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清华学者Cell子刊发现果蝇产卵决策行为新机制

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    动物依赖特化的机械感受器官和神经元感知外界环境中的机械力信号,如触觉、声音、质地硬度等。黑腹果蝇利用唇瓣上的机械感觉毛判断食物表面硬度,起始取食行为。除了取食硬度感知,果蝇选择产卵地点时需要利用多个感觉器官,如足、唇瓣和产卵器判定产卵基质的硬度,并最终决定产卵决策行为。相较于取食过程中的硬度感知,产卵地点的硬度识别是一个更为复杂,且包含多个机械力感觉步骤的过程,但负责机械力感知的神经机制仍待详细研究。 

     2020年7月9日,清华大学生命学院、IDG/麦戈文脑科学研究院张伟研究员在《当代生物学》(Current Biology)杂志上在线发表题为“平行机械感受信号通路介导果蝇产卵决策行为”(Parallel Mechanosensory Pathways Direct Oviposition Decision-Making in Drosophila)的研究长文,报道了关于动物感知机械力神经机制的最新研究结果。 

    利用遗传学筛选、行为学测定、光学成像以及神经环路标记方法,这项研究鉴定了三条平行的机械力感受通路,分别表达不同的机械感受受体,最终介导果蝇选择低硬度区域产卵,且该编码机制完全不同于已报道的取食硬度感受机制模型。该研究有助于加深机械力感受分子和细胞机制的理解,促进解析神经编码的复杂性,特别是为下游中枢神经系统信号整合机制的探究奠定基础。 

    作者设计了一种双选产卵装置,内部含有两种不同浓度的琼脂糖溶液,模拟两个不同的产卵基质硬度。根据二者的硬度差异范围,分成细微,弱和中等三个测试区间。行为学结果显示果蝇能够偏好低硬度区域产卵,且偏好强度与差异范围相关。接下来,通过切除不同的机械感受组织器官和筛选不同机械敏感离子通道突变体,发现细微范围的感受主要依赖唇瓣的Iav-Gal4和Nan-Gal4标记的神经细胞(sd-L)。 

    进一步的实验发现,在NompC-Gal4标记的跗节神经元内特异性敲降Nan表达水平后引起响应大硬度差异范围的行为反应表型,这些证据证明足部跗节Nan+/NompC+感受细胞介导对弱和中等硬度范围内的低硬度选择。最后,作者发现表达在足部跗节的Piezo蛋白仅参与感受弱硬度范围,而不影响中等范围的行为反应。总结下来,该研究工作使我们加深了对于动物感知和编码外界机械力刺激神经基础的理解,为阐明中枢神经系统处理外周机械信号的神经环路机制奠定基础。 

    清华大学生命学院博士后张立伟和清华-北大生命科学联合中心2017级博士生余洁为本文共同第一作者,张立伟博士和张伟研究员为本文共同通讯作者。该研究工作得到国家自然基金委、北京市科委和清华-IDG/麦戈文脑科学研究院“Brain+X”种子基金的资助。张伟课题组受到清华-北大生命科学联合中心和清华-IDG/麦戈文脑科学研究院的支持。

                           ------  文章摘自  生物通  ------


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