二氧化碳感知神经元分子演化驱动果蝇物种产卵行为趋异适应

《PLOS Genetics》：Molecular evolution of CO2-sensing ab1C neurons underlies divergent sensory responses in the Drosophila suzukii species group

本研究揭示了果蝇CO2感知系统通过不同遗传机制（编码序列突变与顺式调控元件演化）驱动生态适应的新机制。通过比较黑腹果蝇（D. melanogaster）与铃木氏果蝇（D. suzukii）、亚美果蝇（D. subpulchrella）的ab1C神经元对CO2敏感性差异，发现铃木氏果蝇的Gr63a编码序列（CDS）突变和亚美果蝇的Gr63a顺式调控（cis-regulatory）改变均可独立增强CO2敏感性，但行为偏好转变需中枢神经系统参与。该研究为感官系统演化提供了重要范式。

　　

行为学差异揭示CO₂响应模式的物种特异性

通过四场嗅觉仪实验发现，黑腹果蝇（D. melanogaster）对1% CO₂表现出强烈的产卵回避行为（产卵偏好指数OPI=-0.77），而铃木氏果蝇（D. suzukii）和亚美果蝇（D. subpulchrella）则无显著回避倾向（OPI分别为0.10和0.13）。在15分钟定位偏好实验中，黑腹果蝇显著回避高CO₂区域（平均偏好指数-0.61），而两种近缘物种无明显偏好。对照实验排除了气流干扰，证实CO₂本身是行为差异的关键因素。

神经电生理记录揭示ab1C神经元敏感性演化

单感器电生理（SSE）记录显示，铃木氏果蝇和亚美果蝇的ab1C神经元在CO₂刺激 onset 时峰值放电率显著高于黑腹果蝇（图2G）。局部场电位（LFP）斜率分析进一步支持这一结论，表明两种物种的CO₂感知灵敏度增强。值得注意的是，基线放电率和稳态放电率无显著物种差异，提示通道结构保守而信号转导动力学发生变化。

转基因策略解析遗传机制独立性

通过将铃木氏果蝇Gr63a编码序列（CDS）或亚美果蝇Gr63a顺式调控元件导入黑腹果蝇Gr63a¹突变体，发现两种遗传改变均可独立重现早期放电增强表型（图4）。定量PCR证实亚美果蝇Gr63a表达量提升约5倍，而铃木氏果蝇CDS中C端结构域氨基酸替换（第48、61、440位点）可能是功能改变的结构基础。热图分析显示，铃木氏果蝇CDS对放电率提升效应最强，而亚美果蝇顺式调控元件作用较温和但显著。

中枢整合决定行为价态转变

尽管转基因果蝇外周神经元CO₂敏感性增强，但其产卵回避行为与野生型黑腹果蝇一致，提示行为价态转变需要中枢神经系统参与。脑部成像显示三种物种的Gr63a阳性神经元均投射至V小球（图5D），表明行为差异可能源于高阶神经环路的重新布线。转基因系育性下降现象（如DsubGr63a^cis-GAL4 > UAS-DsuzGr63a^cds组合纯合致死）暗示过度CO₂敏感性可能产生发育约束。

演化路径的生态适应性权衡

研究表明，编码序列突变可产生强烈表型效应（如铃木氏果蝇），但可能伴随多效性代价；顺式调控改变（如亚美果蝇）则提供更灵活的适应性调节。这种"遗传冗余"机制使近缘物种能通过不同分子路径实现相似的感官适应性，为解释生态位特化提供了新视角。