2021年2月23日，張傳溪教授團(tuán)隊在eLife上在線發(fā)表了題為“Three-dimensional reconstruction of a whole insect reveals its phloem sap-sucking mechanism at nano-resolution”的研究論文，首次利用大尺度三維電鏡技術(shù)重構(gòu)出稻飛虱納米分辨率的三維結(jié)構(gòu)，揭示了其內(nèi)部組織器官尤其是口器和氣管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，這也是利用該技術(shù)構(gòu)建的第一個完整昆蟲三維結(jié)構(gòu)。
稻飛虱屬于半翅目，是最具毀滅性的水稻害蟲。褐飛虱群體每年從中南半島遷飛至我國，韓國，日本等地，對農(nóng)業(yè)造成巨大的損失。團(tuán)隊收集了長600微米的褐飛虱若蟲完整的三維電鏡數(shù)據(jù)，并利用計算機(jī)處理技術(shù)重構(gòu)了其消化、神經(jīng)、呼吸等生理系統(tǒng)并解析了取食過程中口器刺入植物的過程。
張傳溪教授團(tuán)隊在中央神經(jīng)系統(tǒng)中構(gòu)建了24個神經(jīng)纖維網(wǎng)；在消化系統(tǒng)等組織中發(fā)現(xiàn)了四種不同的共生菌，其中含真菌共生菌的菌胞是單個細(xì)胞，但占據(jù)了腹部22%的體積。在唾液腺中發(fā)現(xiàn)了包括副腺在內(nèi)的10種腺體；在氣管中發(fā)現(xiàn)了類似交通環(huán)島的四通環(huán)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以連通身體左右兩側(cè)的氣管網(wǎng)絡(luò)。對取食的褐飛虱頭殼內(nèi)的肌肉的分析表明，褐飛虱通過壓縮喙部從而使口針伸出，這個結(jié)論和以前認(rèn)為的由肌肉直接控制口針刺入植物大相徑庭。
論文還提供了一份非常有用的Interactive 3D pdf 文件，讀者可以任意放大縮小和從不同角度觀察感興趣組織的三維結(jié)構(gòu)，為教學(xué)科研提供了仔細(xì)觀測該昆蟲內(nèi)部結(jié)構(gòu)及互相之間關(guān)系的互動課件。
編輯評論指出，半翅目昆蟲包括傳播美洲錐蟲病的獵蝽以及傳播植物病毒的蚜蟲等，都具有專門用于吸食液態(tài)食物的口器，這篇文章的作者使用電子顯微鏡重建了這些微小的口器結(jié)構(gòu)，并展示出了形態(tài)和功能的匹配，對所有對動物形態(tài)和進(jìn)化感興趣的人來說，這是一篇引人入勝的優(yōu)秀研究；同時指出這一首次昆蟲內(nèi)部結(jié)構(gòu)的納米級重建，對于教科書來說非常有用，并且有助于推動如今個體水平上的基本生物學(xué)的復(fù)興。
浙江大學(xué)昆蟲所研究生王欣秋、浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院冷凍電鏡中心工程師郭建勝為該研究的共同第一作者，張傳溪教授為通訊作者。浙江大學(xué)昆蟲研究所博士后李丹婷等參與了研究。該研究的三維電鏡數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理工作全部在浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院冷凍電鏡中心完成。
論文鏈接：https://elifesciences.org/articles/62875
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