昼夜与夜行鳞翅目昆虫昼夜节律差异的分子机制：解锁昆虫行为适应的密码

《iScience》：Molecular basis of circadian rhythm divergence between diurnal and nocturnal lepidoperans

为探究昼夜和夜行昆虫活动时间差异的分子机制，中科院等机构研究人员以黑纹夜蛾（Agrotis ipsilon，BCW）和帝王蝶（Danaus plexippus）为对象开展研究。结果发现两者核心生物钟基因保守，但代谢和光转导基因表达存在差异，该研究有助于理解昆虫行为适应的分子基础。

　　在神奇的昆虫世界里，不同昆虫有着截然不同的昼夜活动规律。有些昆虫喜欢在白天活动，如常见的蝴蝶；而有些则偏爱夜晚，像黑纹夜蛾（Agrotis ipsilon，BCW）。了解昆虫昼夜和夜行行为的分子基础，对于揭示它们的适应性特化至关重要。然而，目前关于夜行昆虫如何在夜间导航以及它们与昼行昆虫在生物钟调控上是否相同等问题，仍存在诸多谜团。

为了解开这些谜团，中国科学院植物设计重点实验室等机构的研究人员展开了深入研究。他们以典型的夜行性蛾类 —— 黑纹夜蛾为主要研究对象，并将其与昼行性的帝王蝶（Danaus plexippus）进行对比分析 。研究成果发表在《iScience》杂志上，为我们理解昆虫的昼夜节律差异提供了重要线索。

研究人员在这项研究中主要运用了行为分析、转录组分析以及定量逆转录聚合酶链反应（qRT-PCR）等技术。在行为分析方面，通过监测黑纹夜蛾的羽化行为和成虫运动活性来判断其昼夜活动规律；转录组分析则用于识别黑纹夜蛾和帝王蝶中节律性表达的基因；qRT-PCR 技术对转录组分析得到的关键基因表达结果进行验证 。

研究结果如下：

1. 行为指标显示 BCW 进行典型的夜间活动：研究人员通过监测黑纹夜蛾的蛹羽化时间和成虫运动活性，发现其在正常光周期条件下，绝大多数个体在夜间羽化；成虫在夜间的活动也更为频繁。即使在持续黑暗条件下，其羽化和活动的节律依然存在，这表明黑纹夜蛾是研究夜行性昆虫昼夜节律的良好模型。
2. BCW 昼夜转录组分析确定节律表达基因：研究人员在光暗（LD）周期下，每 4 小时收集一次黑纹夜蛾的头部样本进行 RNA 测序，共鉴定出 627 个在 24 小时内节律性表达的基因。这些基因被分为四个不同的簇，每个簇代表着与昼夜节律相关的独特表达模式。其中，cry1、cwo、vrille（vri）、period（per）、cry2 和 timeless（tim）等基因表现出显著的节律性表达 。
3. BCW 昼夜节律基因的功能富集：基因本体（GO）注释显示，在黑纹夜蛾中，与神经系统发育相关的 GO 术语在簇 1 中显著富集，暗示着对光开始的即时神经反应。簇 3 和簇 4 中的基因分别在明暗转换和午夜达到表达高峰，且这两个簇在与昼夜节律相关的 GO 术语中富集，这与黑纹夜蛾的夜间活动时间一致。此外，所有四个簇中的基因在运输过程和小分子代谢过程中显著富集 。
4. BCW 和帝王蝶节律转录组的比较分析揭示昼夜活动的差异调节：研究人员通过比较黑纹夜蛾和帝王蝶的节律性表达基因，发现两者之间存在大量物种特异性的节律表达基因。例如，核心生物钟基因 cry1 在黑纹夜蛾中有节律地表达，而在帝王蝶中则无节律；基因 ebony 的情况则相反。同时，他们还鉴定出 84 个在两种昆虫中共同节律表达的基因，这些基因大多与葡萄糖代谢等能量代谢过程相关 。
5. 代谢相关基因在物种间共节律但相位模式多样化：虽然黑纹夜蛾和帝王蝶在一些代谢相关基因上表现出共节律模式，但它们的相位模式并不完全一致。一些参与糖酵解和糖原合成的基因，如 Pgm1、Pgi 和 Pfk，在两种昆虫中的节律相位一致；而参与丙酮酸处理和脂质代谢的一些基因，如 Eaat2、Ag18G012116 和 wun，则表现出相反的相位模式。这表明昼夜和夜行昆虫在共享代谢途径的同时，进化出了不同的调控策略 。
6. 跨鳞翅目物种昼夜节律基因表达的比较分析：研究人员获取了小菜蛾（P. xylostella）的时间序列转录组数据进行分析，发现三个物种之间共享的节律性直系同源基因较少。但核心生物钟基因 tim、vri、per 和 cry2 在不同物种中表现出相似的振荡模式，同时代谢相关基因存在相位变化，进一步支持了不同代谢途径具有独特调控机制的观点 。
7. 光转导是昼夜和夜行昆虫行为差异的基础：研究人员在黑纹夜蛾和帝王蝶中鉴定出 37 个与光转导相关的直系同源基因并分析其表达模式。结果发现，在帝王蝶中，部分光转导基因表现出节律性表达；而在黑纹夜蛾中，只有两个基因（Calx 和 Trpgamma）有节律，大多数光转导基因在光转换期间表达达到高峰，表现出光驱动的节律，而非内在的昼夜节律。这表明黑纹夜蛾对光变化更为敏感，与帝王蝶在光转导途径上存在明显差异 。

研究结论和讨论部分指出，黑纹夜蛾和帝王蝶虽然共享一组保守的节律性表达核心基因，但在昼夜节律基因表达的相位上存在显著差异，尤其是在代谢和光敏感性相关基因上。这些差异可能是导致夜行和昼行昆虫活动模式不同的重要原因。cry1 基因在黑纹夜蛾中的节律性表达，可能是其适应夜行生活的关键因素；代谢基因的差异表达和相位变化，反映了昼夜和夜行昆虫为适应各自的活动时间，在能量利用上的不同策略；光转导基因表达模式的差异，则体现了它们对不同光照环境的适应性进化。

这项研究不仅加深了人们对昆虫昼夜节律分子机制的理解，还为进一步探究生物钟系统的进化及其在物种适应中的作用提供了重要依据。未来，研究人员可通过更多的功能验证实验，深入研究这些基因的具体功能，为揭示昆虫行为适应的奥秘提供更全面的视角。