Social administration of juvenile hormone to larvae increases body size and nutritional needs for pupation  

向幼蟲社會性施用保幼激素可增加其化蛹時的體型和營養(yǎng)需求  

來源：Royal Society Open Science, volume 10, article ID 231471

《皇家學會開放科學》，第10卷，文章ID 231471

 

論文摘要內(nèi)容

 

摘要闡述了社會性昆蟲（以螞蟻Camponotus floridanus為模型）中，工蟻通過反芻液（trophallaxis）向幼蟲傳遞保幼激素（Juvenile Hormone, JH）的社會性發(fā)育調(diào)控機制。研究開發(fā)了一種手工喂食（handfeeding）方法，直接向幼蟲施用含JH的人工反芻液。結(jié)果顯示，口服JH會延長幼蟲發(fā)育時間，增加其化蛹前累積的營養(yǎng)量，最終導致成蟲體型增大。JH不改變幼蟲生長速率或乞食行為，但提高了幼蟲存活率。這表明JH的社會性傳遞是工蟻調(diào)控幼蟲發(fā)育和成蟲體型的關(guān)鍵機制，支持了幼蟲與工蟻間存在"代謝勞動分工"的假說。  

 

研究目的

探究工蟻通過反芻液傳遞JH是否直接調(diào)控幼蟲發(fā)育。  

 

測試口服JH對幼蟲存活率、發(fā)育時間、生長速率、化蛹體重、成蟲體型及代謝率的影響。  

 

闡明JH影響體型增大的機制（如延長發(fā)育時間而非加速生長）。  

 

驗證幼蟲是否依賴工蟻傳遞的JH完成正常發(fā)育。  

 

研究思路

實驗設計：從6個蟻群中創(chuàng)建12個實驗小群（每群含5只幼蟲和5只工蟻），隨機分為JH處理組（人工反芻液含JH III）和對照組（僅溶劑）。  

 

手工喂食：每周3次隔離幼蟲，用微量注射器將0.5μl含JH（或?qū)φ眨┑娜斯し雌c液直接喂至幼蟲口器（圖1）。  

 

 

數(shù)據(jù)采集：  

 

存活率與發(fā)育時間：記錄幼蟲死亡及化蛹時間（圖2a, 2b）。  

 

 

形態(tài)測量：測量蛹的頭部寬度（Head width）和觸角柄節(jié)長度（Scape length），評估成蟲體型（圖2c-e）。  

 

體重動態(tài)：每周測量幼蟲體重，分析生長曲線和化蛹前體重（圖3a-c）。  

 

 

乞食行為：通過幼蟲側(cè)位照片量化"頸部彎曲面積"作為乞食指標（圖3d, 圖4）。  

 

 

代謝率：使用丹麥Unisense微呼吸系統(tǒng)（MicroRespiration system）測量幼蟲耗氧率（圖3f）。  

 

工蟻-幼蟲營養(yǎng)傳遞：在工蟻食物中添加熒光素，通過幼蟲熒光強度評估工蟻喂食量。  

數(shù)據(jù)分析：采用混合效應模型（含蟻群和實驗群隨機效應）分析JH對上述指標的影響。  

 

測量數(shù)據(jù)、來源及研究意義

存活率（圖2a, 表1）：JH處理組幼蟲存活率顯著高于對照組（76.7% vs 46.7%）。  

 

 

意義：直接證明幼蟲依賴外源JH（可能來自工蟻反芻）完成發(fā)育，支持"代謝勞動分工"假說。  

發(fā)育時間（圖2b, 表1）：JH處理顯著延長幼蟲化蛹前發(fā)育時間。  

 

意義：JH通過延緩化蛹，為幼蟲提供更長的營養(yǎng)累積窗口。  

成蟲形態(tài)（圖2c-e, 表1）：JH處理組成蟲頭部寬度（+7.9%）和觸角柄節(jié)長度（+6.3%）顯著增大，但頭寬/柄節(jié)比無差異。  

 

意義：JH可增大體型但未改變工蟻品級（caste）特征（如兵蟻比例），提示體型調(diào)控獨立于品級分化。  

幼蟲體重（圖3a-c, 表1, 表2）：  

 

 

JH處理組化蛹前體重顯著高于對照組（圖3b）。  

 

生長速率無組間差異（圖3c），但體重累積量（Δmass）與喂食次數(shù)正相關(guān)（圖3e）。  

 

意義：JH通過延長發(fā)育時間（而非加速生長）增加營養(yǎng)累積，進而增大體型；體重增長依賴喂食頻率。  

乞食行為（圖3d, 表2）：JH處理未影響幼蟲乞食頻率。  

 

意義：體型增大非因JH刺激乞食導致工蟻更多喂食。  

代謝率（圖3f, 表2）：JH處理未顯著改變幼蟲耗氧率（代謝率）。  

 

意義：JH促生長機制不涉及能量代謝調(diào)整，可能依賴工蟻傳遞的現(xiàn)成營養(yǎng)物質(zhì)（如卵黃蛋白）。  

熒光標記：JH處理組與對照組幼蟲熒光強度無差異。  

 

意義：排除工蟻喂食量差異對結(jié)果的干擾。  

 

結(jié)論

核心機制：口服JH通過延長幼蟲發(fā)育時間，增加其累積營養(yǎng)的機會，最終增大成蟲體型。  

 

發(fā)育依賴性：JH顯著提高幼蟲存活率，表明C. floridanus幼蟲可能依賴工蟻傳遞的JH完成發(fā)育。  

 

體型調(diào)控：JH增大頭部寬度和觸角柄節(jié)長度，但不改變工蟻品級特征（頭寬/柄節(jié)比），提示其調(diào)控體型而非品級分化。  

 

行為與代謝：JH不影響幼蟲乞食行為或代謝率，體型增大源于發(fā)育時間延長而非行為或能量代謝改變。  

 

方法學貢獻：首創(chuàng)手工喂食技術(shù)，為研究社會性昆蟲幼蟲發(fā)育的分子機制提供了新工具。  

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

 

研究中使用的丹麥Unisense微呼吸系統(tǒng)（MicroRespiration system）通過高精度氧微傳感器（OX-50）測量幼蟲群體的耗氧率（圖3f）。其研究意義在于：  

量化代謝活動：直接測定單位時間內(nèi)單位質(zhì)量幼蟲的氧氣消耗量，作為代謝率的客觀指標，反映能量消耗水平。  

 

排除代謝影響：結(jié)果顯示JH處理未改變幼蟲代謝率（耗氧率），表明體型增大機制非由JH刺激能量消耗增加驅(qū)動（如加速合成代謝）。  

 

支持核心結(jié)論：結(jié)合其他數(shù)據(jù)（無乞食行為改變、無工蟻喂食量差異），該結(jié)果為"JH通過單純延長發(fā)育時間窗口以增加營養(yǎng)累積"的核心結(jié)論提供了關(guān)鍵證據(jù)鏈。  

 

揭示能量策略：暗示社會性昆蟲中可能存在獨特的"代謝勞動分工"——幼蟲依賴工蟻傳遞的現(xiàn)成營養(yǎng)物質(zhì)（如反芻液中的卵黃蛋白）生長，自身無需高代謝成本，解釋了為何JH不升高代謝率仍能促生長。  

 

技術(shù)價值：展示了Unisense系統(tǒng)在昆蟲社會性發(fā)育研究中精確、微創(chuàng)測量生理參數(shù)的可靠性。