《Tissue and Cell》：Sperm morphology and ultrastructure in four species of ground beetles (Insects-Carabidae)
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步甲科昆虫精子形态多样，存在游离型和聚合型，但其结构与演化关系尚不明确。本研究利用透射电镜与荧光显微技术，对Paussinae、Trechinae和Harpalinae四个物种的精子超微结构进行了系统分析，揭示了游离精子在基干部系中占优势，而具有精子柄（spermatostyle）的聚合精子是高等步甲的特征。该研究为理解步甲科精子演化、生殖适应及系统发育关系提供了重要依据。
在昆虫的隐秘世界中，繁衍后代的竞赛不仅激烈，其装备——精子本身——也展现出令人惊叹的多样性。步甲科昆虫作为陆生生态系统中一类庞大且重要的捕食者群体，其精子在离开睾丸后的旅程中呈现出两种截然不同的形态：一种是“独行侠”般的游离精子，另一种则是“团队作战”，众多精子头部嵌入一个由输精管上皮分泌的致密结构中，形成被称为“精子柄”的聚合体。这种从游离到聚合的转变究竟有何优势？不同形态的精子结构细节如何？它们又与步甲科内部复杂的演化谱系有着怎样的关联？为了解答这些问题，一项聚焦于四种代表性步甲物种精子超微结构的研究应运而生。
这项发表在《Tissue and Cell》期刊上的研究，通过高分辨率的显微技术，揭示了Paussus favieri、Tachys scutellaris、Pogonus littoralis（三者具有游离精子）和Laemostenus acutangulus（具有聚合精子）精子结构的精细特征及其潜在的功能与演化意义。研究发现，精子形态的差异并非随机，而是与物种的系统发育地位紧密相关：游离精子更常见于相对基干的类群，而具有复杂精子柄的聚合精子则可能是高等步甲（如Harpalinae亚科）的标志性特征。研究甚至提出一个大胆假设：精子聚合可能是昆虫生殖方式的祖先状态。
为了开展这项精细的形态学研究，研究人员运用了几个关键技术方法。首先是样本采集与处理，他们从意大利等多个地点采集了四种步甲雄虫的生殖系统。核心观察技术包括荧光显微术，用于对T. scutellaris的输精管和P. favieri的精子进行Hoechst 33258 DNA染色观察；以及透射电子显微术，对所有物种的睾丸、输精管和贮精囊样品进行常规超薄切片制备、铀铅双染色观察，并对P. favieri精子中的多糖成分使用了Thiéry银染法进行特异性检测。
研究结果部分通过清晰的子标题，系统地呈现了四种物种的精子结构发现：
3.1. Paussus favieri
该物种的精子为长约165 μm的游离细胞，其顶体（acrosome）呈独特的单层“马鞍形”，侧向包裹于细胞核顶端。最显著的特征是在鞭毛轴丝（axoneme）与线粒体衍生体（mitochondrial derivative）之间的轴向区域，发现了呈周期性分布（35-70 nm）的电子致密颗粒物质，Thiéry染色证实其为多糖，可能为鞭毛运动提供能量。这是步甲科中首次报道此类结构。
3.2. Tachys scutellaris
该物种也具有游离精子，其鞭毛结构常规，但附属体结构极为特殊：在横切面上，它们呈现为两层仅0.10 μm厚的电子致密薄片，紧贴在线粒体衍生体的内表面，并沿着轴丝外周微管的轮廓走行。线粒体衍生体本身形状独特，其中央部分呈现晶状结构。
3.3. Pogonus littoralis
该物种的游离精子在发育过程中展现复杂变化。其前端缺乏典型的顶体，取而代之的是一个巨大的棱柱体结构，该结构向后逐渐打开并包裹发育中的轴丝和细胞核。在成熟精子中，轴丝、线粒体衍生体和细胞核以平行排列的方式延伸于精子的后部区域。
3.4. Laemostenus acutangulus
该物种的精子以聚合形式存在，其头部嵌入长达300-400 μm的精子柄中。精子柄外围是均质的电子致密物质，用于附着精子头部；而内部区域则呈现出结晶状的蛋白质结构，由许多平行的短电子致密带构成，提示其可能含有酶蛋白。精子柄的前端由于缺乏内部致密物质，无法正确附着精子。
在归纳研究结论与讨论时，文章强调了几个核心要点。首先，通过比较分析确认了精子组织形式的多样性与其系统发育位置的关联：游离精子（如Paussinae和部分Trechinae物种）多见于基干类群，而具有精子柄的聚合精子（如Harpalinae亚科的Sphodrini族）则是高等步甲的特征。其次，研究揭示了多种前所未有的精子结构细节，如P. favieri鞭毛中的多糖颗粒、T. scutellaris的片层状附属体以及L. acutangulus精子柄内部的结晶蛋白结构，这些发现丰富了我们对精子形态适应性的认识。关于精子聚合的演化起源，作者援引了六足类近缘群——桡足纲的证据，指出其精子形成3-6个精子的聚合体，这支持了精子聚合可能是昆虫生殖祖先状态的假设。此外，精子柄内部可能存在的氨基肽酶等酶类，暗示了其在交配后帮助精子从柄上解离的重要功能。
综上所述，这项研究不仅详细描绘了四种步甲物种精子的超微结构图谱，更重要的是，它将精细的形态学观察置于演化的框架下进行解读，为理解步甲科乃至更广泛昆虫类群的生殖策略演化、精子功能适应以及系统发育关系提供了关键的形态学证据和新的思考方向。研究指出，未来需要更多的工作来厘清哪些物种拥有游离精子，哪些保留聚合精子，并利用这些独特的精子结构特征进行更深层次的比较系统学研究。
