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美洲王蝶触角昼夜节律时钟协调太阳罗盘以决定迁飞方向
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美洲王蝶的触角对其秋季迁飞过程中的导航作用是必不可少的。研究发现其触角内具有光调控的昼夜节律时钟，该时钟可能对太阳罗盘定向机制有协助作用，以保证蝴蝶迁飞方向持续向南，而不随太阳的移动而变化。触角昼夜节律时钟的发现为触角增添了一项新的功能，同时也打开了研究时钟与罗盘之间联系的新方向。
在已知的所有迁徙动物中，美洲王蝶的长距离迁飞是一个最为壮观的迁徙行为之一。每年的秋天，上千万的美洲斑蝶要历经4000公里的长途迁飞，从美国北部、加拿大南部迁到达墨西哥中部，然后在那里越冬。在长距离的迁飞过程中，蝴蝶使用时间补偿-太阳罗盘机制进行导航，以保证在太阳掠过天空的一天内，始终保持向南飞。
因为昆虫的运动和羽化的昼夜节律由脑的时钟来控制，所以大家也认为蝴蝶迁飞所用的时钟也在脑内。但这假定，从来没有人进行证明过。采用电生理的方法（蝗虫和蟋蟀）和采用遗传学方法（果蝇）已经证明脑内的中央复合体是太阳罗盘信息中心。那么对太阳罗盘进行时间协调的的时钟在哪里呢？最近研究发现美洲王蝶具有一个独特的昼夜节律时钟，其依赖负转录回馈环来实现。时钟基因period (per), timeless (tim)和类脊椎动物隐色素cry2的表达，合成蛋白PER, TIM和CRY2在细胞质内形成复合体，一定时间的延迟后，返回核内，CRY2抑制时钟基因的转录。同时蝴蝶还有类果蝇的CRY，称为CRY1，为蓝光受体，其作用是使昼夜节律时钟的发条装置与光暗周期同步化。基于此，该研究对触角在太阳罗盘定向中的作用进行了严谨的求证。
首先验证迁飞蝴蝶的触角在时间补偿-太阳罗盘定向中作用
为了验证触角的作用，把触角鞭节进行手术切除，然后将蝴蝶放在两种光周期的条件下，两种光周期光期分别为6:00-18:00和12:00-24:00，即光暗时间均为12小时。前一个为正常光周期，后一个有6个小时的延迟的光周期。同时设有对照，即将未切除触角的蝴蝶也放在相同的光周期条件下。像这样，将蝴蝶放置在室内6-8天。随后将蝴蝶吊起来，在室外的飞行模拟器内测蝴蝶个体的飞行方向和群体的定向。所有试验在26天内完成。这试验结果发现，正常光周期下，未处理的蝴蝶群体定向为西南211°，而6小时延迟光周期，未处理的蝴蝶群体定向为西北355°。方向发生顺时针转变，与时间补偿-太阳罗盘机制所预测的一致，但是观察的方向转变为144°，与期望的132°（太阳每小时变化14-22°），有所不同。 触角切除的蝴蝶，其飞行稳定性可能受到影响，但每个个体都能定向飞行。不过，无论在哪种光周期条件下，其群体都迷失了方向。飞行方向随机分布在360°的各方向上。所以这结果证明蝴蝶在迁飞时其触角对时间补偿-太阳罗盘定向是必不可少的。
其次验证触角内昼夜节律时钟是否对脑的时钟有影响
为验证这，使用实时定量PCR，检测分析了有、无触角蝴蝶脑内时钟基因per和tim时间表达模式。研究用蝴蝶的处理条件与飞行行为试验条件是一样的。
有、无触角蝴蝶脑内的per和tim mRNA水平都随时间变化，并且有触角和无触角蝴蝶的per和tim mRNA水平相似，这说明脑时钟与光周期的同步性与触角无关，所以进行时间补偿的时钟很可能位于触角内而非脑内。
更多的时间分析表明触角per, tim, 和cry2 mRNA水平在持续暗期下也具有节律性，与脑和DpN1细胞一致。PER 和 TIM的量也有节律波动，此外，PER的泳动性也随时间变化。CRY2的量也随时间变化。时钟元件的mRNA和蛋白的节律波动性表明昼夜节律时钟在触角内。
然后证明美洲王蝶触角内有光启动的组织自主性节律时钟
将培养触角放在两相反光周期条件下，用杂交印迹法测TIM的量，检测离体触角的光敏感性。在两种光周期条件下，TIM的表达量在光期比暗期少。TIM的量的波动与光期有关，这说明即使在与脑隔离的情况下，触角时钟直接由光启动。同时也检测了触角在持续暗期了，TIM量的随时间的变化，TIM量在光周期下波动，在暗期下也波动，只是幅度变小。所以，美洲王蝶触角具有光敏感的节律时钟，其为时间补偿的组成部分，可以独立于脑而起作用。
最后验证触角时钟是否参与太阳罗盘定向
将触角鞭节用黑色漆涂黑，以阻止光的进入。通过测量光诱导的TIM量，证明黑色漆可以有效阻止光进入触角。定量分析表明，涂黑色漆的触角，per和tim的RNA量没有节律变化，但是，在脑内这些基因有正常的节律变化。涂透明漆的触角，per和tim的RNA量表现明显的节律，同一个体内，per在脑内的节律性表达与触角内一样。这说明涂黑触角可以阻断光周期诱导的触角时钟。
触角没有涂漆的和触角涂透明漆的蝴蝶迁飞方向在南与东南之间，并且两组迁飞方向一样。不过，触角涂透明漆的蝴蝶在6小时延迟的光周期下，飞行方向为向西偏移107°。所以，尽管涂透明漆的触角无嗅觉功能，但可以正常感受光，启动触角时钟，表现时间补偿-太阳罗盘定向机制。
触角涂黑的蝴蝶，在正常光周期下，迁飞方向在北与西北之间，而在6小时延迟的光周期下，没有群体定向，但表现向西南飞的趋势。
如果触角涂黑迁飞蝴蝶的飞行方向的改变，可以在自由运转的触角时钟的计时上表现出来，那么飞行方向就与研究的那天有相关性，就是说，触角涂黑后，如果研究的日期延后，飞行方向的角度就会加大或变小。我们计算了14天研究的角度变化。结果发现研究时间和定向角度有线性关系，回归线预示触角时钟为23.3小时，与羽化的时间一致。
触角涂黑蝴蝶的飞行方向在正常光周期和6小时延迟光周期下不一样，这说明脑时钟也在起作用。触角时钟和脑时钟在某处整合，整合为点可能是中央复合体。
名词解释
A negative transcriptional feedback loop负转录回馈环
Antennal clock触角时钟
Antennal flagellum触角鞭节
Central complex昆虫脑中央复合体
Circadian clock昼夜节律时钟（生物钟）
Monarch Butterfly Danaus plexippus 美洲王蝶（一些教材中称之为普斑蝶）
Sun compass太阳罗盘
Time-compensated sun compass 时间补偿-太阳罗盘
以上摘译自Merlin et al. 2009 Science Vol. 325. no. 5948, pp. 1700 – 1704.
以下为针对此研究的内容所想到的一些问题（没有系统性）：
- 这研究发现迁飞斑蝶的触角是迁飞定向必不可少的，进一步发现触角内光诱导的节律时钟可能参与太阳罗盘定向的调节。如同论文末所讲的，触角时钟与太阳罗盘是如何联系起来的？它们的信息是在哪里整合的并起作用的？这些问题需要进一步的研究。
- 斑蝶的迁飞定向行为试验，试验样本大小为10左右，即重复10头左右的蝴蝶，样本量是否太小？另外，昆虫迁飞是群体行为，单头测试的结果是否能准确反应群体行为？如果做群体行为试验，结果又如何呢？一些个体可能只会随大溜。
- 已研究证实一些触角内具有时钟基因，并证明这些时钟基因可能与迁飞定向有关。是否可以构建相关基因的斑蝶突变体，然后再测突变体的迁飞定向行为？这个问题对他们来说，应该是很简单的，不知道为什么没有做。
- 触角涂黑色漆的斑蝶，虽不能准确定向，但能表现定向行为。而触角切除的斑蝶完全失去方向感。这两个结果是否矛盾？如果不矛盾，它们是如何统一的？对这文中没有论及。前者说明除触角外，脑在定向中也起作用。但触角切除的斑蝶，完全失去方向，这说明，触角内除了有时钟，应该还有罗盘，如果罗盘在脑内，切除触角的斑蝶，应该朝某个方向飞行，而非乱飞。
- 研究发现6小时延迟光周期条件下，斑蝶迁飞方向发生偏移，但偏移角度与理论推测的有所不同，那么为什么不同，发生偏移的规律是什么？太阳是持续运动的，那么斑蝶调整迁飞方向是实时调整呢，还是间隔特定时间后再调整？哪些感器、哪些神经、哪些肌肉参与了迁飞方向的调整？这很值得去研究，并且也可行。
- 非迁飞斑蝶触角时钟和太阳罗盘与迁飞斑蝶的异同？春、秋迁飞定向机制的差异性？春秋迁飞方向相反，而太阳运动的方向世代稳定。
- 夜间迁飞昆虫是否具有同样迁飞定向机制？
https://blog.sciencenet.cn/blog-278346-263256.html
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