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易科泰动物能量代谢测量技术：幼虫食性对帝王蝶飞行能量代谢的影响

动物从它们的食物中获取资源，并分配给有机体维持正常的新陈代谢和生活史过程，如生长、发育、繁殖和扩散等。食物质量的变化如何影响生活史性状的资源分配？特别是对四代接力跨国迁徙长达4800公里的帝王蝶来说，运动和扩散如此重要的性状却很少有了解。

2022年5月16日nature旗下Communications Biology杂志在线发表了宾夕法尼亚州立大学Rudolf J. Schilder等科学家关于“幼虫宿主植物种类对成体帝王蝶扩散特征与飞行能量代谢影响Impacts of larval host plant species on dispersal traits and free-flight energetics of adult butterflies”一文,实验中的飞行能量代谢通过SSI流通式呼吸代谢高级技术配置方案进行设置测量，并获取静息代谢率（RMR）和飞行代谢率（FMR），以及呼吸商（RQ）,部分结果如下图：

   帝王蝶呼吸室内5分钟的二氧化碳浓度（a）以及幼体时食用不同乳草种类帝王蝶的飞行代谢率（b）、静息代谢率（c）和呼吸商（d）,见上图Fig.2.可以看出，均一化的飞行代谢率（FMR）受幼体饮食种类显著影响（b）,如取食CUR和SPE显著高于SUL乳草的FMR；静息代谢率（RMR）在幼虫不同食物组也有显著差异（c），如SPE组显著高于SUL、VER和SYR乳草组，而且CUR高于SUL乳草组。结果幼体时食物种类除了影响成体飞行能量消耗，还会影响其能量维持成本。

    幼体时食物种类未影响成体帝王蝶飞行时的平均呼吸商（d）,平均RQ值在1.3-1.4之间变化，与其它研究结果类似，推论较高的RQ值可能在于昆虫飞行活动期间使用磷酸戊糖途径引起的。

   乳草产生的强心甾毒素与体内富集、呼吸代谢和肌肉系统的相互作用（Fig.3）,不同乳草种类成体帝王蝶翅膀强心甾含量（Fig.3a）,TUB、VER不含强心甾；静息代谢率RMR与翅膀强心甾含量关系（Fig.3b）；飞行代谢率（FMR）与翅膀强心甾含量关系（Fig.3c）; 飞行肌肉比率与翅膀强心甾含量关系（Fig.3d）。如图所示，幼体时取食CUR乳草后成体帝王蝶翅膀强心甾含量显著高于其它7种乳草（Fig.3a），强心甾含量是静息和飞行能量消耗重要的预测因子（Fig.3b,c），支持了幼体时暴露较高强心甾含量导致成体需要更多能量消耗的假设。

    能量消耗和飞行肌肉比率相关性（Fig.4）,飞行肌肉比率分别解释了单位体重飞行和静息代谢率的42%和59%的变化。

研究结果表明，成年帝王蝶的飞行肌肉投资、飞行能量学和能量维护成本取决于其幼虫的寄主植物种类，并与成虫体内累积的乳草属植物产生的强心甾毒素浓度相关。研究结果认为，寄主植物物种可以通过影响飞行时的能量需求来影响帝王蝶迁徙规律。

附帝王蝶能量代谢测量技术方案：采用定制SSI昆虫呼吸代谢测量系统，主要由高精度双通道氧气分析仪、二氧化碳分析仪搭建成推气（PUSH）、完全开放式的8通道测量系统，飞行代谢测量过程中采用珀尔提精确温控28℃以防止颤抖性产热干扰，是目前世界上唯一的可精确量化微小动物不同行为状态能量消耗的高性能集成装置，可广泛用于各类微小生物的生理生态、进化生物学、环境耐受性、病媒传播等复杂生命科学问题研究等。

参考资料

1、Victoria M. Pocius,Staci Cibotti,Swayamjit Ray,Obenewa Ankoma-Darko,Nathaniel B.McCartney,Rudolf J.Schilder,and Jared G.Ali.Impacts of larval host plant species on dispersal traits and free-flight energetics of adult butterflies[J].Communications Biology,2022,5(1).

2、昆虫呼吸代谢定制系统Invertebrate Respirometry-Sable Systems International. https://www.sablesys.com/applications/physiology/invertebrate-respirometry/

3、帝王蝶大迁徙 | 每一个不曾起舞的日子，都是对生命的辜负. https://www.sohu.com/a/107746786_383634