氧依赖性5-HT1A受体调控熊蜂低氧应答及飞行性能的机制研究

《iScience》：Oxygen-dependent regulation of serotonin receptor 5-HT1A in hypoxic response and flight performance in bumblebees, Bombus terrestris

本研究针对熊蜂在低氧环境中飞行能力下降的生理机制，通过转录组学分析发现5-羟色胺受体5-HT1A在飞行肌中受低氧上调并被飞行活动抑制。功能实验表明，拮抗5-HT1A可显著提升常氧与低氧条件下的飞行距离、时长及速度，揭示该受体作为氧感应负调控因子的新功能，为昆虫高海拔适应机制提供新视角。

　　

在青藏高原等高海拔地区，氧气稀薄是生物生存的重要挑战。作为关键传粉昆虫，熊蜂却能在此类环境中繁衍生息，甚至能在海拔4000米以上飞行。它们每日飞行距离可达8公里，飞行时耗氧量骤增30倍，这种高能耗活动如何适应低氧环境，一直是科学家关注的焦点。以往研究多集中于形态适应和温度调节，但对分子机制，尤其是飞行肌在低氧下的代谢调控网络，仍知之甚少。

为揭示熊蜂低氧适应的生理与分子基础，研究人员以地熊蜂（Bombus terrestris）为模型，整合行爲学测定、代谢测量、转录组测序和受体拮抗实验。关键实验技术包括：低氧暴露系统（控制氧分压1.6-21 kPa）、飞行磨测定飞行参数、红外热成像测胸温、呼吸计录代谢率、透射电镜观察线粒体超微结构、靶向代谢物检测（ATP/糖原/丙酮酸等）、RNA-seq及qPCR验证差异基因、系统进化与蛋白结构分析、特异性受体拮抗剂（WAY-100635）体内功能验证。样本为实验室驯化的13日龄工蜂，飞行肌组织为主要分析材料。

低氧对熊蜂生理、线粒体结构及飞行的影响

研究发现，氧分压（Po₂）低至1.6 kPa时，熊蜂昏迷率显著上升，胸温从35.1°C降至26.1°C，代谢率下降超82%。电镜显示线粒体出现肿胀和嵴结构破坏。

轻度低氧（12 kPa）即导致飞行距离下降58%、时长缩短37%，表明低氧全面抑制熊蜂的生理功能与飞行能力。

飞行肌转录组谱揭示低氧触发的主要通路

极端低氧（1.6 kPa）处理6小时后，飞行肌中筛选出711个差异表达基因（DEGs），其中537个上调。KEGG富集分析显示神经活性配体-受体相互作用通路显著激活（如5-HT_1A、GABA_B1等），而内质网蛋白加工通路被抑制。

上调基因多涉及信号转导和催化活性，下调基因则富集于氧化还原酶功能。

神经活性与糖代谢通路在低氧应答中的验证

低氧显著提升飞行肌中5-HT_1A的mRNA水平3.2倍，同时血糖下降、糖原与海藻糖积累，ATP减少而丙酮酸增加，谷胱甘肽（GSH/GSSG）比值升高，表明低氧引发糖代谢重编程并维持抗氧化防御。

5-HT_1A表达受低氧和飞行活动的调控

系统进化分析确认熊蜂5-HT_1A与蜜蜂同源度高，蛋白具典型七次跨膜结构。该受体在13日龄成虫飞行肌中表达最高，低氧特异性地上调其表达，而飞行活动在常氧下抑制其表达。

1A inhibition on aerobic flight activity under normal and hypoxic conditions in B. terrestris">

其他血清素受体（5-HT_2A/5-HT_2B/5-HT₇）未见响应，凸显5-HT_1A的低氧特异性。

5-HT_1A对飞行活动具有抑制作用

使用拮抗剂WAY-100635抑制5-HT_1A后，熊蜂在常氧下飞行距离提升253%，低氧下提升448%，飞行时长与速度均显著改善，证明5-HT_1A是飞行性能的负调控因子。

本研究首次揭示5-HT_1A受体在昆虫飞行肌中作为氧依赖性调节节点的功能：低氧通过上调5-HT_1A抑制飞行能力，而飞行活动本身负反馈抑制该受体以维持能量供应。这一机制平衡了熊蜂在低氧环境中的能量分配，为理解高原昆虫的适应进化提供了新范式。研究结果发表于《iScience》，不仅深化了对无脊椎动物氧感应机制的认识，也为传粉昆虫保护应对气候变化提供了理论依据。