加拿大新斯科舍冬季小石蝇(Allocapnia pygmaea)的成体抗寒机制：基于冷冻回避策略与多元醇代谢的生理生态学研究

《The Canadian Entomologist》：The cold tolerance of an adult winter-active stonefly: how Allocapnia pygmaea (Plecoptera: Capniidae) avoids freezing in winter in Nova Scotia, Canada

本研究针对冬季活动的石蝇Allocapnia pygmaea在严寒环境下的生存机制展开探索。通过测定其临界热最小值（CTmin）和过冷点（SCP），结合五种潜在冷冻保护剂的定量分析，首次证实该物种采用冷冻回避策略，并揭示其通过消耗甘油和肌醇等多元醇以维持亚低温下的能量代谢。该研究为理解昆虫冬季适应性进化提供了重要生理学证据。

　　

在加拿大新斯科舍的寒冬中，一种名为Allocapnia pygmaea的小型石蝇竟能活跃于冰雪覆盖的溪流环境。这类冬季成虫活动的昆虫如何抵御零下低温的侵袭？其体内是否存在特殊的抗寒物质？这些问题长期以来缺乏系统研究。由于石蝇对水质变化敏感，被广泛用作环境指示生物，揭示其抗寒机制不仅有助于理解极端环境适应性进化，对气候变化下的生态预测也具有重要价值。

本研究通过野外采集2023-2024年春季成虫样本，综合运用行为观测、生物物理测定和生物化学分析手段。关键技术包括：1）临界热最小值（CT_min）测定（-0.25°C/分钟降温速率下的活动阈值判定）；2）过冷点（SCP）检测（冷却至-20°C时的体内结冰温度记录）；3）急性冷激存活实验（-5至-11.5°C梯度暴露）；4）五种冷冻保护剂（脯氨酸、甘油、肌醇、海藻糖、葡萄糖）的分光光度法定量分析。所有样本来自安蒂戈尼什地区的Brierly Brook溪流。

低温耐受性表征

结果显示：石蝇在-7.3至-10.2°C仍保持活动能力，其CT_min与SCP（-11.9°C）接近，且所有个体在内部结冰后均死亡，而未结冰个体存活率达96%，明确其属于冷冻回避型物种。该特性使其能够利用雪下微环境规避极端低温。

冷冻保护剂谱分析

在野外采集个体中检测到显著的多元醇积累，其中肌醇浓度最高（约40μmol/g），甘油次之（约15μmol/g），而脯氨酸、海藻糖和葡萄糖均低于10μmol/g。值得注意的是，经-4.9°C冷激处理后，甘油和肌醇浓度显著下降，表明这些物质可能在低温应激时代谢供能。

结论与讨论

研究首次系统阐明A. pygmaea成体通过冷冻回避策略适应冬季环境，其独特的多元醇代谢模式（以肌醇为主导）区别于已知的冷冻耐受型石蝇（如北极Nemoura arctica若虫以甘油为主）。这种代谢策略可能与其短暂成体期（不取食）的能量平衡需求相关。该发现为理解昆虫低温适应多样性提供了新视角，并为气候变化下水生昆虫种群动态预测奠定生理学基础。