全变态昆虫非内陷型翅原基：源自长翅目(Mecoptera)的首例报道

《Evolution & Development》：Non-Invaginated Wing Primordia in Holometabolous Insects: First Report From Mecoptera

　　

本研究首次对长翅目(Mecoptera)翅原基(wing primordium)发育进行了详细的组织学描述，揭示了一种晚形成(late-forming)、非内陷(non-invaginated)的发育模式，且缺乏形态上可区分的围上皮(peripodial epithelium)。全变态昆虫(Holometabolous insects)的翅原基发育遵循两大主要模式：早形成(early-forming)与晚形成。晚形成原基是保持整合于幼虫体壁表皮内的细胞群，在各龄幼虫蜕皮期参与表皮(cuticle)分泌，仅在末龄期启动形态发生(morphogenesis)。长翅目是有关翅原基发育研究最少的全变态类群之一。研究人员利用新建立的饲养方法及组织学分析，以蝎蛉 Mavropanorpa japonica 为对象开展研究，发现：(1) 取食期幼虫无翅原基；(2) 原基约在结茧后20天作为侧片(pinacula)下方的局部表皮增厚出现；(3) 翅原基增厚与离皮(apolysis)同步启动，上皮向外延伸而无囊状内陷；(4) 所有阶段均未观察到形态分化的围上皮。研究结果表明，长翅目翅原基以外生、非内陷方式发育，且不形成明显的围上皮。本研究为全变态昆虫翅发育的异时性转变(heterochronic shifts)及演化多样性提供了新的比较视角。

论文解读：《长翅目非内陷型翅原基的首例报道》

研究背景与立项依据

全变态昆虫（Endopterygota，内翅类）的翅通常在幼虫期不外露，其原基以不同形式整合于体壁内。经典发育模式分为两类：早形成（early-forming）原基在胚胎或早龄幼虫期以内陷的成虫盘（imaginal disc）形式出现，通过围上皮（peripodial epithelium）与外侧幼虫表皮保持连续；晚形成（late-forming）原基则长期保持为普通幼虫表皮的一部分，持续分泌幼虫表皮，直到末龄或前蛹期才停止表皮分泌、启动离皮（apolysis）与形态发生。晚形成模式被较多学者视为全变态昆虫的祖先状态（plesiomorphic condition），与半变态昆虫的附肢发育更具连续性，其转换受保幼激素（JH）与蜕皮激素（ecdysteroid）调控。

长翅目（Mecoptera）是探究全变态起源与翅原基演化的重要类群，但其翅原基发育过程长期缺乏组织学实证。以往?vácha（1992）未能在 Panorpa 等类群中检测到明显翅盘，推测其为晚形成模式；而 Kristensen（1999）报道南美长翅科（Nannochoristidae）的 Nannochorista 具深内陷、具围上皮鞘的翅原基。长翅目内部系统位置（如 Nannochoristidae 是基干还是与蚤目 Siphonaptera 构成姐妹群）与翅原基形态多样性的对应关系尚未解决。加之多数长翅目幼虫难以饲养，直接观察其发育过程受限。因此，明确长翅目代表类群的翅原基时空发生模式，对理解全变态翅原基演化的极性及异时性转变至关重要。

本研究以日本蝎蛉 Mavropanorpa japonica（隶属长翅目-蝎蛉科 Panorpidae 近缘类群）为对象，由研究人员开展组织学发育时序分析，旨在回答：其翅原基是早形成内陷型还是晚形成非内陷型？有无围上皮？发生时间与形态转换节点如何？研究论文发表于《Evolution & Development》。

主要关键技术方法概括

研究人员于日本东京都八王子市采集 Mavropanorpa japonica 成体，建立实验室种群。采用改良个体饲养法（基于 Ishihara 和 Miyatake 2022 方案）：末龄幼虫单只饲养于含解冻蟋蟀的皿中，停食游荡个体转入含湿土与枯叶的皿中结茧。以结茧日为起点，在 20°C、16L:8D 下约 40 天化蛹，结茧后每 5 天取样至化蛹。取食末龄及结茧后不同天数个体，以 Kaiwa 等描述的胸节刚毛图式（chaetotaxy）定位中胸 L1、L2 侧片下方为翅原基区。组织学流程：体壁横切→Karnovsky 固定液（2% 多聚甲醛+2.5% 戊二醛）→1% 四氧化锇后固定→乙醇梯度脱水→环氧丙烷→Epon 812 包埋→1 μm 半薄切片→Azure B 染色→光学显微镜（Leica UC-7）观察。每时期取 3 个个体重复验证，统一左侧方位，重点分析中胸翅原基前视图。

研究结果

3 Results

研究人员对结茧前后各阶段中胸区域进行连续半薄横切观察：

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  取食末龄幼虫及结茧后 15 天：预设翅原基区体壁表皮平坦，与周围表皮连续，无增厚或结构分化。气管分支位于原基上皮稍内侧，原基尚未可辨。
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  结茧后 20 天：部分幼虫表皮开始与表皮（cuticle）分离，显示局部离皮；L1 侧片下方表皮细胞呈柱状局部增厚，标志原基域初现。无囊状内陷。
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  结茧后 25 天（早期）：原基上皮单层增殖，轻微向体腔方向延伸，仍无内陷袋状结构。
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  结茧后 25 天（晚期）：原基直接向腹内侧表皮内表面延伸；L1、L2 下方离皮扩展；原基伸长进入表皮内腔（原有脂肪体等组织渐退让空间）。自此时起持续见有丝分裂像。未见形态分化的围上皮。
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  结茧后 30 天（早期）：原基进一步伸长，呈“L”形；L1 腹侧表皮袋区疏松扩大；原基内腔更明显，内部分化为两层上皮。
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  结茧后 30 天（晚期）：原基继续向腹侧延伸、变细；原基内腔出现袋状小间隙。
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  结茧后 35 天（早期）：原基腹侧端伸长，末端膨大圆钝；高倍下该区核密集，提示活跃细胞活动。
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  结茧后 35 天（晚期）：原基开始折叠，表面分泌新蛹表皮，标志进入蛹转变期。

全程未观测到典型内陷成虫盘及围上皮结构；气管始终位于原基上皮稍内侧而非基底正下方。

讨论与结论总结

4 Discussion

研究人员指出，Mavropanorpa japonica 的翅原基以表皮局部增厚起步，与离皮同步启动，上皮向外（腹内侧）延伸而非内陷成盘，通过表皮内组织退让获得空间。这与早形成内陷盘不同，更接近?vácha 提出的表皮连续型原基祖先模式。围上皮并非全变态翅发育的普遍组分，可能特异地关联深内陷模式。

在长翅目内部，Nannochorista 具深内陷、围上皮鞘的翅原基（Kristensen 1999），而 Mavropanorpa 为晚形成、非内陷、无围上皮。结合分子系统将 Nannochoristidae 推为蚤类姐妹群（Tihelka et al. 2020），研究人员认为 Nannochorista 的内陷模式可能是衍生的，而 Mavropanorpa 的晚形成非内陷模式更贴近全变态基干状态。但因 Mavropanorpa 并非长翅目最基干部支，尚不能断言其为祖先性状，需更多基干类群（如雪蝎蛉科 Boreidae、挥蚊蝎蛉科 Bittacidae）比较。

研究人员还提出，虽形态发生延迟至前蛹期，但翅身份基因（如 vestigial, vg）可能更早表达，类比 Tribolium 等；未来可结合功能遗传学探究。本发育时序框架也与全变态起源中异时性—内分泌重组模型（Truman & Riddiford 1999, 2002; Truman 2019）相呼应。加之长翅目已建立亲本 RNAi 技术（Liu & Hua 2024），Mecoptera 可作为比较演化发育（Evo-Devo）中研究成虫原基、异时性及完全变态基底机制的新模型。

5 Conclusion

本研究首次提供了长翅目晚形成、外生发育翅原基的时序组织学描述。研究人员确认：离皮启动与原基初始增厚同步，可作为晚形成非内陷原基的阶段性标志；所检各期均无形态分化的围上皮。结果丰富了对内翅类翅形态发生多样性的认识，强调在长翅目基干与衍生支系间开展更广泛比较的必要性。