• 首 页
  • 所况介绍
    • 机构简介
    • 所长致辞
    • 现任领导
    • 历任领导
    • 学术委员会
    • 学位委员会
    • 历史沿革
    • 园区风貌
  • 机构设置
    • 直属机构
    • 科研系统
      • 黑土地保护与利用重点实验室
      • 湿地生态与环境重点实验室(学科组群)
      • 遥感与地理信息研究中心(学科组群)
      • 区域发展与环境研究中心(学科组群)
    • 管理系统
      • 党委办公室
        • 部门简介
      • 办公室
        • 部门简介
        • 制度文件
      • 科研计划处
        • 部门简介
        • 制度文件
      • 重大项目办公室
        • 部门简介
      • 人事教育处(研究生教育管理部)
        • 部门简介
        • 制度文件
      • 财务处
        • 部门简介
        • 常用信息
      • 条件保障处
        • 部门简介
        • 制度文件
      • 监督审计处
        • 部门简介
      • 农业技术中心综合办公室(含党办)
        • 部门简介
      • 农业技术中心科研计划与财务处
        • 部门简介
      • 农业技术中心人事教育处
        • 部门简介
    • 支撑系统
      • 学术期刊中心
      • 信息中心
      • 公共技术中心
    • 野外平台
      • 东北湿地观测研究网络
      • 东北农业监测网络
      • 长春净月潭遥感实验站
  • 人才建设
    • 院士
      • 院士
    • 国家基金委人才
      • 国家杰出青年基金
      • 国家优秀青年基金
    • 院级人才
      • 关键技术人才及技术支撑人才
      • 王宽诚产研人才、区域发展青年学者
      • 青年创新促进会会员
    • 部委人才
      • 农业农村部
      • 国家林草局
    • 兴土人才
      • 基础和应用基础研究类
      • 成果转化类
    • 正高级专业技术人员
      • 支撑系统
      • 管理系统
    • 副高级专业技术人员
      • 支撑系统
      • 管理系统
    • 中级专业技术人员
      • 支撑系统
      • 管理系统
    • 特别研究助理
      • 湿地生态与环境重点实验室(学科组群)
      • 大豆分子设计育种重点实验室(学科组群)
      • 黑土区农业生态研究中心(学科组群)
      • 农业资源利用研究中心(学科组群)
      • 盐碱地农业研究中心(学科组群)
      • 遥感与地理信息研究中心(学科组群)
      • 区域发展与环境研究中心(学科组群)
    • 博士后
      • 中国科学院湿地生态与环境重点实验室(学科组群)
      • 中国科学院大豆分子设计育种重点实验室(学科组群)
      • 黑土区农业生态研究中心(学科组群)
      • 农业资源利用研究中心(学科组群)
      • 盐碱地农业研究中心(学科组群)
      • 遥感与地理信息研究中心(学科组群)
      • 区域发展与环境研究中心(学科组群)
    • 表格下载
      • 流程
      • 进站
      • 中期
      • 出站
      • 其他
  • 科研成果
    • 概要
    • 获奖
    • 论文
    • 专著
    • 专利
    • 应用技术
    • 标准
  • 合作交流
    • 院地合作
    • 国际交流
  • 研究生教育
    • 概况
    • 招生信息
      • 招生简介
      • 博士招生信息
      • 博士招生目录
      • 硕士招生信息
      • 硕士招生目录
      • 推免硕士生及直博生招生信息
      • 考试大纲及参考书相
      • 硕士试题下载
    • 导师介绍
      • 博士导师
      • 学术型硕士导师
      • 专业型硕士导师
    • 研究生会
    • 管理制度
    • 表格下载
      • 招生用表格
      • 学籍用表格
      • 论文与学位用表格
      • 教师用表格
      • 毕业
      • 联合培养表格
      • 其它
  • 党群园地
  • 科学传播
    • 科普动态
    • 科普文章
    • 科普图片/视频
  • 信息公开
    • 信息公开规定
    • 信息公开指南
    • 信息公开目录
    • 依申请公开
      • 在线申请-公民
      • 在线申请-法人/其他组织
    • 信息公开年度报告
    • 信息公开联系方式
    • 预算决算
  • 新闻动态
    • 重要新闻
    • 综合新闻
    • 党群工作
    • 科研动态
    • 传媒扫描
  • 其他
    • 招聘启事
    • 通知公告
    • 学术报告
    • 联系我们
  • 重大项目管理
    • 基金项目
      • 项目一
      • 项目二
    • 973项目
      • 项目一
      • 项目二
    • 重点研发
      • 项目一
      • 项目二
      • 项目三
      • 东北典型退化湿地恢复与重建技术与示范
      • 项目五
      • 项目六
      • 项目七
      • 项目八
      • 黑土地耕地质量多尺度天空地立体监测技术与预警系统
      • 项目十
      • 黑土地农用土壤质量退化过程与阻控途径
      • 项目十二
      • 城市生物多样性提升技术与示范
      • 东北典型沼泽植物种源补给与种子萌发诱导技术与应用
      • 湿地生态系统对气候变化的响应、风险评估及生态安全调控
      • 项目十六
      • 旱作黑土地保育保护性耕作关键技术研发与示范
      • 黑土地土壤生物资源禀赋配置与生产功能协同提升技术研究与示范
      • 项目十九
      • 黑土区资源优化配置与生态景观构建关键技术
      • 东北黑土区典型除草剂高效消减与精准修复技术
    • 基础调查
      • 项目一
      • 项目二
  • 专栏
    • 文献资源
    • 分析测试部
    • 学术期刊
    • 数据中心
      • 国家地球系统科学数据中心——黑土与湿地分中心
      • 东北亚资源环境大数据中心
      • 科学数据银行中国科学院东北地理与农业生态研究所科学数据社区
  • 专题
  • 快捷通道
  • 邮箱
  • ARP
  • 内网
  • 网站地图
  • ENGLISH
  • 农业技术中心
  • 中国科学院
  • 邮箱
  • ARP
  • 内网
  • 网站地图
  • ENGLISH
  • 农业技术中心
  • 中国科学院
  • 首 页
  • 所况介绍
    • 机构简介
        中国科学院东北地理与农业生态研究所,是中国科学院设在东北地区的综合性地理学、农学、生态学、环境科学与技术研究机构和人才培养基地,于2002年由原中国科学院长春地...
      • 历任领导
      • 学术委员会
      • 学位委员会
      • 历史沿革
      • 园区风貌
      现任领导
      • 姜明

        所长

      • 王宗明

        党委书记
        副所长

      • 项尚

        纪委书记

      • 李向楠

        副所长

      • 李禄军

        副所长

      所长致辞
        中国科学院东北地理与农业生态研究所于2002年3月经中国科学院批准,由成立于1958年的中国科学院长春地理研究所和成立于1978年的中国科学院黑龙江农业现代化研究所整合组建而成,是中国科学院设立在东北地区的综合性地理学、农学、生态学、环境科学与技术研究机构和人才培养基地,2002进入中国科学院知识创新工程序列...
  • 机构设置
    • 直属机构
      • 农业技术中心
      科研系统
      • 黑土地保护与利用重点实验室
      • 湿地生态与环境重点实验室(学科组群)
      • 遥感与地理信息研究中心(学科组群)
      • 区域发展与环境研究中心(学科组群)
      管理系统
      • 党委办公室
      • 办公室
      • 科研计划处
      • 重大项目办公室
      • 人事教育处(研究生教育管理部)
      • 财务处
      • 条件保障处
      • 监督审计处
      • 农业技术中心综合办公室(含党办)
      • 农业技术中心科研计划与财务处
      • 农业技术中心人事教育处
      支撑系统
      • 信息中心
      • 学术期刊中心
      • 公共技术中心
      野外平台
      • 东北湿地观测研究网络
      • 东北农业监测网络
      • 长春净月潭遥感实验站
  • 人才建设
    • 概况
        东北地理所现有各类职工500余人,80%以上具有研究生学历。历年入选中国工程院院士1人,双聘院士7人,国家百千万、杰青、优青等国家级人才计划10余人,院级人才计划30余人。国家“973计划”、国家重点研发计划、国家科技基础性工作专项、科技基础资源调查专项、国家科技支撑计划等项目首席科学家10余人,国务院政府特殊津贴获得者60余人。
      • 院士
      • 国家基金委人才
      • 院级人才
      • 部委人才
      • 兴土人才
      • 正高级专业技术人员
      • 副高级专业技术人员
      • 中级专业技术人员
      • 特别研究助理
  • 科研成果
    • 概要
        60年的耕耘,东北地理所取得了累累的科研硕果。创建了我国湿地学科理论体系,揭示我国湿地形成与发育规律、土壤关键过程与生态功能,研发退化沼泽近自然综合恢复关键技术、湿地植被快速恢复技术和湿地苇-蟹/鱼-稻复合生态模式。阐明了黑土演化过程与驱动机制,揭示了黑土退化特征和肥力调控机理,研发了黑土地肥沃耕层构建关键技术、作物高光效新型种植模式、侵蚀黑土综合防治技术、合作研发了“梨树模式”等黑土保护与利用关键核心技术,支撑“黑土粮仓”科技会战。首次克隆了控制大豆开花期的最大位点基因E1以及控制大豆长青春期性状的经典基因J,在国际上率先建立大豆分子设计育种理论体系和最大容量的大豆突变体库;研发和...
      • 获奖
      • 论文
      • 专著
      • 专利
      • 应用技术
      • 标准
  • 合作交流
    • 院地合作
      • 吉林省水文水资源局一行调研东北地理所并签署合作协议
      • 中铁十四局集团到东北地理所开展专题调研
      • 第十届全国玉米育种大会暨中科玉科企联合体年度工作会议在海南乐东县成功召开
      • 黑龙江三江国家级自然保护区管理局党组书记、局长于小东一行调研东北地理所并签署合作协议
      • 兴安盟行政公署副盟长何伟利一行调研东北地理所
      • 东北地理所与吉林省松原市长岭县签署战略合作协议
      国际交流
      • 美国加州大学戴维斯分校William R. Horwath教授来东北地理所访问交流
      • 姜明参加地球观测组织(GEO)2023年会议周及部长级峰会
      • 中国科学院国际杰出学者Damià Barceló教授访问东北地理所
      • 姜明率团访问俄罗斯远东地区科研机构
      • 俄罗斯联邦科学水稻中心一行到东北地理所开展合作交流
      • 中美土壤学会“快速进化中的黑土地科学”研讨会在长春顺利召开
  • 研究生教育
    • 概况
        东北地理所是1978年恢复学位制度后,第一批硕士学位授予单位。现有环境科学与工程、地理学、生态学和农业资源与环境四个一级学科博士后流动站...
      • 导师介绍

      • 研究生会

      • 管理制度

      招生信息
      • 招生简介
      • 博士招生信息
      • 博士招生目录
      • 硕士招生信息
      • 硕士招生目录
      • 推免硕士生及直博生招生信息
      • 考试大纲及参考书相
      • 硕士试题下载
      表格下载
      • 招生用表格
      • 学籍用表格
      • 论文与学位用表格
      • 教师用表格
      • 毕业
      • 联合培养表格
      • 其它
  • 党群园地
  • 科学传播
    • 科普动态
      • 东北地理所举办第十九届公众科学日活动
      • 童心探科学 筑梦新时代
      • 东北地理所举办“中国科学院科学节·2022”活动
      • 东北地理所举办第十八届公众科学日系列科普活动
      • 东北地理所举办中科院第四届科学节活动
      • 东北地理所举行中科院第十七届公众科学日活动
      科普文章
      • 【科学大院】达尔文眼中“人类最值得信赖的朋友”,现在的处境有多危险?
      • 【科学大院】2022年中国新补充10343个物种,其中最多的是……
      • 【科学大院】灌木“步步入侵”,草原“何去何从”
      • 【中科院之声】野火对于野草,是敌是友?
      • 【科学大院】亮如白昼的夜里,有些植物处境艰
      • 【科学大院】如何保护黑土?有一个“偷懒”的办法
      科普图片/视频
      • 【哔哩哔哩直播2023中科院跨年演讲】邹文秀:“龙江模式”——保护黑土地 共筑大粮仓
      • 关义新-“用好养好”东北黑土
  • 信息公开
    • 工作信息

      相关规定

      • 信息公开规定
      • 信息公开指南
      • 信息公开目录

      年度报告

      • 2019年度信息公开工作报告
      • 2018年度信息公开工作报告

      组织机构

      • 工作机构
      • 监督机构
      主动公开

      基本信息

      • 单位概况
      • 机构设置
      • 现任领导
      • 发展规划

      规章制度

      • 机构管理
      • 科研活动管理
      • 人事教育管理

      科学研究

      • 研究领域
      • 研究成果

      财政经费

      • 预算决算

      人事人才

      • 人才队伍
      • 招生与培养
      • 人才招聘

      合作交流

      • 国际交流
      • 院地合作
      • 国际会议

      科学传播

      • 科普知识

      年度统计与出版物

      • 出版物
  • 首 页
  • 所况介绍
    • 机构简介
    • 所长致辞
    • 现任领导
    • 历任领导
    • 学术委员会
    • 学位委员会
    • 历史沿革
    • 园区风貌
  • 机构设置
    • 直属机构
    • 科研系统
      • 黑土地保护与利用重点实验室
      • 湿地生态与环境重点实验室(学科组群)
      • 遥感与地理信息研究中心(学科组群)
      • 区域发展与环境研究中心(学科组群)
    • 管理系统
      • 党委办公室
        • 部门简介
      • 办公室
        • 部门简介
        • 制度文件
      • 科研计划处
        • 部门简介
        • 制度文件
      • 重大项目办公室
        • 部门简介
      • 人事教育处(研究生教育管理部)
        • 部门简介
        • 制度文件
      • 财务处
        • 部门简介
        • 常用信息
      • 条件保障处
        • 部门简介
        • 制度文件
      • 监督审计处
        • 部门简介
      • 农业技术中心综合办公室(含党办)
        • 部门简介
      • 农业技术中心科研计划与财务处
        • 部门简介
      • 农业技术中心人事教育处
        • 部门简介
    • 支撑系统
      • 信息中心
      • 学术期刊中心
      • 公共技术中心
    • 野外平台
      • 东北湿地观测研究网络
      • 东北农业监测网络
      • 长春净月潭遥感实验站
  • 人才建设
    • 院士
      • 院士
    • 国家基金委人才
      • 国家杰出青年基金
      • 国家优秀青年基金
    • 院级人才
      • 关键技术人才及技术支撑人才
      • 王宽诚产研人才、区域发展青年学者
      • 青年创新促进会会员
    • 部委人才
      • 农业农村部
      • 国家林草局
    • 兴土人才
      • 基础和应用基础研究类
      • 成果转化类
    • 正高级专业技术人员
      • 支撑系统
      • 管理系统
    • 副高级专业技术人员
      • 支撑系统
      • 管理系统
    • 中级专业技术人员
      • 支撑系统
      • 管理系统
    • 特别研究助理
      • 湿地生态与环境重点实验室(学科组群)
      • 大豆分子设计育种重点实验室(学科组群)
      • 黑土区农业生态研究中心(学科组群)
      • 农业资源利用研究中心(学科组群)
      • 盐碱地农业研究中心(学科组群)
      • 遥感与地理信息研究中心(学科组群)
      • 区域发展与环境研究中心(学科组群)
    • 博士后
      • 中国科学院湿地生态与环境重点实验室(学科组群)
      • 中国科学院大豆分子设计育种重点实验室(学科组群)
      • 黑土区农业生态研究中心(学科组群)
      • 农业资源利用研究中心(学科组群)
      • 盐碱地农业研究中心(学科组群)
      • 遥感与地理信息研究中心(学科组群)
      • 区域发展与环境研究中心(学科组群)
    • 表格下载
      • 流程
      • 进站
      • 中期
      • 出站
      • 其他
  • 科研成果
    • 概要
    • 获奖
    • 论文
    • 专著
    • 专利
    • 应用技术
    • 标准
  • 合作交流
    • 院地合作
    • 国际交流
  • 研究生教育
    • 概况
    • 招生信息
      • 招生简介
      • 博士招生信息
      • 博士招生目录
      • 硕士招生信息
      • 硕士招生目录
      • 推免硕士生及直博生招生信息
      • 考试大纲及参考书相
      • 硕士试题下载
    • 导师介绍
      • 博士导师
      • 学术型硕士导师
      • 专业型硕士导师
    • 研究生会
    • 管理制度
    • 表格下载
      • 招生用表格
      • 学籍用表格
      • 论文与学位用表格
      • 教师用表格
      • 毕业
      • 联合培养表格
      • 其它
  • 党群园地
  • 科学传播
    • 科普动态
    • 科普文章
    • 科普图片/视频
  • 信息公开
    • 信息公开规定
    • 信息公开指南
    • 信息公开目录
    • 依申请公开
      • 在线申请-公民
      • 在线申请-法人/其他组织
    • 信息公开年度报告
    • 信息公开联系方式
    • 预算决算
  1. 当前位置:首页    科学传播    科普文章
科普文章

甲虫的硬壳是怎么来的?

来源:姬俏俏 科学大院

来源:姬俏俏 科学大院   |  发布时间:2020-12-02   |  【 大  中  小 】

  甲虫(Coleoptera),是鞘翅目昆虫的统称,因身体外部具有“坚硬的盔甲”,使其与其他昆虫区别开来。作为昆虫纲中最大的目,目前全世界的甲虫有183科,超过40万种被描述,占全世界所有物种的25%。“坚硬的盔甲”是甲虫的外骨骼,可承受一定的压力,对其内部组织具有保护作用。

  到底有多坚硬?

[video:1]

 

图1 超过15.2kg重的大石方可碎胸口(除重量本身外,不施加任何外力)(来源:优酷视频)

 

[video:2]

 

图2 汽车碾过竟安然无恙的晃动小触角(来源:Nature)

  日前,科学家研究发现,一种叫魔铁幽甲(或译作“铁锭甲虫”,隶属拟步甲总科幽甲科物种,拉丁名:Phloeodes diabolicus)的甲虫鞘翅能承受的最大压力可达149N(约15.2kg,约为其自身重量的39000倍),经过汽车碾压都安然无恙!科学家通过对它的研究制造出了碳纤维复合材料紧固件,比标准航空扣件还要坚固。

图3 铁锭甲虫鞘翅愈合处的结构(图源:参考文献[2]) 

  那么,问题来了,这么坚硬的壳是什么成分?

甲虫的硬壳是怎么来的?

  支撑人体基本形态的物质是钙质骨骼,我们可以通过多吃牛奶、豆制品、海带、虾皮及晒太阳等方式补充身体所需的钙。如果昆虫也是钙质骨骼,那就有点难以想象它们需要如何从自然界中获得这种微量元素了,毕竟它们活着的大部分时间是在寻找食物补充维持身体基本功能的营养物质,若在寻钙上花费大量时间,真是没法活了。

  甲虫内、外骨骼主要成分是几丁质(也叫甲壳素),它是由葡萄糖链修饰而成的大型结构多糖,广泛存在于真菌细胞壁以及无脊椎动物和鱼类的某些坚硬结构中。当甲虫们被以卵的形式生出来时,就已经拥有少量维持它们孵化和形成几丁质的多糖,到了后期,身体所需的营养则主要是通过主动取食获得。

  几丁质与纤维素和角蛋白(纤维素是支撑植物形态和物质运输的组织;角蛋白则是形成动物指甲的主要成分)类似,是一种结构聚合物,结构聚合物由较小的单体或单糖制成,形成强纤维,当细胞外或细胞内有组织分泌时,这些组织之间会形成化学键进而互相连接,增加了整个结构的强度。 

甲虫体内的几丁质是如何合成的?

  多糖合成几丁质的过程主要由海藻糖水解酶(Trehalase, TRE)和几丁质合成酶(Chiitin Synthase, CHS)在内的多种酶共同参与合成,主要分为以下几步:

  (PS:以下内容是为了假装很专业加的,只要知道多糖在多种酶的催化下形成几丁质就够了,可以尝试理解,实在看不懂的同学可直接跳转到下一部分╮( ̄▽  ̄)╭)

  1)海藻糖的合成:

  葡萄糖-6-磷酸与二磷酸尿苷(UPD)-葡萄糖在海藻糖合成酶(TPS)的催化作用下结合生成海藻糖-6-磷酸,随后继续在海藻糖磷酸化酶(TPP)的作用下去磷酸化生成海藻糖和磷酸。

  2)葡萄糖的合成:

  生成的海藻糖继续被海藻糖水解酶(TRE)水解生成葡萄糖。TRE又可分为可溶性海藻糖酶(Soluble Trehalase, TRE1)和膜结合型海藻糖酶(Membrane-bound Trehalase, TRE2)。前者游离于细胞质中,负责内源性(如循环系统和消化系统)海藻糖的分解;后者为胞外酶,与肌肉中的线粒体结合,负责外源性海藻糖的吸收和同化。1分子海藻糖可水解为2分子葡萄糖,用于各种生理及生命活动,包括昆虫抗逆性适应等各个方面也都是通过控制海藻糖的含量来实现的。

图4 几丁质的合成路径(图源:改编自参考文献[3])

  3)几丁质的合成:

  葡萄糖要途经己糖激酶(HK)、葡糖糖-6-磷酸异构酶(G6PI)、果糖-6-磷酸转氨酶(GFAT)、葡糖糖胺-6-磷酸-N-乙酰转氨酶(GNPNA)、磷乙酰胺基葡萄糖变位酶(PGM)和UDP-N-乙酰葡糖胺焦磷酸化酶(UAP)后才能合成UDP-N-乙酰氨基葡萄糖,最终经CHS催化形成几丁质。CHS也分为CHS1和CHS2两种,前者主要负责昆虫表皮和气管中的几丁质合成,后者只负责中肠围食膜(紧贴中肠内壁,可包裹食物、保护中肠上皮细胞、利于吸收消化食物)上几丁质合成。

了解几丁质,有啥用?

  了解了几丁质的合成途径之后,我们对甲虫硬壳发育过程中出现的一些现象就能更好的解释,也能通过作用于几丁质合成路径来对甲虫进行干预。

  如当TRE受到抑制时,海藻糖无法被水解为葡萄糖,代谢受阻,此时大部分昆虫的几丁质合成减少,则会出现翅发育畸形、蜕皮困难、体重减轻、生长受阻甚至死亡等状况。所以,当农作物或森林遭受昆虫的袭击,我们可以考虑通过抑制TRE来控制灾情(抑制多种病原微生物也是同理);亦或是自己饲养的虫子出现如上症状,我们也就知道病因,有利于对症下药。

  除此之外,几丁质还广泛应用于我们生活中:1)具有修复细胞的功能、抗氧化能力 、防止细胞衰老、促进细胞更新等,在美容护肤行业中得到广泛使用;2)具有天然的抑菌功效,与纯棉等纤维制品结合可用于婴儿服装及内衣生产;3)其产物坚硬、无毒、生物相容性好,可用于医学治疗材料,如人工肝脏、人工肾、人造骨、人造血管等;4)在工业上也被用于多处,如自来水、废水的净化,染料、织物等的粘合剂等等。

  参考文献:

  [1] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%9E%98%E7%BF%85%E7%9B%AE

  [2] Rivera J, Hosseini M et al. Toughening mechanisms of the elytra of the diabolical ironclad beetle. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-020-2813-8 (2020).

  [3] 唐斌,张露,熊旭萍,汪慧娟,王世贵.海藻糖代谢及其调控昆虫几丁质合成研究进展[J].中国农业科学,2018,51(04):697-707.


附件下载:

版权所有 © 中国科学院东北地理与农业生态研究所 吉ICP备05002032号-1 吉公网安备22017302000214号
地址:吉林省长春市高新北区盛北大街4888号 邮编:130102
电话:+86 431 85542266 传真:+86 431 85542298 Email:iga@iga.ac.cn