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    昆虫呼吸与能量代谢监测的研究和应用

    发布时间: 2022-10-13  点击次数: 259次

    在气候变化的大背景下,为了减缓全球变暖带来的危害和巨大的不确定性,人们提出了“碳中和"的计划和目标。而气候的一点点变化,都会改变原生昆虫的生理状态和活动范围,甚至会引发种群灭绝和生物入侵等问题。呼吸与能量代谢作为昆虫最基本的生理功能,也是最容易受到环境变化影响的部分。有大量的科研人员将关注重心放到了性别、温度、时空位置等变量对昆虫体型、耐受性、飞行能力等方面的影响作用,作为研究其基础生理机制的便捷手段,SSI昆虫呼吸与能量代谢监测系统在这些研究中得到了广泛的应用。

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    应用研究案例:

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    竹节虫的的新陈代谢生理学研究

    新西兰的科研人员利用SSI昆虫呼吸与能量代谢监测系统,通过流通式呼吸测量法来测量竹节虫物种、种群、性别和颜色形态之间的静息代谢率(如 VCO2)和水分流失率(如 VH2O差异。

     

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    2中昆虫的活动参数是无量纲,测量平均值的方差,此示例显示观察对象未发生剧烈活动<0.012 VH2O 在一开始就出现了急剧下降,在大约 1 小时和 4.5 小时左右有两次排泄或产卵事件。两条 VCO2 迹线都显示了腔室的初始调整期,以更连续的方式提高了 CO2 的产生水平。A) VCO2 降低为稳定的 CGE 模式,蓝色区域为选择标准进行后续采样分析B) VCO2 降低为 CyGE 模式,蓝色区域为满足选择标准的最后一个完整循环,其中浅蓝色部分表示间爆发,深蓝色部分表示爆发期。

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    研究结果表明:适应寒冷的昆虫将采用周期性的气体交换模式并具有较低的代谢率来保存能量。代谢率与最高年温度平行变化的适应性意义可能是由于较高的温度增加了通过蒸发和蒸腾作用而流失水分的风险,因此,在较温暖的气候中竹节虫会通过降低代谢率来抵消种群的水分流失风险。水分流失参数在物种和质量之间确实存在显着差异,并存在一定程度的地理差异。

    低温驯化提高小花蝽的饥饿耐受性

     

    通常我们认为提前进行低温适应可以提高等温动物随后应对更寒冷环境的能力,丹麦的研究团队进一步研究了低温暴露后节肢动物饥饿耐受性得到改善的生理机制。实验人员利用SSISable Systems)的多通道呼吸与能量代谢试验模块,依次对大批量捕食性节肢动物的VCO2进行测量。结果表明,暴露于寒冷环境下的捕食性节肢动物增加了它们的生理稳健性和承受环境挑战的能力:比如低温环境和食物缺乏的环境。


    体型大小对苜蓿切叶蜂能量代谢和飞行能力的影响

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    为了确定体型如何影响苜蓿切叶蜂 Megachile rotundata 的代谢率、异速生长和飞行相关形态等数据,美国农业部的研究人员利用SSI昆虫活动监测仪数字能量代谢监测系统对苜蓿切叶蜂进行观察测量。研究发现随着蜜蜂体型的增加,它们的胸部和腹部变得不成比例地变大,而它们的翅膀(面积和长度)变得不成比例地变小。其中体型较大的蜜蜂在休息和飞行期间具有较高的绝对代谢率,而体型较小的蜜蜂在休息时具有较高的质量特异性代谢率。在飞行过程中,蜜蜂在质量特异性代谢率方面没有大小相关的差异。

     

    SSI昆虫能量代谢测量模块可以用于精确测量果蝇、蜜蜂、蝴蝶等昆虫呼出的CO2O2H2O等,并可计算呼吸商、同步化监测昆虫活动及其与呼吸代谢的关系等,广泛应用于各种小型昆虫动物呼吸代谢研究,如生理学、遗传学、生态学病虫害防治、医学实验、预防医学研究实验等研究方向

     

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    SSI昆虫呼吸代谢测量系统由二氧化碳分析仪、氧气分析仪、多通道气路转换器、气流控制器、数据采集器及程序软件、呼吸室等组成。可根据研究内容及经费预算定制单通道至多通道系统,选择同时测量CO2O2RQH2O,亦可根据要求只选择测量CO2O2的测量系统。系统测量结果除了常见的实时氧气消耗量(VO2)、二氧化碳产量(VCO2呼吸商(RQ产热量(EE热传导速率(Ct外,还可以提供研究者感兴趣的其它代谢率指标(如日代谢率 DEE、最大代谢率 MRmax 等),以及获得呼吸水分丧失(EWL能量当量活动指数致死温度 LLT 等重要参数。

     

     

     

    参考资料:

    1. Kelly Amanda Wootton. “Phasmid Physiology: Trends in Metabolism, Water Loss, and Upper Thermal Limits of Stick Insects." A thesis submitted in fulfilment of the requirements for the degree of Master of Science in Biosecurity and Conservation, the University of Auckland, 2020.  

    2. Jensen, Kim et al. “Increased lipid accumulation but not reduced metabolism explains improved starvation tolerance in cold-acclimated arthropod predators." The Science of Nature 105 (2018): 1-9.

    3. Grula, Courtney C et al. “Body size allometry impacts flight-related morphology and metabolic rates in the solitary bee Megachile rotundata." Journal of insect physiology (2021): 104275 .