王榮華,孟麗峰,魏俏紅,李建科

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蜜蜂研究所,北京 100091)

蜜蜂是一種典型的資源昆蟲，隸屬于膜翅目(Hymenoptera)蜜蜂科(Apidae)蜜蜂屬Apis。蜜蜂養(yǎng)殖所帶來的各類蜂產(chǎn)品既具較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，又能對人類健康發(fā)揮重要作用。同時(shí)，蜜蜂在農(nóng)作物增產(chǎn)和生態(tài)系統(tǒng)的維護(hù)中發(fā)揮著重要作用，產(chǎn)生的生態(tài)價(jià)值令人矚目。蜜蜂作為開花植物的關(guān)鍵傳粉者，世界上主要農(nóng)作物的85%都依賴于蜜蜂等昆蟲授粉(Kleinetal.,2007)。在美國，受益于蜜蜂授粉的農(nóng)作物產(chǎn)值超過總量的30%(Robinsonetal.,1989)，蜜蜂授粉所產(chǎn)生的價(jià)值是其蜂產(chǎn)品價(jià)值的143倍(Levin,1983)。然而，在日益嚴(yán)重的環(huán)境污染、寄生蟲和病原體等不利因素的影響下蜂群的生存受到了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，這對環(huán)境穩(wěn)態(tài)而言是一個(gè)不容忽視的威脅(van Engelsdorpetal.,2009)。為了應(yīng)對這種擔(dān)憂，科學(xué)家正在對其關(guān)鍵器官和組織展開研究，脂肪體正是其中之一。

脂肪體(fat body)存在于昆蟲及如蛙類和蟾蜍類等的多數(shù)兩棲類動物體內(nèi)(朱玉芳,2001)，昆蟲脂肪體是一種結(jié)構(gòu)相對簡單，但生理功能非常復(fù)雜的組織。脂肪體在昆蟲能量儲存和利用中起著關(guān)鍵作用，它是營養(yǎng)物質(zhì)的中央儲存庫，兼具生物合成和分解代謝活性(Law and Wells,1989)。脂肪體合成大部分血淋巴蛋白和循環(huán)代謝物。大多數(shù)昆蟲的中間代謝發(fā)生在脂肪體中，包括脂肪和碳水化合物的代謝、蛋白質(zhì)的合成以及氨基酸和氮的代謝。所有有機(jī)體都具備感知營養(yǎng)儲備的生理系統(tǒng)，在昆蟲體內(nèi)營養(yǎng)感知的任務(wù)主要由脂肪體承擔(dān)(Mirth and Riddiford,2007)。脂肪體是昆蟲體內(nèi)激素的重要靶器官，在激素和營養(yǎng)信號的整合中起著核心作用，監(jiān)測和響應(yīng)昆蟲在不同發(fā)育階段和不同環(huán)境條件下的生理需求，通過儲存或釋放生理活動所必需的物質(zhì)和能量來協(xié)調(diào)昆蟲的生長、滯育、體型、壽命、生物鐘、取食行為和求偶行為(G?de,2004;Schooleyetal.,2005)。脂肪體還能組織產(chǎn)生抗菌蛋白和多肽(Hoshizaki,2005;Ferrandonetal.,2007)并能以尿酸的形式排泄蜜蜂代謝過程中產(chǎn)生的氮(Keeley,1985)。此外，脂肪體內(nèi)的多功能氧化酶還能發(fā)揮解毒功能(Enayatietal.,2005)。

因此，脂肪體已經(jīng)成為研究代謝紊亂、免疫疾病和衰老機(jī)制的一個(gè)重要器官模型(Hsieh and Hsu,2011;Lietal.,2019)。本文對昆蟲脂肪體的形態(tài)和功能的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，重點(diǎn)對蜜蜂脂肪體的形態(tài)及細(xì)胞組成、功能和作用等相關(guān)研究進(jìn)行了歸納總結(jié)，以期為蜜蜂脂肪體的深入研究提供參考信息及一些新的思路。

1 脂肪體形態(tài)和細(xì)胞組成

1.1 脂肪體形態(tài)

昆蟲脂肪體的功能與脊椎動物的肝臟十分類似，但又與肝臟固體的結(jié)構(gòu)不同，它是一個(gè)動態(tài)、松散的組織(Law and Wells,1989)。脂肪體分布于昆蟲腹部、胸部甚至頭部腔體內(nèi)，但位于腸道、馬氏管和性腺附近的脂肪體最為發(fā)達(dá)(Deanetal.,1985)。如圖1所示，脂肪體細(xì)胞來源于胚胎祖細(xì)胞，在胚胎發(fā)育過程中，這些細(xì)胞經(jīng)歷有絲分裂、分化和復(fù)制形成脂肪體組織(Edgar and Orr-Weaver,2001)。在幼蟲期，脂肪體細(xì)胞攝取并儲存了脂質(zhì)、糖原和蛋白質(zhì)等大量養(yǎng)分。變態(tài)過程中，脂肪體在形狀、大小和功能上都會發(fā)生劇烈的變化，重新形成成蟲脂肪體，這一過程被稱為脂肪體重塑，包括自噬、凋亡和細(xì)胞解離過程，受激素和營養(yǎng)信號調(diào)節(jié)(Haunerland and Shirk,1995)。脂肪體重塑過程動員儲存在幼蟲脂肪體組織中的脂質(zhì)和蛋白質(zhì)，支持全變態(tài)昆蟲成蟲的生長和發(fā)育(Aguilaetal.,2007;Zhengetal.,2016)。成蟲的脂肪體組織可以由剩余的幼蟲脂肪體細(xì)胞重塑，也可以由成蟲祖細(xì)胞重建(Lietal.,2019)。成蟲脂肪體合成的卵黃原蛋白對蜂王的繁殖極為重要并與蜜蜂的社會行為緊密相關(guān)(Nilsenetal.,2011;Royetal.,2018)。此外，蜜蜂成蟲脂肪體內(nèi)存在的磁性氧化鐵微粒很可能是機(jī)體的磁場感受器(Kuterbachetal.,1982)。

圖1 蜜蜂脂肪體的發(fā)育和功能(仿Li等,2019)Fig.1 Development and function of honeybee fat body (adapted from Li et al.,2019)

昆蟲脂肪體包括外周脂肪體(peripheral fat body/subcuticular fat body)和圍臟脂肪體(perivisceral fat body/visceral fat body)兩種類型。前者緊鄰體壁下方，因此又稱皮下脂肪體，后者包圍消化道，占據(jù)體腔的大部分空間，因此又稱體腔脂肪體。圍臟脂肪體具有生物合成機(jī)能，而外周脂肪體則更多地承擔(dān)物質(zhì)貯備的職能(Romaetal.,2008)。較圍臟脂肪體而言，外周脂肪體結(jié)構(gòu)緊湊，這種脂肪體細(xì)胞的緊密排列有利于細(xì)胞間的物質(zhì)交流和信號傳輸(de Oliveira and Cruz-Landim,2003)。通常情況下脂肪體浸于血淋巴中，最大程度地與血淋巴接觸。隨時(shí)獲取血淋巴對于昆蟲及時(shí)地適應(yīng)能量循環(huán)中物質(zhì)濃度的變化來說是至關(guān)重要的，這在極端能量需求的情況下尤其關(guān)鍵(Keeley,1985)。血淋巴和脂肪體細(xì)胞之間緊密接觸的布置造就了一個(gè)非常適合昆蟲的獨(dú)特生理系統(tǒng)。

1.2 脂肪體的細(xì)胞組成

蜜蜂脂肪體中常見3種細(xì)胞：營養(yǎng)細(xì)胞(trophocyte)、尿酸鹽細(xì)胞(urocyte)和絳色細(xì)胞(oenocyte)。尿酸鹽細(xì)胞由營養(yǎng)細(xì)胞分化而來，這種分化不僅取決于脂肪體細(xì)胞的定位和功能，而且還隨著昆蟲的發(fā)育而變化(Deanetal.,1985;Haunerland and Shirk,1995)。

1.2.1營養(yǎng)細(xì)胞：營養(yǎng)細(xì)胞是在昆蟲脂肪體中占數(shù)量優(yōu)勢的細(xì)胞，由中胚層發(fā)育而來，也是許多昆蟲脂肪體的唯一細(xì)胞，因此營養(yǎng)細(xì)胞又稱為脂肪細(xì)胞。但值得注意的是，有學(xué)者指出用脂肪這種功能簡單的代謝沉積物來描述功能多樣的營養(yǎng)細(xì)胞并不恰當(dāng)(de Oliveira and Cruz-Landim,2003)。

營養(yǎng)細(xì)胞內(nèi)存在大量脂滴(de Oliveira and Cruz-Landim,2003)，脂滴作為營養(yǎng)細(xì)胞內(nèi)特殊的細(xì)胞器，不僅是被動的脂類儲存庫，而且在能量代謝中起著關(guān)鍵作用(Olofssonetal.,2009)。營養(yǎng)細(xì)胞含有大量的脂肪、蛋白質(zhì)和糖原等顆粒，它們都是由營養(yǎng)細(xì)胞利用血淋巴運(yùn)送來的物質(zhì)為原料合成并儲存在營養(yǎng)細(xì)胞中的，脂肪體因此得名昆蟲物質(zhì)和能量的制造工廠與儲存?zhèn)}庫。營養(yǎng)細(xì)胞之間通過橋粒連接(desmosome junction)和間隙連接(gap junction)結(jié)合在一起，形成帶狀或片狀組織。細(xì)胞質(zhì)外被覆一層由營養(yǎng)細(xì)胞產(chǎn)生的基膜(basal lamina)，成為細(xì)胞與血淋巴之間的通透性屏障(Deanetal.,1985)。

營養(yǎng)細(xì)胞的形態(tài)和作用因昆蟲發(fā)育階段的不同而不同。當(dāng)昆蟲由幼蟲期向成蟲期轉(zhuǎn)化時(shí)，脂肪體中營養(yǎng)細(xì)胞的形態(tài)也會隨之發(fā)生巨大的變化(Anand and Lorenz,2008)。蜜蜂營養(yǎng)細(xì)胞的尺寸在幼蟲期達(dá)到最大，成為體內(nèi)最大的細(xì)胞(Marxetal.,1987)。在幼蟲期末，營養(yǎng)細(xì)胞內(nèi)的大部分空間被脂滴、糖原和蛋白質(zhì)顆粒占據(jù)(Deanetal.,1985)。成蟲營養(yǎng)細(xì)胞較幼蟲而言內(nèi)質(zhì)網(wǎng)發(fā)育較好，在生物合成方面比幼蟲更活躍(Cruz-Landim,1974)。蜜蜂作為一種社會型昆蟲，蜂群中不同種性的營養(yǎng)細(xì)胞在形態(tài)和功能上也有所不同，這種差異主要由它們的生殖潛力決定(Stracheckaetal.,2021)。蜂王的脂肪體組織比工蜂發(fā)育得更好，營養(yǎng)細(xì)胞更大，液泡化程度更高，細(xì)胞核更不規(guī)則，蛋白質(zhì)合成增加(Cruz-Landim,1985;Romaetal.,2005,2006a,2006b;Stracheckaetal.,2021)，雄蜂營養(yǎng)細(xì)胞的分化程度較低(Locke,1984)。

1.2.2尿酸鹽細(xì)胞：尿酸鹽細(xì)胞由部分營養(yǎng)細(xì)胞分化而來，目前未有報(bào)道尿酸鹽細(xì)胞的分裂，常見于蜚蠊和蜂類幼蟲(蜜蜂和胡蜂)的脂肪體中。區(qū)別于營養(yǎng)細(xì)胞，尿酸鹽細(xì)胞專門儲存尿酸鹽顆粒等排泄物(Keeley,1985)，這些尿酸鹽顆粒主要是蛋白質(zhì)降解或核酸代謝產(chǎn)生的廢物(Tojoetal.,1978)。與營養(yǎng)細(xì)胞相比，尿酸鹽細(xì)胞體積較大且細(xì)胞中線粒體較少并存在大的尿酸鹽晶體顆粒(Tojoetal.1978;Locke,1984)。有研究表明，部分昆蟲尿酸鹽細(xì)胞儲存的尿酸可以在饑餓條件下啟動分解代謝，為氨基酸合成提供氮源(Mullins and Cochran,1974;Cochran,1985)。蜜蜂尿酸鹽細(xì)胞的細(xì)胞核中含有大量的染色質(zhì)，在蜜蜂幼蟲期結(jié)束到成蟲期開始的這段時(shí)間內(nèi)由于其馬氏管無法代謝廢物，尿酸鹽細(xì)胞廣泛存在于蜜蜂脂肪體中(Chobotow and Strachecka,2013)。同時(shí)，在蜜蜂生命的所有階段均存在著介于營養(yǎng)細(xì)胞和尿酸鹽細(xì)胞之間、具有中間特征的細(xì)胞，這種細(xì)胞含有一些尿酸鹽顆粒，是從血淋巴吸收到營養(yǎng)細(xì)胞中的蛋白質(zhì)代謝物(Cruz-Landim,2000)。

1.2.3絳色細(xì)胞：絳色細(xì)胞源于外胚層，是一種大型細(xì)胞，散布于營養(yǎng)細(xì)胞間，是大部分昆蟲脂肪體內(nèi)第二豐富的細(xì)胞(Skowroneketal.,2021)。蜜蜂絳色細(xì)胞的顏色通常比營養(yǎng)細(xì)胞更深，且隨著蜜蜂日齡的增長而加深(Chobotow and Strachecka,2013)。在蜜蜂工蜂中，絳色細(xì)胞的數(shù)量與營養(yǎng)細(xì)胞的數(shù)量相近，而在蜂王中，絳色細(xì)胞比營養(yǎng)細(xì)胞多；蜂王蛹的絳色細(xì)胞的直徑最小8～15 μm，最大176 μm，一般為60～100 μm(黃少康,2011)。絳色細(xì)胞內(nèi)原生質(zhì)緊密，有發(fā)育良好的光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，但無泡狀結(jié)構(gòu)。絳色細(xì)胞在脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和碳?xì)浠衔锏暮铣芍邪l(fā)揮重要作用(Lockey,1988)，還可能在昆蟲饑餓條件下進(jìn)行脂質(zhì)動員(Gutierrezetal.,2007)。

2 脂肪體的功能

脂肪體形態(tài)和功能的深入研究為拓寬其在昆蟲生命活動中的功能和作用的了解提供了助力。脂肪體最主要的功能是能量物質(zhì)的儲存和代謝。當(dāng)單糖、氨基酸和脂肪酸等營養(yǎng)物質(zhì)被中腸吸收進(jìn)入血淋巴后，在脂肪體中多酶復(fù)合體的作用下，轉(zhuǎn)換成海藻糖、糖原、脂肪、蛋白質(zhì)等儲存于脂肪體中。許多重要的蛋白質(zhì)也是在脂肪體中合成的，如載脂蛋白(apolipophorin)、卵黃原蛋白(vitellogenin,Vg)、儲存蛋白(hexamerin)、熱休克蛋白(heat shock protein)、抗菌蛋白(antibacterial protein)和抗菌肽(antimicrobial peptide)等(Feitosaetal.,2006;Cardosoetal.,2010)。脂肪體具有各種能量和物質(zhì)相互轉(zhuǎn)換的酶系，通過磷酸戊糖途徑，各種單糖經(jīng)由轉(zhuǎn)酮基和轉(zhuǎn)醛基作用轉(zhuǎn)變成葡萄糖合成糖原，或通過代謝轉(zhuǎn)換合成甘油三酯進(jìn)行儲存，也可合成海藻糖進(jìn)入血淋巴，維持血糖含量。在大量消耗糖時(shí)，脂肪體又可以通過糖異生過程，將氨基酸轉(zhuǎn)變生成必需的糖類物質(zhì)。儲存在脂肪體內(nèi)的甘油三酯在脂肪動員激素的作用下，可迅速轉(zhuǎn)化成甘油二酯釋放入血淋巴中。脂肪體內(nèi)的糖原可以被分解成葡萄糖，用于合成幾丁質(zhì)。

脂肪體作為蜜蜂重要的中間代謝器官，除了進(jìn)行結(jié)構(gòu)物質(zhì)和能源物質(zhì)的代謝外，還承擔(dān)代謝水的供應(yīng)并合成嘌呤和嘧啶(王蔭長,2004)。同時(shí)，脂肪體還參與昆蟲免疫反應(yīng)(Casteelsetal.,1993;Evans and Lopez;2004,Bianetal.,2005;Gutierrezetal.,2007)、在幼蟲期以貯存排泄的方式排出體內(nèi)代謝產(chǎn)生的廢物、通過調(diào)節(jié)血淋巴中的物質(zhì)濃度積極參與昆蟲的穩(wěn)態(tài)維持(Haunerland and Shirk,1995)。脂肪體能發(fā)揮解毒作用，有機(jī)殺蟲劑進(jìn)入蟲體后能在脂肪體內(nèi)多功能氧化酶的作用下分解，并通過馬氏管和直腸排出體外(Enayatietal.,2005)。脂肪體可以利用貯存的能量物質(zhì)生成甘油、山梨糖醇等來降低過冷卻點(diǎn)，提高昆蟲的抗寒能力(Storey and Storey,1988)。脂肪體還充當(dāng)了蜜蜂的磁場感受器，蜜蜂脂肪體細(xì)胞沉積的磁性氧化鐵微粒受地球磁場和其他電磁信號的影響(Gouldetal.,1978)。脂肪體填充在各器官之間，能防止體腔內(nèi)各器官移位以及和體壁產(chǎn)生的磨擦，對器官起到了良好的保護(hù)作用(馮麗春和沈衛(wèi)德,2015)。

2.1 脂肪體的物質(zhì)儲備和利用

脂肪體的基本功能是儲存脂肪、蛋白質(zhì)和碳水化合物，這些功能也是變態(tài)昆蟲生命活動的基礎(chǔ)。營養(yǎng)細(xì)胞不僅能從血淋巴中吸收并儲存代謝物，還能在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行營養(yǎng)物質(zhì)的合成并輸送到血淋巴。所以，脂肪體是昆蟲中間代謝的主要器官(Thomsen and Thomsen,1978;Wyatt,1980;Gutierrezetal.,2007)。幼蟲積累的能量至少要滿足變態(tài)發(fā)育時(shí)的能量消耗才能使昆蟲在變態(tài)過程中生存下來(Mirth and Riddiford,2007)，脂肪體在幼蟲攝食階段積累的能量在用于變態(tài)發(fā)育消耗的同時(shí)也為羽化后的成蟲提供能量儲備。幼蟲體內(nèi)儲存的營養(yǎng)對成蟲后的生活有重要影響，幼蟲時(shí)儲能較少會導(dǎo)致羽化后的成蟲繁殖力下降(Briegel,1990)。

意大利蜜蜂Apismelliferaligustica幼蟲階段蟲體生長旺盛，脂肪體細(xì)胞數(shù)量快速增加，在幼蟲2-3日齡時(shí)出現(xiàn)一個(gè)峰值，至蛹發(fā)育的第3天時(shí)趨于穩(wěn)定；同時(shí)，幼蟲階段脂肪體細(xì)胞的體積增大了約2倍，期間脂肪體細(xì)胞中間代謝活躍，儲存蛋白質(zhì)、脂類、糖原等化合物為變態(tài)發(fā)育做準(zhǔn)備(李兆英,2013)，這些特點(diǎn)同其他膜翅目(Romaetal.,2008)以及雙翅目(Scottetal.,2004)昆蟲類似，此時(shí)的脂肪體為接下來的幼蟲發(fā)育儲備了充足的物質(zhì)和能量。開始化蛹時(shí)，營養(yǎng)細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)顆粒急劇増長，充滿細(xì)胞；蛹期時(shí)脂肪體細(xì)胞的胞膜破裂，將蛋白質(zhì)和糖原釋放到血淋巴中，為迅速生長的蜂蛹提供營養(yǎng)(馬德風(fēng),1993)。

進(jìn)入成蟲期后，脂肪體形態(tài)及營養(yǎng)物質(zhì)的存量隨蜜蜂勞動分工和季節(jié)的變化而變化。蜜蜂營養(yǎng)細(xì)胞中的蛋白質(zhì)是合成幼蟲飼糧蜂王漿的原料，從事哺育工作的青年工蜂脂肪體細(xì)胞充滿脂肪，蛋白質(zhì)貯存極少；隨著日齡的增長，成為采集蜂的大齡工蜂失去一半的脂肪(Toth and Robinson,2005)，脂肪體細(xì)胞中蛋白質(zhì)的含量逐漸増加，與此對應(yīng)，較外勤蜂而言內(nèi)勤蜂日常消耗更多的花粉(黃少康,2011)。同時(shí)，脂肪體脂質(zhì)儲存作用于工蜂勞動分工的轉(zhuǎn)化，脂質(zhì)儲存較少的工蜂能更早轉(zhuǎn)變?yōu)椴杉?Tothetal.,2005)。對比5,12,19和25日齡成年工蜂的營養(yǎng)細(xì)胞發(fā)現(xiàn)，5日齡的細(xì)胞橫截面積最小，12日齡的最大，19日齡(采集蜂)后逐漸下降，降至25日齡時(shí)穩(wěn)定；對比它們絳色細(xì)胞的大小，也是12日齡的最大，19和25日齡的減小(黃少康,2011)。蜜蜂在冬季的脂肪體重量、營養(yǎng)細(xì)胞大小和卵黃原蛋白產(chǎn)量高于夏季的(Koubováetal.,2021)。夏季的哺育蜂脂肪體蛋白質(zhì)含量較少且壽命只有幾十天；冬季的蜜蜂，沒有或很少飼喂幼蟲，脂肪體中蛋白質(zhì)的含量較高，壽命較長，在冬天可生活數(shù)月(馬德風(fēng),1993)。另外，工蜂與雄蜂、蜂王脂肪體中的物質(zhì)儲備也存在區(qū)別，包括不同級型間脂肪體蛋白質(zhì)種類和數(shù)量的差異(黃少康,2011)。

營養(yǎng)條件對蜜蜂脂肪體的發(fā)育起決定性作用，當(dāng)食物匱乏時(shí)，蜜蜂通過調(diào)動脂肪體內(nèi)的營養(yǎng)來維持生命活動(Kelleretal.,2005;Tothetal.,2005;Corby-Harrisetal.,2019)。早春時(shí)越冬蜂將脂肪體貯存的營養(yǎng)物質(zhì)逐漸耗盡，這時(shí)如果蜂群缺乏花粉貯備，由于蜜蜂脂肪體所含的蛋白質(zhì)極少，工蜂無法生產(chǎn)蜂王漿和飼喂幼蟲(馬德風(fēng),1993)。

昆蟲成蟲在非覓食期依靠脂肪體的能量儲備來維持生命活動，在覓食期利用食物供應(yīng)來改善其脂肪體能量儲備，尤其是在為繁殖做準(zhǔn)備的時(shí)候。卵子的發(fā)育涉及到從脂肪體到卵巢能量儲備的大規(guī)模調(diào)動，昆蟲幼蟲階段的脂肪體能量儲備對卵子的發(fā)生至關(guān)重要(Shiaoetal.,2008)。昆蟲在飛行時(shí)代謝率會增加50～100倍，大多數(shù)昆蟲飛行過程中消耗的能量由脂肪體負(fù)責(zé)補(bǔ)充(Beenakkersetal.,1984)，但蜜蜂區(qū)別于其他昆蟲，專門利用碳水化合物為飛行提供動力，這些碳水化合物來自植物中的糖分而不是脂肪體中的儲備(Suarezetal.,2005)。

2.1.1碳水化合物：碳水化合物以主要以葡萄糖聚合物，即糖原(glycogen)的形式積累，大多數(shù)昆蟲脂肪體中糖原可占干重的10%～25%，蜜蜂脂肪體內(nèi)糖原含量較高，占比33%(Chobotow and Strachecka,2013)。來源于食物中碳水化合物或氨基酸的UDP-葡萄糖在糖原合成酶的作用下合成糖原，糖原的轉(zhuǎn)化消耗了葡萄糖總量的35%(Steele,1982)。在意大利蜜蜂工蜂脂肪體中，糖原合成酶和胞液的糖原顆粒結(jié)合在一起，糖原合成在糖原顆粒上進(jìn)行(王蔭長,2004)。UDP-葡萄糖也可用于合成海藻糖，海藻糖是血淋巴中的循環(huán)糖(Thompson,2003)，當(dāng)脂肪體海藻糖達(dá)到一定濃度時(shí)其合成被抑制并轉(zhuǎn)而將UDP葡萄糖用于糖原合成(Friedman,1978)。研究發(fā)現(xiàn)，對蜜蜂微孢子蟲Nosemaapis有抗性的蜜蜂較其他蜜蜂在細(xì)胞中表現(xiàn)出更高的海藻糖水平(Romaetal.,2010)。

作為昆蟲血液淋巴中最重要的糖，糖原可根據(jù)需要輕易地降解用作糖酵解底物(Steele,1982)。同時(shí)，糖原被用來合成幾丁質(zhì)(Lockey,1988)和糖醇，糖醇能夠幫助昆蟲適應(yīng)寒冷(Storey,1997)和干旱(Watanabeetal.,2002)。成蟲脂肪體組織中，糖原的含量在很大程度上隨著昆蟲的攝食、活動和季節(jié)、生活、生理?xiàng)l件的變化而產(chǎn)生波動(Steele,1982;Keeley,1985;Timmermann and Briegel,1999;Lorenz and Anand,2004;Anand and Lorenz,2008)。在昆蟲變態(tài)發(fā)育時(shí)，糖原資源幾乎被完全利用，而羽化后的新成蟲一旦開始進(jìn)食就會重新儲存糖原(Ziegler,1991;Lorenz and Anand,2004)。

2.1.2脂質(zhì)：脂質(zhì)主要以無水甘油三酯(anhydrous triglycerides)的形式存在，由食物中的碳水化合物、脂肪酸或蛋白質(zhì)合成，是昆蟲中含量最高、貯能最多的物質(zhì)，可作為昆蟲持續(xù)需能期間的主要能源(Canavosoetal.,2001)。類似于脊椎動物組織中脂肪的生成，脂肪體內(nèi)甘油三酯 (triglyceride,TG)的直接前體是甘油二脂，甘油二脂?；D(zhuǎn)移酶(DGAT2)在脂肪酰基輔酶A(fatty acyl-CoA)的催化下使甘油二脂酯化(Athenstaedt and Daum,2006)。此過程中脂肪酸被脂肪體迅速吸收且并入甘油三酯，少量并入其他甘油和磷脂，昆蟲的發(fā)育階段和攝食情況決定了脂肪體并入脂肪酸的多寡(Lorenz,2001;Athenstaedt and Daum,2006;Pontesetal.,2008)。

脂肪體可塑性極強(qiáng)，儲存的甘油三酯通常占脂肪體干重的70%以上，通過β氧化生產(chǎn)能量(Ziegler,1991;Lorenz and Anand,2004;Athenstaedt and Daum,2006)。甘油三酯產(chǎn)生并儲存在營養(yǎng)細(xì)胞的脂滴中(Olofssonetal.,2009)，脂肪體由葡萄糖合成脂肪的能力遠(yuǎn)高于糖原合成能力，脂肪體獲得的葡萄糖有超過一半?yún)⑴c脂肪的合成，所以在昆蟲脂肪體中脂肪含量高于糖原(Arrese and Soulages,2010)。同時(shí)，甘油三酯的熱量也高于糖原，并且在氧化時(shí)產(chǎn)生約為糖原兩倍的代謝水(Downer and Matthews,1976)。脂肪儲備是昆蟲在滯育期間用來滿足其能量需求的最重要的儲備(Hahn and Denlinger,2007)，為發(fā)育中的胚胎提供能量(Ziegler and van Antwerpen,2006)，并為部分昆蟲長時(shí)間的飛行提供燃料(Beenakkersetal.,1984)。脂質(zhì)儲備對于昆蟲的其他生理功能也是必不可少的，脂肪酸是合成信息素的前體，磷脂和蠟質(zhì)的合成需要大量的脂肪酸(Lockey,1988;Stanley,2006)。膜翅目和雙翅目的幾種寄生蜂在成蟲期無法儲存脂肪，雖然這些物種以富含糖分的食物(如蜂蜜或花蜜)為食，但它們不能將多余的碳水化合物轉(zhuǎn)化為脂質(zhì)，這種特殊情況背后的生理機(jī)制尚不清楚(Visser and Ellers,2008)。

2.1.3蛋白質(zhì)：脂肪體中的部分蛋白質(zhì)顆粒源于胞飲作用，營養(yǎng)細(xì)胞選擇性地從血淋巴中吸收并存儲蛋白質(zhì)。選擇性吸收是由細(xì)胞膜表面的特定蛋白質(zhì)連接引起的，因此它們只結(jié)合有膜受體的蛋白質(zhì)(Locke,1984)。同時(shí)，脂肪體合成并分泌大量蛋白質(zhì)，例如作為氨基酸儲存庫的昆蟲貯存蛋白(Haunerland and Shirk,1995)、負(fù)責(zé)脂質(zhì)運(yùn)輸?shù)妮d脂蛋白和作用于卵子成熟的卵黃原蛋白等(Keeley,1985)。蛋白質(zhì)在取食期幼蟲脂肪體內(nèi)合成后釋放到血淋巴中，在末齡幼蟲期蛋白質(zhì)含量達(dá)到最高水平；當(dāng)昆蟲準(zhǔn)備化蛹時(shí)，脂肪體中蛋白質(zhì)合成中斷，分泌到血淋巴的蛋白質(zhì)被重吸收并以顆粒形式儲存在細(xì)胞中(Haunerlandetal.,1990)。蛻皮時(shí)，蛋白質(zhì)顆粒再次進(jìn)入血淋巴，為成蟲器官發(fā)育和新組織的形成提供蛋白質(zhì)和氨基酸(Ancsin and Wyatt,1996)。免疫蛋白也能在昆蟲脂肪體中合成，蜜蜂脂肪體合成的免疫蛋白在蜜蜂后天免疫中發(fā)揮重要作用(Fries,1988)。值得一提的是，蜜蜂能產(chǎn)生特殊的抗菌蛋白和多肽以應(yīng)對植物源性病原體(Darkin-Rattrayetal.,1996;Stracheckaetal.,2018)。

卵黃蛋白的前體卵黃原蛋白是營養(yǎng)細(xì)胞產(chǎn)生的一種重要蛋白質(zhì)，具有抗氧化和促進(jìn)免疫系統(tǒng)的正常運(yùn)作的功能。同時(shí)，卵母細(xì)胞攝取卵黃原蛋白是影響昆蟲卵子成熟的關(guān)鍵因素。卵黃原蛋白通過血液淋巴進(jìn)入發(fā)育中的卵母細(xì)胞(Haunerland and Shirk,1995)，血淋巴中的卵黃原蛋白濃度由脂肪體中卵黃原蛋白的合成速率和卵母細(xì)胞的攝入速率決定(Mazzinietal.,1989)。對于大多數(shù)社會昆蟲來說，卵黃原蛋白僅由可育的雌性產(chǎn)生。然而，在蜜蜂和螞蟻中，工蜂(工蟻)和雄蜂(雄蟻)也可以合成卵黃原蛋白(Trenczeketal.,1989)，對蜜蜂而言，卵黃原蛋白使蜂群產(chǎn)生了不同級型的社會行為。蜜蜂工蜂體內(nèi)卵黃原蛋白的含量隨季節(jié)變化，在秋季增加冬季減少(Flurietal.,1982)。但即使蜜蜂工蜂脂肪體能產(chǎn)生卵黃原蛋白，與蜂王相比也只是后者產(chǎn)生卵黃原蛋白的1/20(Engelsetal.,1990)。營養(yǎng)細(xì)胞還生產(chǎn)載脂蛋白，載脂蛋白對于昆蟲信息素和黃體激素的包裝、儲存、運(yùn)輸起著重要作用(Trowell,1992)，卵母細(xì)胞中積累的大多數(shù)脂質(zhì)由載脂蛋白從脂肪體運(yùn)送到卵巢(Ziegleretal.,2001;Ziegler and van Antwerpen,2006)。

值得注意的是，造成蜜蜂孢子蟲病的蜜蜂微孢子蟲抑制了工蜂脂肪體的發(fā)育，導(dǎo)致蜜蜂免疫蛋白無法正常合成(Fries,1988)。同時(shí)，對蜜蜂瓦螨Varroa寄生蟲病的研究指出，瓦螨攝取的主要宿主組織是蜜蜂的脂肪體，脂肪體組織的損失是造成蜂群健康狀況嚴(yán)重下降的主要原因(Ramseyetal.,2019)。

2.1.4磁性氧化鐵微粒：蜜蜂是最早在脂肪體中發(fā)現(xiàn)磁性氧化鐵(Fe3O4)微粒的昆蟲之一(Gouldetal.,1978;Kuterbachetal.,1982)，黃腰虎頭蜂Vespaformosana(Hsu,2004)中也發(fā)現(xiàn)了類似的微粒。蜜蜂脂肪體營養(yǎng)細(xì)胞磁性氧化鐵微粒積累迅速，出房5 d后就達(dá)到最高水平(Shawetal.,2018)。對于工蜂來說，含有磁性氧化鐵微粒的營養(yǎng)細(xì)胞很可能是機(jī)體的磁場感受器，在地磁的影響下作用于工蜂的出巢采集和以舞蹈為載體的信息傳遞。

2.2 脂肪體激素作用和營養(yǎng)信號整合

脂肪體在昆蟲激素和營養(yǎng)信號的整合中起著核心作用，是昆蟲發(fā)育和行為調(diào)控過程中各種激素和營養(yǎng)信號的交換中心，這些激素和營養(yǎng)信號形成了一個(gè)復(fù)雜而有效的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，用于調(diào)控昆蟲的生命活動。

2.2.1激素和營養(yǎng)信號調(diào)控脂肪體發(fā)育：脂肪體形態(tài)在昆蟲的整個(gè)生命周期中經(jīng)歷了一系列劇烈的變化，在激素和營養(yǎng)信號的調(diào)控下，脂肪體細(xì)胞在胚胎發(fā)育過程中經(jīng)歷有絲分裂，在幼蟲階段經(jīng)歷復(fù)制，在變態(tài)過程中經(jīng)歷重塑。脂肪體細(xì)胞在發(fā)育過程中的有絲分裂和復(fù)制由激素和營養(yǎng)信號協(xié)同調(diào)控(表1)。

表1 激素和營養(yǎng)信號調(diào)控昆蟲脂肪體細(xì)胞有絲分裂和復(fù)制Table 1 Hormones and nutritional signals regulate the mitosis and replication of insect fat body cells

脂肪體的重塑包括幼蟲脂肪體細(xì)胞的程序性死亡(programmed cell death,PCD)以及成蟲脂肪體組織的形成(Nelliotetal.,2006)。脂肪體細(xì)胞的程序性死亡主要有兩種類型：Ⅰ型PCD細(xì)胞凋亡(apoptosis)和Ⅱ型PCD細(xì)胞自噬(autophagy)。凋亡由caspase級聯(lián)反應(yīng)引起，導(dǎo)致脂肪體細(xì)胞結(jié)構(gòu)快速破壞(Ryoo and Baehrecke,2010)。自噬由一系列相關(guān)基因調(diào)控，產(chǎn)生了一個(gè)高度可控的自我降解過程。昆蟲化蛹過程中脂肪體的自噬由激素和營養(yǎng)信號協(xié)同調(diào)控(表2)，20-羥基蛻皮激素(20-hydroxyecdysone,20E)和保幼激素(juvenile hormone,JH)對脂肪體細(xì)胞重塑作用強(qiáng)烈(Collins,1969)。20E是雙翅目昆蟲體內(nèi)的主要調(diào)節(jié)激素，昆蟲的主要發(fā)育轉(zhuǎn)變由其引起，20E與其核受體復(fù)合物ECR/USP一起觸發(fā)caspase級聯(lián)反應(yīng)從而誘導(dǎo)細(xì)胞程序性死亡消除幼蟲組織，促進(jìn)成蟲組織的形成(Yamanakaetal.,2013)。在工蜂體內(nèi)，蛻皮激素主要由大腦合成和分泌，并在大腦和脂肪體內(nèi)轉(zhuǎn)化為20E(Yamazakietal.,2011)。JH是一種結(jié)構(gòu)獨(dú)特的倍半萜類激素，僅見于節(jié)肢動物(Gilbertetal.,1996)。JH對蜜蜂意義重大，在蜜蜂的生長發(fā)育、級型分化及壽命等方面具有顯著的調(diào)控作用(Hartfelder and Engels,1998)。JH控制營養(yǎng)細(xì)胞中蛋白質(zhì)顆粒的存在，在變態(tài)期間，保幼激素和它的類似物保幼激素Ⅰ(JH-I)引起營養(yǎng)細(xì)胞的液泡化和變態(tài)的加速(Engelmann,1976;Coubleetal.,1979;Cotton and Anstee,1991)。在蜜蜂的脂肪體自噬過程中JH濃度的增加減緩了營養(yǎng)細(xì)胞中線粒體數(shù)量的增加和高爾基體面積的減少；20E減緩了核體積的減少，誘導(dǎo)了細(xì)胞質(zhì)中空泡和蛋白質(zhì)顆粒的增加以及自噬結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)(Locke,1980)。

表2 激素和營養(yǎng)信號調(diào)控昆蟲脂肪體自噬Table 2 Regulation of autophagy in insect fat body by hormones and nutritional signals

2.2.2激素和營養(yǎng)信號調(diào)控營養(yǎng)物質(zhì)代謝：脂肪體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的合成和分解代謝受激素和營養(yǎng)信號調(diào)控(表3)。脂肪體能量動員主要受脂動激素(adipokinetic hormone,AKH)家族和胰島素樣蛋白(insulin-like/related peptides,ILPs)家族的控制。AKH在結(jié)構(gòu)和功能上與哺乳動物胰高血糖素相似，ILPs包括胰島素(insulin)和胰島素樣生長因子(insulin-like growth factor)。ILPs和AKH二者共同作用，平衡脂肪體組織中的營養(yǎng)儲存和能量動員(G?de,2004)。胰島素/胰島素樣生長因子信號(insulin/IGF signaling,IIS)和20E是通過調(diào)節(jié)生長速率和生長周期來決定昆蟲最終身體大小的兩個(gè)主要因素(Nijhout and Callier,2015)。IIS上調(diào)雷帕霉素標(biāo)靶(target of rapamycin,TOR)通路(Edgar,2006)和JH(Coronaetal.,2007)的胞內(nèi)靶點(diǎn)。另外，CREB活性調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)導(dǎo)子1(transducer of regulated CREB activity 1,TORC1)和AMP活化蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase,AMPK)是脂肪體組織中兩種主要的營養(yǎng)感受器。AMPK活性被糖饑餓誘導(dǎo)，TORC1被氨基酸和IIS激活，被AMPK抑制(Chang and Neufeld,2009)。

2.2.3激素和營養(yǎng)信號調(diào)控生殖及勞動分工：許多研究表明了激素和營養(yǎng)信號調(diào)控影響著蜜蜂表型可塑性的不同方面。脂肪體通過合成和分泌卵黃原蛋白和其他雌性生殖所需的蛋白質(zhì)調(diào)節(jié)蜜蜂生殖。所有昆蟲的雌性生殖都需要IIS和營養(yǎng)信號來誘導(dǎo)卵黃發(fā)生(Royetal.,2018)。JH 拮抗20E信號，防止中期幼蟲早熟變態(tài)(Liuetal.,2018)。胰島素信號傳導(dǎo)與調(diào)節(jié)蜜蜂的級型分化緊密相關(guān)(Wheeleretal.,2006;Pateletal.,2007)。

表3 激素和營養(yǎng)信號調(diào)控昆蟲脂肪體營養(yǎng)儲備和代謝Table 3 Regulation of nutritional reserve and metabolism in insect fat body by hormones and nutritional signals

此外，研究表明蜜蜂的脂肪體營養(yǎng)信號還能作用于蜜蜂的勞動分工。在大多數(shù)動物體內(nèi)，ILPs通常在高水平的營養(yǎng)物質(zhì)環(huán)境下產(chǎn)生(Mortonetal.,2006)。值得注意的是，在工蜂體內(nèi)，雖然儲存的營養(yǎng)物質(zhì)影響胰島素信號基因的表達(dá)，但它們的作用方向截然相反：脂質(zhì)存量較高的蜜蜂ILPs表達(dá)較低。區(qū)別于傳統(tǒng)胰島素信號通路的穩(wěn)態(tài)機(jī)制，這種相反的作用可能反映了采集蜂相對于哺育蜂脂質(zhì)儲備調(diào)節(jié)點(diǎn)的變化(Amentetal.,2008)。但是，在蜜蜂的整個(gè)生命周期中，“反向”IIS基因的表達(dá)并不是常態(tài)。在幼蟲發(fā)育過程中，營養(yǎng)和胰島素信號之間成傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系(Wheeleretal.,2006)。這些結(jié)果表明，蜜蜂胰島素信號通路的特殊變化可能是調(diào)節(jié)成年工蜂的勞動分工的因素之一。另有研究表明，采集蜂脂肪體胰島素相關(guān)轉(zhuǎn)錄物較哺育蜂上調(diào)(Coronaetal.,2007)，TOR通路能影響工蜂開始覓食的時(shí)間并具有季節(jié)依賴性(Amentetal.,2008)。JH加速了工蜂的行為成熟，促成勞動分工的轉(zhuǎn)變(Robinsonetal.,1989;Sullivanetal.,2000)，并導(dǎo)致了能量代謝和腦神經(jīng)水平上的變化(Sullivanetal.,2003;Velardeetal.,2009)。同時(shí)，蜜蜂脂肪體通過分泌卵黃原蛋白來抑制JH信號和內(nèi)勤蜂的采集行為(Amdam and Omholt,2003;Nilsenetal.,2011)。

3 小結(jié)與展望

脂肪體作為蜜蜂中間代謝的核心，在營養(yǎng)信號整合過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。當(dāng)前關(guān)于昆蟲脂肪體營養(yǎng)信號方面的研究對象主要為果蠅和家蠶等物種，蜜蜂脂肪體營養(yǎng)信號通路并未引起足夠的關(guān)注。有研究證實(shí)，蜜蜂工蜂胰島素信號通路不同于傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)機(jī)制并在蜜蜂的勞動分工中發(fā)揮作用(Amentetal.,2008)?；诖?，蜜蜂其他脂肪體激素和營養(yǎng)信號通路與果蠅、家蠶等傳統(tǒng)模式昆蟲的區(qū)別以及其可能在蜜蜂生命活動中發(fā)揮的特殊作用及機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。

脂肪體能量狀態(tài)與蜂王漿的生產(chǎn)息息相關(guān)(Corby-Harrisetal.,2019)，從脂肪體的能量儲存、動員和營養(yǎng)信號整合等角度切入可以使研究者更好地辨析脂肪體調(diào)控蜂產(chǎn)品生產(chǎn)的分子機(jī)制，并在生產(chǎn)實(shí)踐中圍繞脂肪體相關(guān)指標(biāo)選育蜂蜜、蜂王漿等高產(chǎn)性狀的良種。同時(shí)，蜜蜂在生態(tài)穩(wěn)態(tài)中的價(jià)值不容小覷。目前很多關(guān)于蜜蜂病敵害的研究顯示脂肪體在蜜蜂病理過程中發(fā)生了相應(yīng)的變化(Fries,1988;Ramseyetal.,2019)。因此，關(guān)注脂肪體在蜜蜂病理過程中的變化規(guī)律可能有助于我們加深對蜜蜂病敵害的了解，更好地進(jìn)行防治。

昆蟲體內(nèi)甘油三酯的儲存和動員在過程上的保守使得昆蟲脂肪代謝較脊椎動物簡單，對昆蟲脂肪體的研究將為研究者提高對脂肪代謝的深入了解提供優(yōu)勢，以果蠅為代表的模式生物已被用于研究肥胖等人類疾病(Bharucha,2009)。同時(shí)，脂肪體在昆蟲中間代謝、營養(yǎng)信號整合和免疫中的重要作用已經(jīng)讓研究者意識到脂肪體模型在研究代謝紊亂和免疫疾病方面的價(jià)值。蜜蜂因其快速的繁殖能力、表型可塑性、特殊的群體行為和孤雌生殖等特點(diǎn)，被科學(xué)界高度關(guān)注并作為模式生物廣泛用于社會行為學(xué)(Robinsonetal.,2005)、發(fā)育生物學(xué)(Hooveretal.,2003)、神經(jīng)生物學(xué)(Heisenberg,2003)、遺傳學(xué)(Page and Robinson,1991;Page and Peng,2001)、免疫學(xué)(Evansetal.,2006)和衰老(Amdam and Omholt,2002)等方面的研究。由此可見，蜜蜂脂肪體模型在研究脂肪代謝、代謝紊亂和免疫疾病等方面同樣具有巨大的潛力，可以擴(kuò)大我們對于昆蟲能量代謝機(jī)制的認(rèn)識，幫助回答與人類健康有關(guān)的問題。