摘要：神经系统负责协调动物对外界环境的行为反应，而环境变动对这一系统提出了重大挑战，尤其对分布广泛的物种而言更是如此。为适应环境变化，动物常表现出行为可塑性，即调整行为以匹配外界条件的能力【1】。例如，鸣禽会根据人为噪声调整鸣唱频率，蜥蜴则因海拔不同改变晒太阳的时机
撰文 | 阿童木
神经系统负责协调动物对外界环境的行为反应，而环境变动对这一系统提出了重大挑战，尤其对分布广泛的物种而言更是如此。为适应环境变化，动物常表现出行为可塑性，即调整行为以匹配外界条件的能力【1】。例如，鸣禽会根据人为噪声调整鸣唱频率，蜥蜴则因海拔不同改变晒太阳的时机。尽管这种能力在生态学中十分常见，但这种行为可塑性的调控机制和进化路径依然知之甚少。
昼夜节律活动具有典型的行为可塑性特征，能够使物种根据昼夜长短的季节性变化优化活动时间，协调觅食、繁殖等关键行为【2】。这种昼夜节律由大脑内的生物钟神经元网络控制，其核心是分子节律调控网络。这一机制的可塑性在环境变化剧烈的地区尤为重要，因为昼夜节律的偏离可能降低适应性，甚至威胁种群的持续生存。
果蝇因其晨间和傍晚活动高峰分明、种类丰富且行为易测量，成为研究昼夜节律行为的理想模式生物。不同品系的果蝇的光周期可塑性程度与其聚居地的纬度有关，研究最深入的物种是广布的黑腹果蝇（Drosophila melanogaster） ，其昼夜节律能够根据季节性光周期变化进行灵活调整【3】。相比而言，一些生存于极端纬度的物种已演化出不同的活动模式和节律可塑性，使其每日活动与夏季漫长的日照时间相匹配，如塞舌尔果蝇(Drosophila sechellia) 栖息于赤道地区，其昼夜光周期变化极小，表现出更低的行为可塑性【4】。因此，生存于不同纬度环境中的果蝇类群为研究昼夜节律行为的进化提供了理想的对比系统。
近日，瑞士洛桑大学Richard Benton教授等在Nature杂志发表了题为Circadian plasticity evolves through regulatory changes in a neuropeptide gene的研究文章，通过对比广泛分布的黑腹果蝇和赤道生态特有种塞舌尔果蝇的行为和分子特征，发现色素分散因子 (Pdf) 基因调控区域的变异是造成昼夜节律行为差异的关键，揭示了昼夜节律可塑性调控的新机制。
研究首先比较了广布的黑腹果蝇和赤道特有种塞舌尔果蝇在不同光周期下的昼夜节律行为。结果表明，黑腹果蝇对光周期变化具有显著的行为可塑性，即随着白昼延长，其傍晚活动峰明显推迟。然而，塞舌尔果蝇在光周期变化下的调整能力显著降低，甚至在极端光周期下失去了节律性（图1）。
此外，与黑腹果蝇相比，塞舌尔果蝇的晨间活动大幅减弱，同样表明塞舌尔果蝇昼夜节律可塑性已严重退化。进一步研究发现，这些差异可能与两种果蝇所处环境的光周期稳定性相关：黑腹果蝇广泛生活在光周期变化显著的地区，而塞舌尔果蝇则栖息于赤道地区，光周期几乎恒定，这一稳定环境可能放松了对昼夜节律可塑性的选择压力。
图1 黑腹果蝇和塞舌尔果蝇昼夜节律的差异
为探索这种种间差异的遗传基础，作者设计了黑腹果蝇与塞舌尔果蝇的杂交筛选实验，采用半合子测试方法，发现塞舌尔果蝇的昼夜节律可塑性的丧失可能是由隐性等位基因引起的，并最终锁定了色素分散因子基因 (Pdf)。通过杂交种筛选发现，Pdf 基因突变显著降低了傍晚活动峰可塑性。而在黑腹果蝇中，Pdf 是调节昼夜节律可塑性的关键基因，其突变显著降低了光周期下傍晚活动峰的延迟能力。
此外，塞舌尔果蝇 Pdf 基因的表达在时间模式和水平上均与黑腹果蝇存在显著差异：在晨间活动的神经元 （s-LNvs） 中，Pdf 的表达水平较低且时长较短。这不仅导致了行为差异，还削弱了神经元的结构可塑性。进一步分析顺式调控元件后发现，Pdf基因的顺式调控区域在两种果蝇之间存在分歧，这也解释了这两种物种在昼夜节律行为上的差异。
此外，Pdf 5'-调控区域的分子进化分析还显示，黑腹果蝇 Pdf 基因的调控区域经历了自然选择，尤其是高纬度种群中，其变异与更高的行为可塑性相关。而在塞舌尔果蝇中，Pdf 的调控区域发生了特定的功能丧失，使其行为可塑性下降，并在模拟非自然长光周期条件下表现出生殖适应度的显著下降。
解析行为可塑性的调节机制是理解生物如何进化以适应环境改变的关键。通过研究果蝇昼夜节律可塑性的差异，本研究将基因功能变化、中枢神经元活动和行为分化相关联，不仅揭示了Pdf基因介导的昼夜节律可塑性形成和丧失的遗传机制，还探讨了其适应意义：在稳定的赤道环境中，行为可塑性的维持可能需要较高的代谢或生殖成本，因此退化反而成为一种适应策略；而在变化更剧烈的较高纬度地区，行为可塑性则赋予物种更强的适应力和分布范围。Pdf 基因及其调控区域的进化代表了昼夜节律进化的一个潜在“热点”，本研究也为未来探索神经肽调控与行为适应之间的关联性提供了新的思路。
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参考文献
1. Roca, I. T. et al. Shifting song frequencies in response to anthropogenic noise: a meta-analysis on birds and anurans.Behav. Ecol.27, 1269–1274 (2016).
2. Muraro, N. I., Pirez, N. & Ceriani, M. F. The circadian system: plasticity at many levels.Neuroscience247, 280–293 (2013).
3. Horn, M. et al. The circadian clock improves fitness in the fruit fly,Drosophila melanogaster.Front. Physiol.10, 1374 (2019).
4. Auer, T. O., Shahandeh, M. P. & Benton, R. Drosophila sechellia: a genetic model for behavioral evolution and neuroecology.Annu. Rev. Genet.55, 527–554 (2021).
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来源：老吴的科学课堂