑发育之间的差异可能与石蛾幼虫的水生生活方式有关。水的密度允许振动比在大气中传播得更远，因此许多水生生物（包括昆虫）严重依赖机械感受来探测环境。与成虫不同，鳞翅目幼虫通常不使用信息素，但仍感知陆地环境中的气味以指导宿主选择和避敌等行为。相比之下，幼虫石蛾可能主要依赖机械感受来维持在河流中的适当位置并捕食移动猎物或被网捕获的颗粒。这可能就是为什么H. pellucidula幼虫触角上显示明显的机械感受器，以及为什么石蛾幼虫触角的演化趋势是向化学感受的退化。甲壳类（Crustacea）和基部昆虫中嗅觉处理回路的存在，以及弹尾纲（Collembola）和多足类Scutigera coleoptrata神经解剖学研究均显示具有小球状触角叶，表明即使在其他水生昆虫如蜻蜓目中，发育良好的嗅觉神经纤维网的缺失也可能是一种衍生状态，尽管它们在系统发育上处于有翅昆虫中的基础位置。对Limnephilus centralis等具有化学感受器的石蛾物种进行进一步的形态学和神经解剖学研究，可以更好地阐明这一方面并验证研究人员的假设。

研究人员得出的研究结论为：石蛾在发育过程中触角感觉装备和脑感觉通路发生剧烈变化。具体而言，幼虫触角显示机械感受的形态学证据，缺乏明确的嗅觉感器；而幼虫脑中主要嗅觉中枢缺失，蛹和成虫脑中则存在小球状触角叶和发育良好的蕈体冠。这与鳞翅目中发生的情况似乎不同，可能与石蛾幼虫触角敏感性的降低有关，尽管它们在系统发育上处于相对基础的位置。该论文发表于《Cell and Tissue Research》。