《Arthropod Structure & Development》：The first comparison of the sperm ultrastructure of Lymexyloidea with Mordelloidea and Tenebrionoidea (Coleoptera)
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本研究针对鞘翅目Cucujiformia中Lymexyloidea、Mordelloidea和Tenebrionoidea超科间的系统发育关系争议，首次报道了筒蠹科(Elateroides dermestoides)精子超微结构，并扩展了Mordellidae和Ripiphoridae的观察。研究发现Lymexyloidea精子具独特顶体环状结构，Mordellidae精子存在鞭毛环化现象和独特的后部鞭毛结构，而Ripiphoridae精子特征存在变异。研究结果支持Mordelloidea作为Tenebrionoidea的姐妹群，为鞘翅目高级阶元系统发育提供了重要的精子形态学证据。
在昆虫分类学的宏大画卷中，鞘翅目（ Coleoptera，俗称甲虫）是物种最丰富的类群，而其中的Cucujiformia系列更是包含了众多形态各异的超科。然而，这些超科之间的演化关系，特别是Lymexyloidea（筒蠹总科）、Mordelloidea（花蚤总科，包含Mordellidae和Ripiphoridae）以及Tenebrionoidea（拟步甲总科）之间的亲缘关系，一直是昆虫系统学家争论的焦点。传统的形态学特征和日益增长的分子系统发育数据时而支持、时而质疑这些类群的单系性（即源自一个共同祖先）和彼此间的姐妹群关系。例如，Lymexyloidea的单系性以及它是否与Tenebrionoidea+ Mordelloidea构成姐妹群，不同研究给出了不同的答案。同样，Ripiphoridae（羽角甲科）在历史上的分类地位也几经变迁，曾被认为与Meloidae（芫菁科）近缘，但近期的分子和形态证据则支持其与Mordellidae（花蚤科）共同组成“ Mordelloid clade”（花蚤类群），并被提升为Mordelloidea超科。
为了解决这些悬而未决的系统发育问题，研究人员将目光投向了精子超微结构（ sperm ultrastructure）这一相对保守的形态学特征。在昆虫中，精子的形态，特别是其顶体（ acrosome，精子头部参与穿透卵膜的细胞器）、细胞核、鞭毛轴丝（ flagellar axoneme，精子尾部运动结构的微管组成）以及线粒体衍生物（ mitochondrial derivatives，为精子运动提供能量的结构）的精细结构，往往蕴含着重要的演化信息。此前的研究已经揭示，Mordelloidea和Tenebrionoidea在精子形态上存在显著差异，例如Mordellidae和Ripiphoridae通常具有非常长的精子，并在生殖囊（ germ cysts）内发生精子环化（ sperm looping），而典型的Tenebrionoidea则具有相对较短的精子。然而，关键类群Lymexyloidea的精子结构此前却从未被描述过，这限制了我们利用精子形态学数据来解析上述超科间关系的完整性。
为此，由Jan Batelka、David Mercati、Mariangela Gentile、Pietro Lupetti和Romano Dallai组成的研究团队，在《 Arthropod Structure & Development》上发表了一项开创性的研究，首次对Lymexyloidea的代表物种——筒蠹科（ Hylecoetidae）的Elateroides dermestoides进行了精子超微结构分析，并同时对Mordelloidea下的两个科（ Mordellidae和Ripiphoridae）的更多物种进行了深入研究，旨在检验Lymexyloidea与Mordelloidea+Tenebrionoidea的姐妹群关系，并评估Mordelloidea作为Tenebrionoidea姐妹群的假说。
为开展本研究，研究人员主要运用了以下关键技术方法：样本采集自捷克共和国中波希米亚地区，包括Lymexyloidea的Elateroides dermestoides、Mordellidae的Curtimorda maculosa和Conalia baudii以及Ripiphoridae的Pelecotoma fennica。核心技术为透射电子显微镜（ Transmission Electron Microscopy, TEM），用于观察精子各部分的超微结构；辅以荧光显微镜（ Fluorescence Microscopy），通过Hoechst 33258染料对精子DNA进行染色，以观察精子整体形态和细胞核。
2. 结果
2.1. Lymexyloidea - Hylecoetidae
2.1.1. E. dermestoides
研究人员发现，E. dermestoides的精子相对较短，长度约为76–80 μm。其最显著的特征是顶体结构：一个扁平的顶体在纵切面上呈圆锥形，内部有一个轴向穿孔器（ perforatorium）。在顶体中部长度约一半处，质膜下有一个意想不到的薄层电子致密环（ electron-dense ring），宽约65纳米；在顶体顶端还有一个小电子致密点。细胞核横截面呈不寻常的矩形。鞭毛轴丝具有典型的9+9+2微管模式，伴有两个相等的椭圆形线粒体衍生物和两个细长的附属体（ accessory bodies）。鞭毛末端仅剩下少量单微管。研究还观察到成束的精子鞭毛其轴丝存在顺时针和逆时针两种相反的取向。
2.2. Mordelloidea
2.2.1. Mordellidae
2.2.1.1. Curtimorda maculosa
该物种精子极长，约1100 μm。由于精子长度远超生殖囊大小，精子在囊内发生明显的环化，导致在同一生殖囊的横切面上经常能看到同一精子束的两个不同水平断面（例如一个在前部鞭毛区，另一个在后部）。精子顶体为双层圆锥形，有轴向穿孔器。细胞核成熟后电子致密。鞭毛前部轴丝为9+9+2模式，有两个椭圆形的附属体和两个不对称的球形线粒体衍生物（左侧的较大）。最独特的发现位于鞭毛后部：随着轴丝退化，线粒体衍生物消失，最终只剩下9根附属微管（ accessory tubules）嵌入在电子致密材料中，直至鞭毛末端。
2.2.1.2. Conalia baudii
该物种精子长约1170 μm，同样存在精子环化现象。其顶体在成熟精子中呈现三层结构。鞭毛前部结构与C. maculosa类似，但线粒体衍生物不对称性较小。鞭毛后部同样经历了剧烈的结构变化，最终仅剩下9根附属微管被电子致密材料包裹。与C. maculosa每个生殖囊约64个精子不同，C. baudii的生殖囊内精子数量约为45-50个，推测是由于部分精细胞在精子发生过程中退化所致。
2.3. Ripiphoridae
2.3.1. Pelecotoma fennica
该物种精子长约1200 μm，每个生殖囊内精子数量较多（约110-120个），且邻近的精子囊常融合形成更大的精子簇。与Mordellidae一样，由于精子环化，横切面常显示同一精子束的两个水平，其轴丝方向相反。顶体呈三层结构。鞭毛轴丝为9+9+2模式，伴有两个小的卵圆形附属体和两个相等的椭圆形线粒体衍生物。与Mordellidae不同，P. fennica缺乏后者那种独特的后部鞭毛结构（即仅存9根附属微管嵌入电子致密材料中）。其鞭毛末端的结构变化是渐进式的，轴丝逐渐解聚，最终在狭窄的三角形鞭毛末端仅剩下9根附属微管。
3. 讨论
本研究首次描述了Lymexyloidea代表E. dermestoides的精子超微结构，并扩展了对Mordelloidea（ Mordellidae和Ripiphoridae）的认识。E. dermestoides的短精子和独特的顶体结构（中部电子致密环和顶端小点）部分支持了Lymexyloidea作为Tenebrionoidea + Mordelloidea姐妹群的观点，但其精子缺乏Mordelloidea中普遍存在的环化现象。Mordellidae的两个物种（C. maculosa和Co. baudii）均表现出高度保守的精子模型：极长的精子、精子环化以及鞭毛后部独特的仅由9根附属微管和电子致密材料构成的结构。这一后部鞭毛结构在迄今研究过的Mordelloidea和Tenebrionoidea其他科中均未发现，是Mordellidae的一个显著共源性状（ synapomorphy）。相比之下，Ripiphoridae的P. fennica虽然在精子长度和环化现象上与Mordellidae相似，但缺乏上述独特的后部鞭毛结构，并且其每个生殖囊的精子数量更多，甚至出现囊间融合，显示出Ripiphoridae精子特征的变异性大于Mordellidae。
综上所述，精子环化现象作为Mordelloidea（包括Mordellidae和Ripiphoridae）的一个关键特征，与Tenebrionoidea（狭义）普遍存在的短精子及精子在囊内反向排列的特征形成鲜明对比，这为Mordelloidea是Tenebrionoidea姐妹群的系统发育假说提供了有力的形态学支持。同时，Mordellidae独特的鞭毛后部结构进一步确立了其在Mordelloidea内的独特性。本研究强调了精子超微结构在解决鞘翅目高阶元系统发育争议中的重要作用，并为未来结合更多类群和特征（包括化石证据）进行更全面的演化分析奠定了坚实基础。然而，鉴于Mordelloidea和Tenebrionoidea物种的巨大多样性，未来需要对更多代表类群进行精子形态学研究，以进一步检验和细化当前的结论。
