3.8: 果蝇的发育和生殖

黑腹果蝇，在研究开发和繁殖中被广泛用作模式生物。果蝇在一个称为生命周期的过程中经历几个发育阶段，每个阶段都为发育研究提供了一个独特的平台。在本视频中，我们将介绍果蝇发育和繁殖的基础知识，包括如何建立遗传杂交，并讨论如何应用这项研究来了解从伤口愈合到行为的过程。

首先，让我们讨论一下果蝇的生命周期。 果蝇经历 4 个主要发育阶段：胚胎、幼虫、蛹和成虫。

胚胎是一个受精卵，长约 0.5 毫米，呈椭圆形。 受精后，胚胎立即经历快速有丝分裂而没有生长。合子核经历九轮核分裂，但不发生胞质分裂，形成称为合胞体胚层的多核细胞。 由于合胞体胚层中的所有细胞核共享一个共同的细胞质，因此蛋白质可以自由扩散，形成形态发生梯度，这对于建立果蝇中单个器官和组织的身体计划和模式很重要。 第 10 次核分裂后，细胞核迁移到合胞体胚层的外围。在受精后约 3 小时进行第 13 轮核分裂后，合体胚层中的 6000 个细胞核变得个体化，形成细胞胚层。细胞胚层包含单层细胞，并在称为原肠胚形成的过程中转化为复杂的多层结构。在原肠胚形成过程中，细胞形状的变化驱动单层内陷，最终形成内胚层、中胚层和外胚层胚层。内胚层产生肠道，中胚层产生肌肉和心脏，外胚层产生表皮和中枢神经系统。24 小时后，胚胎孵化为幼虫。

幼虫是白色的，有蠕虫状的分节体。它们在湿食物中爬来爬去，不断进食，导致快速生长。幼虫经历三个阶段：第一龄 24 小时，第二龄再 24 小时，第三龄 48 小时。 蜕皮发生在每个阶段之间。当准备好化蛹时，第三龄幼虫离开食物来源并附着在坚固的表面上，例如小瓶的侧面。

蛹是不动的，最初是柔软的白色，但最终变硬并变成棕色。 在四天内，幼虫组织退化并形成成虫组织。 羽化标志着蛹期的结束，苍蝇以成虫的形式出现。

羽化后 8 小时，成虫开始接受性并开始交配，重新开始生命周期。

完整的生命周期大约需要 10 天，在 25 ？C，但它会受到温度的影响。例如，在 18 ？C 生命周期约为 19 天，在 29 ？C，生命周期只有 7 天。

在整个发育过程中，对模式形成的仔细遗传调控建立了身体计划并指定了单个组织和器官。 重要的是，前后轴的建立定义了生物体的头到尾方向，并受几组基因的调节。

首先，母体效应基因在卵母细胞中提供并从雌性遗传。 它们在合体胚层中对于最初建立胚胎的前部和后部很重要。特别是，bicoid 基因定义了胚胎的前部，包括头部和胸部，而 nanos 基因定义了后部，包括腹部。

其次，受母源效应基因调控的分割基因包括间隙基因和配对规则基因。 Gap 基因通过广泛细分胚胎来沿前后轴建立分段的身体计划。配对规则基因以垂直于前后轴的条纹图案表达，进一步将胚胎分成更小的片段。然后，片段极性基因（例如 engrailed）开始在每个片段内建立细胞命运。

最后，同源基因负责定义特定的解剖结构，例如翅膀和腿。有趣的是，基因在染色体上的顺序反映了它们如何沿前后轴表达。

果蝇是极其肥沃的生物，一生可以产生数千个后代。 雌性每天产下数百个卵，并在交配后继续使卵受精。

果蝇也是性二态性生物，这意味着雌性在表型上与雄性不同。 特别是，雄性比雌性小，外生殖器颜色较深，下腹部有较多的黑色色素。 雄性的前腿上也有一块称为性梳的刷毛，用于在交配期间咬住雌性。这些明显的表型差异使得区分雄性和雌性变得非常容易，这在建立遗传杂交时特别有用。

与果蝇建立杂交是研究遗传学的有用技术。 所以让我们开始吧！

建立杂交的第一步是收集所需基因型的处女雌性，这样您就可以准确控制她将与哪只雄配。 果蝇在羽化后的前 8 小时内无法交配，因此收集非常年轻的成年人可以保证童贞。 要收集新封闭的雌性，请将小瓶清理到太平间以去除所有成虫。 每 3-4 小时检查小瓶中是否有新封闭的成虫，并将雌性收集在没有任何雄性的新小瓶中，直到准备好使用。处女雌性通过它们非常浅的体色和腹部的黑点来识别，称为胎粪。

当准备好开始杂交时，将 4-6 只雄性与 4-6 只所需基因型的处女雌性混合在一个过时的食品小瓶中，并储存在 25？C 和 60% 的湿度。 3-4 天后，幼虫会出现，父母应转移到新的小瓶中，防止父母与后代交配。 大约 10 天后，新的后代会出现，并且可以检查他们的表型。

果蝇研究人员使用的一种工具是平衡染色体，它可以防止基因重组并包含遗传标记，例如卷曲的翅膀，这些标记可用于确定果蝇的正确基因型。 如果你想要两种不同突变的杂合子果蝇，你可以将突变 #1 在平衡染色体 CyO 上的原种杂交到另一个突变 #2 也在 CyO 上平衡的原种。 任何没有卷曲翅膀的后代都是这两种突变的杂合子。

果蝇研究中另一种常用的工具是 UAS-GAL4 系统，它允许研究人员在特定组织中表达或敲低基因。GAL4 是一种由组织特异性启动子驱动的酵母转录因子，UAS 是上游激活序列，它控制着目标基因的表达。当您将具有组织特异性 GAL4 转基因的果蝇与具有 UAS 转基因且您的目标基因直接位于下游的果蝇杂交时，GAL4 蛋白会结合 UAS 并驱动所需基因的表达。 例如，UAS-GFP 与对蛹翼盘具有特异性的 apterous-GAL4 杂交，在这些细胞中特异性表达 GFP。

有许多应用程序可用于研究果蝇的发育和繁殖。一个应用是行为分析——特别是求偶行为。 在求偶过程中，雄性将自己指向雌性并跟随她，同时用前腿敲击她。 如果雌性愿意接受，她会让雄性骑上她。 雄性卷曲腹部并将转移到雌性体内，这一过程称为交配。对各种突变体中这些求偶行为的分析可以深入了解行为的遗传控制

果蝇发育是一个极其动态的过程，包括许多细胞运动和形状变化，可以通过实时成像进行研究。 例如，胚胎发生过程中的背侧闭合是指上皮中的间隙以拉链状方式闭合，涉及多种细胞类型的协调。发育过程中的背侧闭合通常用作研究伤口闭合的模型，这可能具有临床意义。

用于了解果蝇发育过程中过程的第三个应用是 RNA 干扰，它敲低单个基因的活性，可用于大规模反向遗传筛选。 例如，可以将 dsRNA 注射到胚胎中，并且可以评估基因敲低对器官发育的影响。 在这里，RNA 干扰揭示了气管发育过程中对融合很重要的基因。

您刚刚观看了 JoVE 对黑腹果蝇繁殖和发育的介绍。 在本视频中，我们回顾了：果蝇的生命周期，包括有关每个发育阶段的详细信息。 我们还学会了如何利用果蝇的繁殖能力来研究遗传学并建立杂交。最后，我们了解了果蝇的发育和繁殖如何有助于理解复杂的过程，例如行为、伤口闭合和器官发育。