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Nature | 从摄食到育幼:古老摄食神经肽调控蚂蚁育幼与年龄分工

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撰文| 阿童木

温馨提示:文末附编辑部短评。

社会性昆虫的一个重要特征,是群体内不同个体并不承担完全相同的任务。以蚂蚁、蜜蜂和胡蜂为代表的社会性昆 虫中,年轻工蚁通常留在巢内照护幼虫,随着年龄增长,工蚁逐渐转向巢外觅食、防御或探索(详见BioArt报道: )。 这种年龄相关劳动分工使群体能够在繁殖、育幼和资源获取之间形成稳定配合,也是社会性行为演化研究中的经典问题。

然而,这种行为转换背后的神经和分子机制仍不完全清楚。育幼行为看似是社会性昆虫中特化出来的复杂行为,但 从演化角度看,新行为往往并不是凭空产生,而是通过改造已有的神经调控模块实现 。一个受到关注的观点是,许多调控社会行为的神经调质,原本参与摄食、营养感知、生长和繁殖等基 本生理过程(详见BioArt报道: )。这些 过程本身就与个体状态密切相关,因此也容易在演化过程中被整合进新的社会行为调控网络。

近日,HHMI研究员、洛克菲勒大学 Daniel J. C. Kronauer 教授实验室等在 Nature 杂志在线发表了题为 Ancient feeding-related neuropeptides regulate alloparenting in ants 的研究文章。 该研究以克隆突袭蚁( O . biroi ) 为模型, 发现两个古老摄食相关神经肽NPF和AstA相反调控育幼行为:NPF促进幼虫照护,AstA抑制该行为。二者水平随年龄和营养状态改变,提示摄食调控机制被演化用于社会性育幼和劳动分工 。


克隆突袭蚁 具有遗传背景高度一致、行为分工清晰等特点,适合研究社会行为和年龄相关神经可塑性。作者首先确认,12日龄年轻工蚁与幼虫接触时间约为4月龄老工蚁的两倍,而老工蚁更倾向于觅食。随后,作者建立“一只蚂蚁—一只幼虫”的高通量行为体系,记录单只工蚁对四龄幼虫的反应。结果显示,该体系能够重现群体中的年龄差异:年轻工蚁更长时间照护幼虫,而当幼虫被食物替代时,这种年龄差异消失,说明实验捕捉的是幼虫特异性行为。进一步分析发现,工蚁对幼虫的反应可分为两个阶段:早期P1阶段主要表现为持续接触幼虫,随后P2阶段中工蚁开始短暂离开并在通道内活动。年轻工蚁在P1阶段停留更久。该反应依赖 幼虫表面的己烷可溶性化学线索 ,提示 蚂蚁育幼行为并非由简单的物体接触触发,而需要识别幼虫相关化学信号 。

神经肽是动物神经系统中重要的调节分子,常常参与摄食、代谢、发育、繁殖和社会行为调控。 作者 通过 神经肽筛选发现24种候选神经肽可能调节育幼行为,经二次筛选和剂量-反应分析最终确认两个有效分子:NPF和AstA。NPF和AstA都是演化上较为保守的神经肽。 NPF 与脊椎动物神经肽Y同源,AstA受体则与脊椎动物galanin受体同源 ,且 NPF/NPY和AstA/galanin相关系统都与摄食和营养状态密切相关。

行为学实验发现, NPF和AstA对育幼行为具有相反作用。 NPF处理可增加工蚁与幼虫接触的时间,使其行为更接近年轻“看护者”状态;AstA则降低工蚁对幼虫的亲和性,使其更接近年老“觅食者”状态。 为了检验这种关系是否与自然年龄变化相关,作者进一步检测了年轻和年老工蚁脑内NPF和AstA的RNA及蛋白水平。 结果显示,NPF表达较为局限,主要分布于前脑、触角叶和食道下区的少数细胞;AstA RNA则约在500个脑细胞中表达,AstA肽信号广泛分布于前脑、触角叶、食道下区和咽侧体等区域。二者的肽信号在背外侧前脑和触角叶存在空间重叠。定量分析显示,随着年龄增长,NPF肽水平在前背侧前脑和触角叶下降,而AstA肽水平在前脑和触角叶上升。这些变化与药理学实验结果一致: NPF促进幼虫照护相关接触,AstA则降低这种接触倾向 ,使行为状态更接近年老工蚁。由此, NPF与AstA丰度的动态变化可能通过调节相关神经回路,参与年龄依赖性的劳动分工 。

作者随后通过功能操作进一步证明了 改变脑内NPF和AstA平衡足以影响工蚁育幼行为 。 向年轻工蚁头部注射NPF肽,可以增强其在P1阶段与幼虫接触的比例,而抑制NPF表达可减少幼虫接触。AstA的效果则相反:注射AstA降低幼虫接触,而敲低AstA增加接触。

由于NPF和AstA在其他动物中都与营养状态有关,作者进一步 探讨了营养状态与育幼行为的关系。实验发现饥饿工蚁与幼虫相处时间显著长于饱 食 工蚁,这与NPF和AstA水平的变化相关:饥饿状态下NPF在前背侧前脑和触角叶升高,饱腹状态下AstA在前脑和触角叶升高,这些变化模式与独居动物中的规律一致。值得注意的是,饥饿增加的是幼虫接触而非觅食行为,这一点不同于许多昆虫中低营养状态促进觅食的常见模式,作者认为这可能与该物种特殊的周期性生活史有关。综合来看, 年龄和营养状态都能调控大脑在"NPF高-AstA低"和"NPF低-AstA高"两种神经调质状态之间的切换。


总体而言,这项研究提出了一个清晰模型: 年轻或饥饿状态下,工蚁脑内偏向NPF高、AstA低的状态,育幼行为增强;年老或饱食状态下,脑内偏向NPF低、AstA高的状态,育幼行为减弱并更接近觅食者状态。由此,古老的摄食相关神经肽系统被整合进蚂蚁社会生活,成为连接营养状态、年龄变化和劳动分工的重要分子桥梁。

编辑部短评:

这项研究的吸引人之处,在于它没有把蚂蚁育幼行为视为一种完全“新生”的社会性模块,而是将其放回摄食、营养状态、发育和繁殖这一更古老的神经内分泌网络中理解。NPF和AstA原本是调控摄食的进化上相当保守的神经肽,却在克隆突袭蚁中呈现出促进或抑制幼虫照护的相反作用,这为“ 古老分子模块被演化借用以产生新社会行为 ”提供了一个清晰案例。这项研究最重要的价值不是找到两个调控育幼的神经肽,而是提醒我们: 社会行为的演化既受到古老分子网络的限制,也依赖物种特异的生态情境对这些网络进行重新解释。 真正的问题不是“哪些分子被借用”,而是“它们在何种生活史条件下被改写成新的行为逻辑”。

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10747-6

制版人: 十一

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