我國蜂業(yè)科學家首次在《Science》上發(fā)表研究性文章
發(fā)布時間：
2022-05-05 15:14
蜜蜂是全球性的重要經(jīng)濟昆蟲，也是研究社會行為和健康的模式生物(Nature，2006)。食物對于蜜蜂個體和群體的生存繁衍是至關(guān)重要的。蜜蜂個體為了滿足自身和蜂群對食物的需求而出巢采集食物，蜜蜂采集食物回巢后，通過舞蹈語言告訴其他同伴食物源的方向和距離信息，招募同巢蜜蜂出巢采集，大大提高采集效率，滿足蜂群的食物需求，蜜蜂采集后舞蹈語言及其形成機制是研究蜜蜂社會行為的重要窗口和前沿領(lǐng)域。
該研究聚焦執(zhí)行密集采集食物活動以滿足蜂群食物需求的采集蜂，探究采集蜂出巢采集是否受特定的獎賞期望(食物欲望)驅(qū)動，并且在跳舞階段是否回憶起這些獎賞期望。研究人員監(jiān)測蜜蜂的采集和跳舞行為，同時定量檢測和干擾蜜蜂腦部的生物胺信號。結(jié)果表明，采集蜂在前往食物源途中和采集后回巢跳舞階段，通過增強食欲和回憶良好食物源，能夠瞬時激活腦部多巴胺相關(guān)的欲望系統(tǒng)。該研究揭示了昆蟲擁有與哺乳動物類似的編碼由積極愉悅刺激產(chǎn)生的欲望的神經(jīng)機制。
在哺乳動物中，欲望(wanting)的過程受中腦邊緣多巴胺神經(jīng)通路調(diào)控。盡管無脊椎動物表現(xiàn)出復雜的獎賞搜行為，是否存在類似的驅(qū)動食物搜尋的欲望系統(tǒng)仍然未知。蜜蜂是研究這一問題的理想的生物，因為蜜蜂具有密集的采集活動，發(fā)達的社會組織，還擁有一套象征的編碼以傳遞食欲獎賞信息：擺尾舞—傳遞良好食物源的方向和距離信息。這套編碼的存在允許我們探究跳舞蜂除了交流指向食物源的矢量信息，是否還瞬時回憶起可利用的食物源的快樂特性。我們的問題是：采集蜂在前往良好食物源的途中是否受欲望系統(tǒng)wanting system驅(qū)動?擺尾舞是否通過回憶起良好食物源使欲望系統(tǒng)wanting system恢復活動?
為了回答這些問題，研究人員監(jiān)測已標記的采集蜂的采集和跳舞行為，同時檢測和干擾采集蜂在采集和信息交流循環(huán)關(guān)鍵階段的腦部生物胺信號。結(jié)果表明，在采集蜂跳舞的起始階段和離巢前往良好食物源階段，其腦部的多巴胺水平顯著升高(試驗一);蜜蜂的食物采集活動受到多巴胺拮抗劑的負面影響，食物采集欲望下降，(試驗二);個體饑餓也會提升采集蜂的腦部多巴胺水平，采集蜂腦部多巴胺升高會增強其對蔗糖溶液的快樂值，提高其食欲相關(guān)的氣味學習能力和記憶能力(試驗三)。據(jù)此，我們提供了蜜蜂腦部存在由個體饑餓和在跳舞場景中回憶起良好食物源的快樂值觸發(fā)的多巴胺神經(jīng)通路為基礎(chǔ)的欲望系統(tǒng)wanting system的科學證據(jù)。
試驗一、探究蜜蜂采集后跳舞過程不同階段其腦部生物胺類神經(jīng)遞質(zhì)濃度的變化。蜜蜂為了滿足蜂群社會的食物需求和個體的食物需求而進行大量的出巢采集食物活動，研究人員通過監(jiān)測蜜蜂定點采集食物后回巢跳舞的不同階段的行為表現(xiàn)，利用高效液相色譜-電化學檢測器(HPLC-ECD)定量檢測不同階段蜜蜂腦部多巴胺水平。研究發(fā)現(xiàn)，在跳舞起始階段和剛到達飼喂器未取食階段，蜜蜂腦部多巴胺水平顯著升高(圖1-A);采集蜂即將離開蜂巢前往飼喂器和到達飼喂器時，蜜蜂腦部多巴胺水平?jīng)]有顯著變化(圖1-B);采集蜂第一次到達飼喂器時，腦部多巴胺水平顯著升高，飛行次數(shù)對腦部多巴胺水平?jīng)]有顯著影響(圖1-C)。
圖1 蜜蜂即將離巢飛向食物源、剛到達食物源
和跳舞起始階段的腦部多巴胺水平升高
試驗二、蜜蜂多巴胺能信號藥理學阻斷(抑制)對食物采集行為的影響。采用多巴胺拮抗劑(fluphenazine)對多巴胺能信號進行藥理學阻斷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)蜜蜂采集食物的頻率顯著降低(圖2-A)，每次往返采集的時間顯著延長(圖2-B)，每次往返采集的飛行時間不變(圖2-C、D)，在巢內(nèi)停留時間顯著增加(圖2-E)，表明蜜蜂的食物采集活動受到多巴胺拮抗劑的負面影響，食物采集欲望下降。利用拮抗劑干擾多巴胺信號傳遞實驗結(jié)果進一步證明蜜蜂食物欲望受腦部多巴胺信號調(diào)控。
圖2 蜜蜂多巴胺能信號藥理學阻斷對采集食物行為的影響
試驗三、多巴胺調(diào)控的食物欲望系統(tǒng)驅(qū)動蜜蜂個體食欲反應和食欲相關(guān)的學習記憶行為。研究發(fā)現(xiàn)：蜜蜂個體的食物剝奪(饑餓)會導致蜜蜂腦部多巴胺水平顯著升高(圖3-A);人為提高蜜蜂采集蜂多巴胺水平能夠增強個體對蔗糖溶液的食欲反應(圖3-B);人為提高蜜蜂采集蜂多巴胺水平能夠增強它們與食欲相關(guān)的氣味學習能力(圖3-C);人為提高蜜蜂采集蜂多巴胺水平能夠提高個體與食欲相關(guān)的氣味記憶能力(圖3-D)。
圖3 多巴胺調(diào)控的食物欲望系統(tǒng)驅(qū)動蜜蜂個體食欲反應和食欲相關(guān)的學習記憶行為
這一研究結(jié)果首次發(fā)現(xiàn)并證實蜜蜂腦部多巴胺調(diào)控食物欲望(Food Wanting)，揭示了蜜蜂(昆蟲)擁有與哺乳動物類似的多巴胺調(diào)控的食物欲望系統(tǒng)。該研究為蜜蜂采集性狀相關(guān)的分子基礎(chǔ)研究和優(yōu)良蜂種培育提供新的思路;為高等動物乃至人類基本生理需求食物欲望的比較進化研究提供創(chuàng)新性的重要科學證據(jù);也為人類多巴胺相關(guān)的生理心理和學習記憶障礙等健康問題研究提供新的生物模型。
福建農(nóng)林大學為該論文的第一完成單位，蘇松坤研究員為通訊作者，其指導的四位接繼開展該研究工作的研究生黃景南、張曌楠、封王江和趙元洪為共同第一作者，法國圖盧茲第三大學Martin Giurfa教授為共同通訊作者。
該研究得到了國家自然科學基金(No. 31772684等)、國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系(蜜蜂)項目(No. CARS-44等)的長期大力資助。特別是原農(nóng)業(yè)部、財政部2007年聯(lián)合建設(shè)國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系，蘇松坤團隊從2008年開始就入選國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系(蜜蜂)項目(No. CARS-44)的崗位科學家，直到現(xiàn)在，持續(xù)穩(wěn)定的資助讓科研人員既能從蜂產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)的實際需要(蜜蜂采集蜂蜜花粉，培育采集強的優(yōu)良蜂種)出發(fā)，又能心無旁騖地潛心研究蜜蜂采集這一重要性狀形成的分子基礎(chǔ)，為培育優(yōu)良蜂種提供科技支撐，十年磨一劍，勇攀高峰。產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系成功探索了產(chǎn)業(yè)導向、政產(chǎn)學研緊密結(jié)合的新型科研組織模式，培養(yǎng)造就一支既能"頂天"世界科技前沿，又能"立地"產(chǎn)業(yè)實際需求的高素質(zhì)人才隊伍，走出了一條符合中國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)特點和農(nóng)業(yè)科研規(guī)律的中國特色農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新發(fā)展新路子。
(參考福建農(nóng)林大學官網(wǎng)報道)
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