Nature：黑夜与白昼之间的适应能力

大多数植物和动物都暴露在各种各样的环境变化中。发表在Nature杂志上的这项研究是由洛桑大学生物与医学院整合基因组学中心的理查德·本顿教授带领的团队进行的，研究了果蝇适应白昼长度波动的能力。

具有广泛地理分布的物种，如人类，面临着多种环境变化，它们通过其行为的灵活性或“可塑性”来应对这些变化。这种适应周围环境的能力对它们的生存至关重要。然而，其背后的分子机制仍然知之甚少。因此，破译行为可塑性是如何由基因和神经系统调节的是很重要的，以便了解物种是如何进化以应对环境变化的，以及它们将如何适应不断变化的气候。

昼夜周期的核心

昼长是一个根据季节和纬度而波动的因素。许多物种，如某些苍蝇，调整它们的昼夜节律（每日活动周期）以适应这些白天长度的变化。

在2024年10月16日发表在《自然》杂志上的一项研究中，UNIL生物与医学院综合基因组学中心Richard Benton教授小组的前博士后研究员Michael Shahandeh， 比较了两种果蝇，以研究行为灵活性的差异。黑腹果蝇，也被称为“醋蝇”（Drosophila melanogaster），在世界各地都有发现，所以它经历了一天的长短的重大变化，并表现出强烈的昼夜节律可塑性。相比之下，在靠近赤道的塞舌尔地区特有的果蝇（Drosophila sechellia），其白昼长度的波动要小得多，可塑性也较差。

为了比较这两个物种的昼夜节律可塑性，科学家们将它们置于一个漫长一天的强制昼夜节律周期中：16小时的光照。这种限制对D. sechellia的适应性（这里理解为生存和繁殖的能力）产生了有害的后果，D. sechellia习惯于每天12小时的恒定长度。“这个物种已经失去了在较长光周期的情况下延迟其夜间高峰活动的能力；因此，长时间的工作对它来说压力很大，它的繁殖率降低了一半，而D. melanogaster仍然保持着完美的生育能力，”Richard Benton评论道。

定义关键的遗传元素

通过基因筛选，生物学家们成功地发现了Pdf（色素分散因子）基因在物种差异中的关键作用。“这种基因负责Pdf神经肽的表达，这对昼夜节律活动至关重要。正如预期的那样，用D. melanogaster的基因代替D. sechellia的基因会降低黑腹龙舌兰在长日照条件下延迟其高峰活动的能力。D. melanogaster就像我们的‘基因试管’。这个实验揭示了D. sechellia和D. melanogaster的Pdf基因差异导致了这两个物种之间的行为差异。”D. melanogaster Pdf基因的特殊特征部分解释了为什么这个物种在世界范围内广泛传播，而D. sechellia只专注于一个生态位。

探索其他形式的行为可塑性

Richard Benton还提到了先前的研究，表明Pdf神经肽对生活在高纬度地区的果蝇物种的重要性，它们在昼夜节律活动中表现出比黑腹果蝇更大的灵活性。“这些观察结果表明，这种神经肽是果蝇昼夜节律可塑性发展的关键进化因素。鉴于Pdf也存在于许多其他节肢动物中，例如蚊子，它们广泛分布在世界各地，它可能在后者中发挥类似的作用。更一般地说，我们的工作可以激发对其他形式的行为可塑性的探索，包括不同动物物种的其他细胞和分子机制。例如，鸣禽会根据人类活动引起的噪音改变它们的发声频率，蜥蜴会根据海拔高度改变它们的休息行为，但我们对这些现象背后的机制一无所知。”