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?
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