这所“双非”高校发 Science,4 位硕士生共同一作!

近日福建农林大学苏松坤研究员团队牵头联合法国图卢兹第三大学Martin Giurfa教授团队、澳大利亚国立大学张少吾教授在国际顶级学术期刊Science发表题为Food Wanting is Mediated by Transient Activation of Dopaminergic Signaling in the Honey Bee Brain”(蜜蜂脑部瞬时激活的多巴胺信号调控食物欲望)的最新研究成果(图1)。该研究首次发现并证实蜜蜂脑部多巴胺调控食物欲望(Food Wanting),揭示了蜜蜂(昆虫)拥有与哺乳动物类似的由多巴胺调控的食物欲望系统。该研究为高等动物乃至人类基本生理需求“食物欲望”的比较进化研究提供了创新性的重要科学证据;为蜜蜂采集性状相关的分子基础研究和优良蜂种培育提供新的思路;也为人类多巴胺相关的生理心理和学习记忆障碍等健康问题的研究提供新的生物模型。

这所“双非”高校发 Science,4 位硕士生共同一作!

图1《Science》刊发“Food Wanting is Mediated by Transient Activation of Dopaminergic Signaling in the Honey Bee Brain”(蜜蜂脑部瞬时激活的多巴胺信号调控食物欲望)

福建农林大学为该研究成果的第一署名单位。福建农林大学苏松坤研究员为通讯作者,其指导的相继开展该研究工作的4位硕士研究生黄景南、张曌楠、封王江和赵元洪为共同第一作者,法国图卢兹第三大学Martin Giurfa教授为共同通讯作者。1

这所“双非”高校发 Science,4 位硕士生共同一作!

福建农林大学(Fujian Agriculture and Forestry University),简称“福建农林大”,位于福建省福州市,是一所以农林学科为优势和特色,理、工、经、管、文、法、艺等多学科协调发展的省属重点大学,前身是成立于1936年的福建协和大学农科和成立于1940年的福建省立农学院。由农业农村部、国家林业和草原局、福建省政府三方共建,福建省重点建设3所高水平大学之一 。学校设19个二级学院和1个独立学院;有11个博士后科研流动站,12个一级学科博士点,27个一级学科硕士点,17个类别的专业学位硕士点;有全日制本科生2.2万人,研究生7900余人;有教职工3000人,专任教师1700人。

蜜蜂是全球性的重要经济动物,也是研究社会行为和健康的模式生物(Nature,2006)。食物对于蜜蜂个体和群体的生存繁衍至关重要。蜜蜂工蜂为满足个体和群体对食物的需求而出巢采集食物,蜜蜂采集食物回巢后,通过“舞蹈语言”告诉同伴食物源的方向和距离信息,招募同巢蜜蜂出巢采集,从而提高采集效率,满足蜂群的食物需求。蜜蜂采食后“舞蹈语言”及其形成机制的研究是探索蜜蜂社会行为的重要窗口和前沿领域。

在哺乳动物中,欲望(Wanting)的产生受中脑边缘多巴胺神经通路调控。尽管无脊椎动物表现出复杂的食物搜寻行为,但是否存在与哺乳动物类似的驱动食物搜寻的欲望系统仍未知。蜜蜂具有密集的采集活动,发达的社会组织和传递良好食物源方向和距离信息的摆尾舞,因此是研究脑部多巴胺神经通路和食物欲望关系的理想生物。该研究团队凝练了两个科学问题:采集蜂前往优质食物源的途中是否受欲望系统(Wanting system)驱动?采集蜂在摆尾舞过程中是否通过回忆起优质食物源进而激活欲望系统?

为了回答这些问题,该团队研究人员监测采集蜂的采集和跳舞行为,同时检测和干扰采集蜂在采集和信息交流循环关键阶段的脑部生物胺信号。结果表明,采集蜂在跳舞的起始阶段和离巢前往良好食物源阶段,其脑部的多巴胺水平显著升高(研究一);蜜蜂的食物采集活动受多巴胺拮抗剂的抑制,采集欲望下降(研究二);个体饥饿会提高采集蜂的脑部多巴胺水平,进而提高其对蔗糖溶液的快乐值,提高其食欲相关的气味学习能力和记忆能力(研究三)。该研究为蜜蜂脑部存在由个体饥饿和跳舞场景中回忆良好食物源的快乐值所触发的多巴胺神经通路为基础的欲望系统(Wanting system)提供了科学证据。 

研究一、探究蜜蜂采集后跳舞过程不同阶段其脑部生物胺类神经递质浓度的变化。

蜜蜂为满足蜂群和个体的食物需求而进行大量的出巢采食活动,该团队监测蜜蜂定点采食后回巢跳舞不同阶段的行为表现,并利用高效液相色谱-电化学检测器(HPLC-ECD)定量检测不同阶段蜜蜂脑部多巴胺水平,发现在跳舞起始阶段和刚到达饲喂器未取食阶段,蜜蜂脑部多巴胺水平显著升高(图2-A);采集蜂即将离开蜂巢前往饲喂器和到达饲喂器时,蜜蜂脑部多巴胺水平无显著变化(图2-B);采集蜂第一次到达饲喂器时,脑部多巴胺水平显著升高,飞行次数对脑部多巴胺水平没有显著影响(图2-C)。

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图2 蜜蜂即将离巢飞向食物源、刚到达食物源和跳舞起始阶段脑部多巴胺水平升高 

研究二、蜜蜂多巴胺能信号药理学阻断(抑制)对食物采集行为的影响。

利用多巴胺拮抗剂(fluphenazine)对多巴胺能信号进行药理学阻断,结果发现蜜蜂采集食物的频率显著降低(图3-A),每次往返采集的总时间显著延长(图3-B),每次往返采集的飞行时间不变(图3-C、D),而在巢内停留时间显著增加(图3-E),表明蜜蜂的食物采集活动受到多巴胺拮抗剂抑制,食物采集欲望下降。利用拮抗剂干扰多巴胺信号传递实验结果进一步证明蜜蜂食物欲望受脑部多巴胺信号调控。

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图3 蜜蜂多巴胺能信号药理学阻断对采集食物行为的影响 

研究三、多巴胺调控的食物欲望系统影响蜜蜂个体食欲反应和食欲相关的学习记忆行为。

研究发现:蜜蜂个体的食物剥夺(饥饿)会导致蜜蜂脑部多巴胺水平显著升高(图4-A);人为提高采集蜂多巴胺水平能够增强个体对蔗糖溶液的食欲反应(图4-B);人为提高采集蜂多巴胺水平能够增强她们与食欲相关的气味学习能力(图4-C);人为提高采集蜂多巴胺水平能够提高个体与食欲相关的气味记忆能力(图4-D)。

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图4 多巴胺调控的食物欲望系统影响蜜蜂个体食欲反应和食欲相关的学习记忆行为 

综上,该研究聚焦执行密集采集食物活动以满足蜂群食物需求的采集蜂,探索采集蜂出巢采集是否受特定的奖赏期望(食物欲望)驱动,并且在跳舞阶段是否回忆起这些奖赏期望。通过监测蜜蜂的采集和跳舞行为,同时定量检测和干扰蜜蜂脑部的生物胺信号。结果表明,采集蜂在前往食物源途中和采集后回巢跳舞阶段,通过增强食欲和回忆良好食物源,能够瞬时激活脑部多巴胺相关的欲望系统。该研究揭示了昆虫拥有与哺乳动物类似的由积极愉悦刺激产生欲望的神经机制。

该研究得到了国家自然科学基金(No. 31772684、31340061)、国家现代农业产业技术体系(蜜蜂)项目(No. CARS-44、CARS-45)的资助。苏松坤团队2008年入选国家现代农业产业技术体系(蜜蜂)项目岗位科学家,持续稳定的资助让团队科研人员既能从蜂产业生产的实际需要(蜜蜂采集花蜜花粉,培育采集力强的优良蜂种)出发,又能心无旁骛地潜心研究蜜蜂采集这一重要性状形成的分子基础,为培育优良蜂种提供科学依据,十年磨一剑,勇攀高峰。国家现代农业产业技术体系成功探索了产业导向、政产学研紧密结合的新型科研组织模式,培养造就一支既能顶天世界科技前沿,又能立地产业实际需求的高素质人才队伍,走出了一条符合中国农业产业特点和农业科研规律的中国特色农业科技创新发展新路子。

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