2021年2月23日，張傳溪教授團隊在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重構出稻飛虱納米分辨率的三維結構，揭示了其內部組織器官尤其是口器和氣管系統(tǒng)結構與功能的關系，這也是利用該技術構建的第一個完整昆蟲三維結構。
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)，并利用計算機處理技術重構了其消化、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。
張傳溪教授團隊在中央神經(jīng)系統(tǒng)中構建了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)結構，該結構可以連通身體左右兩側的氣管網(wǎng)絡。對取食的褐飛虱頭殼內的肌肉的分析表明，褐飛虱通過壓縮喙部從而使口針伸出，這個結論和以前認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構，為教學科研提供了仔細觀測該昆蟲內部結構及互相之間關系的互動課件。
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構，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部結構的納米級重建，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的復興。
浙江大學昆蟲所研究生王欣秋、浙江大學醫(yī)學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醫(yī)學院冷凍電鏡中心完成。
論文鏈接：https://elifesciences.org/articles/62875
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