果蠅熱應激生理機制研究進展

黃艷 周阿容 池文文 鄭藝欣 黃志偉 曾紹校

摘要：受全球溫室效應和城市熱島效應的影響，高溫環(huán)境對人類健康的危害越來越嚴重，生物熱應激生理機制的研究逐漸成為熱點。由于果蠅對溫度敏感、神經(jīng)元結(jié)構(gòu)簡單且基因遺傳穩(wěn)定，因此成為熱應激研究的最佳模式生物。文章綜述了以果蠅為模型的熱感知處理、熱偏好及耐熱性的研究進展，說明利用果蠅研究熱感知過程的優(yōu)勢，以及果蠅應對無害高溫的熱感受器和應對有害高溫的高溫傷害感受器，解釋果蠅的熱偏好及其可能影響因素，闡述果蠅熱休克蛋白的誘導表達、表達量與溫度閾值、基因結(jié)構(gòu)變異及功能植物和營養(yǎng)素對其耐熱性的影響等。今后可將果蠅熱感知機制在人體體溫調(diào)節(jié)、食物對生物體熱偏好的影響及功能植物和營養(yǎng)素在分子水平上對果蠅耐熱性的影響方面進一步探究和深化，以期探索出通過食物調(diào)節(jié)人體最適溫度的方法及更合理的熱損傷預防措施。

關(guān)鍵詞： 果蠅；熱感知；熱偏好；熱休克蛋白；耐熱性

中圖分類號： S433；Q966 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2018）05-0912-10

Abstract：Influenced by global greenhouse and urban heat island effect， high temperature environment becomes increasingly harmful to human health， which makes the study about physiological mechanism of heat stress in living creature gradually become a research hotspot. Drosophila becomes the best model species for heat stress study due to its sensibility to temperature， simple neuron structure and genetic stability. The research process of thermal sensation processing， temperature preference and thermo tolerance based on Drosophila were reviewed in this paper. The advantages of using Drosophila to study the process of thermal perception， warm receptors responding to innocuous warming and high tempera-ture nociceptors to noxious heat were stated， and temperature preference of Drosophila with its possible influencing factors were pointed out. The induced expression， expression amount and temperature threshold of heat shock proteins in Drosophila were discussed， and the variation of gene structure， effects of functional plants and nutrients on its heat resistance were illustrated in the paper. In the future， the thermal perception mechanism of Drosophila can be further explored in thermoregulation， the effect of food on biological thermal preference and influences of functional plants and nutrients on thermotolerance of Drosophila at the molecular level in order to find out the method of adjusting the optimum human body temperature through food and more reasonable preventive measures of heat injury.

Key words： Drosophila； thermal sensation； thermal preference； heat shock proteins； thermotolerance

0 引言

近年來，受溫室效應和城市熱島效應的影響，全球氣候變暖，在給人類生存環(huán)境帶來挑戰(zhàn)的同時，因氣候變暖導致與高溫環(huán)境相關(guān)的發(fā)病率和死亡率也隨之增加。當人體長期處于高溫環(huán)境時會產(chǎn)生頭暈、嘔吐、抽搐、體溫過高及熱休克等中暑癥狀，甚至死亡（池文文等，2017）。處于高溫環(huán)境及進行高溫作業(yè)的人群如煉鐵煉鋼車間工人、部隊夏季越野鍛煉的士兵等是中暑的主要群體。國內(nèi)外很少直接以人體為對象，提高其熱應激或耐熱性的研究（Tang et al.，2008； 牟東等，2010； 楊劍虹等，2011），多數(shù)集中于果蠅等其他生物。黑腹果蠅（Drosophila melanogaster）經(jīng)過幾秒鐘的環(huán)境溫度波動或陽光照射即會呈現(xiàn)不良或令其不適的體溫。作為變溫動物，果蠅熱感知靈敏且迅速，每毫秒的溫度變化均可引起其行為上的反應（Klein et al.，2015）。此外，果蠅的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)相對簡單，基因遺傳也較穩(wěn)定，這些特點使得果蠅成為研究溫度感知及溫度應變行為分子機制的最佳模式生物。目前，國內(nèi)外以果蠅進行熱感知及耐熱性的試驗研究已有較多報道。本文從果蠅大腦的熱感知處理過程、熱偏好及熱暴露與耐熱性等方面進行綜述，以期為以果蠅為模型的熱應激與防暑研究提供理論參考。

1 果蠅熱感知機理研究

1. 1 利用果蠅研究熱感知過程的優(yōu)勢

利用果蠅進行熱感知研究具有諸多優(yōu)勢。人們可利用一系列基因工具進行標記并操控已定義的神經(jīng)元群體（Venken et al.，2011），且許多果蠅的神經(jīng)回路可套用在其他動物身上，因此可進行有意義的比較（Jefferis et al.，2001； Berdnik et al.，2006； Hiesinger et al.，2006）。再者果蠅的神經(jīng)系統(tǒng)相對于脊椎動物等其他物種簡單，其大腦只有10萬個神經(jīng)元，在某些情況下，繪制神經(jīng)回路圖譜成為可能（Liu，2016），因而對其生理、生化及解剖的研究相對簡單易行。目前果蠅的多數(shù)初級感覺神經(jīng)元已被鑒定且可被操控。盡管果蠅大腦的神經(jīng)元相對簡單，但其神經(jīng)系統(tǒng)仍具有一定的復雜性，因此可保證其順利地完成覓食、交配、求偶、學習記憶及晝夜節(jié)律等復雜行為（Pandey and Nichols，2011）。與其他變溫動物相似，果蠅不能在內(nèi)部調(diào)節(jié)其核心溫度，但可通過快速和可靠的溫度傳感來尋找有利環(huán)境，并能感知非常小的溫度變化（Klein et al.，2015），使其非常適合用于溫度感知研究，且能將熱信號與其他感官形式（視覺和嗅覺等）聯(lián)系起來（Ofstad et al.，2011； Liu，2016）。無論在蛋白質(zhì)分子基礎(chǔ)、信號傳導通路、神經(jīng)編碼方式，還是突觸傳遞機制及神經(jīng)疾病的發(fā)生和癥狀上，果蠅與哺乳動物均具有高度的相似性（惠俊愛等，2002），因此，以果蠅為模型研究熱應激生理機制是一個簡捷而有效的途徑。

1. 2 果蠅的溫度感受器

果蠅的外圍溫度感受器細胞主要分布于觸須上（Sayeed and Benzer，1996； Zars，2001； Tang et al.， 2013）及觸角芒和球囊兩種結(jié)構(gòu)中（Gallio et al.，2011； Ni et al.，2013）。觸角芒包含6種細胞，其中3種被稱為熱細胞，因溫暖而興奮、因冷卻而受抑制；而另外3種被稱為冷細胞，則因冷卻而興奮、因溫暖而受抑制；球囊里包含了額外的冷細胞。所有這些細胞均投射至近端觸角前腦的大腦區(qū)域（Chiang et al.，2011）。近期的研究已鑒定出幾個涉及觸須熱傳導的基因（Hamada et al.，2008； Gallio et al.，2011；Ni et al.，2013；Tang et al.，2013），在這些基因中，熱感受器Gr28b.d作為一種味覺感受器（Gustatory receptor， Gr）也是一種溫度感受器（Barbagallo and Garrity，2015），能夠允許基因進入觸角芒的熱細胞中（Thorne and Amrein，2008； Gallio et al.，2011）。

與其他動物相似，果蠅包含多種溫度感受器（Tracey et al.，2003； Hamada et al.，2008； Gallio et al.，2011）。感受器通常可分為4種基本類型：應對無害（溫和）高溫的熱感受器、應對無害（溫和）低溫的冷感受器、應對有害（具破壞性）高溫的高溫傷害感受器及應對有害（具破壞性）低溫的低溫傷害感受器。

1. 2. 1 應對無害高溫的熱感受器 當果蠅不斷地遭遇無害（溫和）的溫度變化時，一方面影響其體溫，另一方面對其長期生存亦有顯著影響（Dillon et al.，2010）。成年果蠅中有4組無害溫度傳感器的神經(jīng)元已被鑒定出來，包含2種熱應答和2種冷應答，它們共同協(xié)調(diào)其熱感知行為（Hamada et al.，2008； Galili et al.，2014）。果蠅頭部的前細胞（Anterior cell， AC）神經(jīng)元（Hamada et al.，2008）和觸角芒中的熱細胞（Hot cell， HC）神經(jīng)元（Tracey et al.，2003）均為無害的熱感受器，當溫度高于25 ℃（果蠅生存的最適溫度）時才會作出響應，這些細胞通過不同的機制感知溫度，并驅(qū)動不同的行為。

在分子水平上，AC神經(jīng)元利用瞬時感受器電位（Transient receptor potential，TRP）膜蛋白TRPA1來檢測升溫（Hamada et al.，2008）。TRPA1能協(xié)調(diào)AC神經(jīng)元在25 ℃以上的熱激活，并在異源細胞中發(fā)揮熱激活離子通道的作用（Viswanath et al.，2003； Hamada et al.，2008； Wang et al.，2013）。當溫度超過32 ℃時，AC神經(jīng)元則表現(xiàn)出一種與TRPA1無關(guān)的瞬時熱反應（Tang et al.，2013）。這種瞬時反應是非細胞自主性反應，來自至今仍未知的果蠅觸須熱傳感器輸入。因此，AC神經(jīng)元起著溫度感受器與溫度感知輸入集成中間神經(jīng)元的作用。TRPA1為溫度敏感TRPs通道家族中的一個亞群成員，而溫度敏感TRPs通道（又稱為ThermoTRPs）為瞬時感受器電位離子通道家族成員，是一組重要的感受溫度和其他物理及化學傷害性刺激的膜蛋白分子，可參與果蠅和人類機體溫度感覺及體溫調(diào)節(jié)等重要生命活動（程為等，2012）。近年來，針對溫度敏感TRPs通道的研究證實這組陽離子通道除了參與溫度感覺的形成外，還與痛覺的形成和傳導有著極密切關(guān)系（Dubin and Patapoutian，2010）。

HC神經(jīng)元感知無害高溫的途徑與AC神經(jīng)元不同，其依賴于味覺感受器Gr28b.d，而不是利用TRP通道來驅(qū)動熱反應（Ni et al.，2013）。味覺感受器通常參與昆蟲的化學感受（Benton，2008），但異位味覺感受器Gr28b.d的表達在多種細胞類型中均呈熱敏感性，表明Gr28b.d是一個熱感受器（Ni et al.，2013）。由Gr28b.d介導熱感知的細胞類型較多，亦提示其可能是一個熱應答通道，但更具體的證據(jù)需待Gr28b.d在異源細胞中成功表達。

AC和HC神經(jīng)元可探測到相似的溫度，卻投射到不同的腦區(qū)（Hamada et al.，2008； Gallio et al.，2011； Shih and Chiang，2011），并驅(qū)動果蠅不同的行為。神經(jīng)末梢區(qū)域的HC神經(jīng)元在急劇升溫的熱梯度下可起到快速（<1 min）的熱回避作用（Ni et al.，2013），內(nèi)部AC神經(jīng)元則在緩慢升溫的熱梯度下呈現(xiàn)緩慢（>20 min）的熱回避行為。因此，HC神經(jīng)元主要感知外部熱環(huán)境的溫度變化，而AC神經(jīng)元主要感知內(nèi)部體溫的變化。此外，AC神經(jīng)元介導由熱與氣味形成的令其反感的關(guān)聯(lián)記憶（Wu et al.，2010），而這種記憶的形成涉及一組存在于果蠅前腦的20個多巴胺能神經(jīng)元，其似乎與AC神經(jīng)元相關(guān)并受其潛在調(diào)控（Galili et al.，2014）。上述發(fā)現(xiàn)揭示了果蠅進行熱感知并影響其行為的復雜性。

1. 2. 2 應對有害高溫的高溫傷害感受器 在果蠅體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的第一個溫度感受器是多樹突（Multiple dendritic， MD）神經(jīng)元，是一組覆蓋在果蠅幼蟲體壁的高溫傷害感受器，當溫度超過39 ℃被激活時（Tracey et al.，2003）能引發(fā)特有的旋轉(zhuǎn)逃逸響應。在已知的研究中，發(fā)現(xiàn)3種溫度敏感TRP通道——TRPA1、無痛性通道（Painless）和發(fā)熱通道（Pyrexia， Pyx），而這3種溫度敏感TRP通道對果蠅應對有害高溫具有重要的作用（Tracey et al.，2003； Lee et al.，2005； Neely et al.，2011）。

溫度敏感TRP通道在進化上是保守的熱感受器，在熱感知神經(jīng)元的不同亞群均有表達，如TRPA1基因不是編碼一種通道亞型，而是多種通道亞型，包括存在于AC神經(jīng)元中的高度熱反應亞型和存在于依賴TRPA1的化學受體中的熱不敏感亞型（Kang et al.，2011； Zhong et al.，2012）。有趣的是，Zhong等（2012）發(fā)現(xiàn)一種不可檢測的熱敏感TRPA1亞型可支持在MD神經(jīng)元中表達高溫傷害感受，表明TRPA1并不是這些神經(jīng)元的熱感受器。

無痛性通道亦作為溫度敏感TRPs通道的成員，在中央和末梢神經(jīng)系統(tǒng)中被表達。在應對高溫傷害刺激反應中，缺乏無痛性通道功能的果蠅幼蟲和成蟲均對高溫傷害表現(xiàn)出明顯的延后性或遲滯性（Tracey et al.，2003； Xu et al.，2006）。此外，無痛性通道突變體的末梢神經(jīng)顯示出對高溫（42 ℃）刺激的削弱反應，與在高溫檢測中無痛性通道的作用一致。因此，無痛性通道可看作是一種高溫感受器。在果蠅成蟲中，無痛性通道和TRPA1也與高溫傷害感受有關(guān)（Neely et al.，2011； Zhong et al.，2012），但這種機制是否與幼蟲類似尚不清楚。Lee等（2005）研究發(fā)現(xiàn)，果蠅的高溫（>40 ℃）耐受性還部分依賴于另一個TRPA通道即發(fā)熱通道，當暴露在40 ℃高溫下，缺乏發(fā)熱功能的果蠅成蟲較野生型的參照物（具有發(fā)熱功能的果蠅成蟲）更快速及更頻繁地出現(xiàn)麻痹無力。在高溫刺激反應時，對無痛性通道和發(fā)熱通道的需求是否存在明顯重疊尚未檢測，但這兩個通道已被公認為能對37～42 ℃內(nèi)被激活的溫度調(diào)節(jié)TRPs通道進行編碼。

1. 3 果蠅大腦對溫度信息的處理

溫度影響昆蟲的生活方式，因其傳遞與環(huán)境相關(guān)的信息，而影響著昆蟲的舒適度。因此，昆蟲需適當?shù)剡m應各種溫度刺激以表現(xiàn)適當?shù)男袨榉磻岣猩窠?jīng)元的溫度敏感TRPs通道可檢測廣泛的溫度范圍，并有助于果蠅的行為反應（Tang et al.，2013）。但目前就一系列的溫度信息是如何在果蠅神經(jīng)回路中傳遞和集成的機理知之甚少。

Tang等（2013）的研究揭示了通過果蠅TRPA通道TRPA1和Pyx這兩種熱輸入間奇特的溫度集成：表達TRPA1通道的內(nèi)部AC熱感神經(jīng)元可探測到溫暖的溫度并調(diào)節(jié)溫度偏好行為，當溫度升高時，AC神經(jīng)元可被激活兩次，第一個反應是在25 ℃通過TRPA1通道，屬于TRPA1依賴型，第二個反應是在27 ℃通過果蠅第二觸角段，屬于Pyx依賴型，表明第二觸角段參與溫暖溫度的檢測；此外，通過Gal4（酵母轉(zhuǎn)錄因子）表達發(fā)熱功能的神經(jīng)元在AC神經(jīng)元上有突觸，且Pyx的突變能消除AC神經(jīng)元的第二個反應。說明AC神經(jīng)元集成了其特有的依賴于TRPA1通道的溫度響應和來自第二觸角段依賴于Pyx的溫度響應，揭示了從外圍神經(jīng)元到中央神經(jīng)元的熱感知信息是在果蠅頭部集成，并提供了溫度集成影響行為表現(xiàn)的途徑。

Liu等（2015，2016）探討了果蠅大腦如何處理來自熱和冷溫度感受器細胞的信息，第一次描述了突觸后神經(jīng)末梢的溫度感受器細胞的熱感知投射神經(jīng)元（Projection neurons， PNs），并通過示蹤線模型顯示，因冷卻而興奮的PNs接收來自冷溫度感受器的刺激，很少或未接收來自熱溫度感受器的輸入；與此相反，因升溫而興奮的PNs接收來自熱溫度感受器的刺激，以及來自冷溫度感受器（通過抑制性神經(jīng)元）的強烈交叉抑制；溫暖的PNs也接收來自冷溫度感受器的微弱興奮性輸入，但這種輸入通常被冷溫度感受器的強烈交叉抑制所掩蓋。

Frank等（2015）描述了因冷或熱或兩者共同刺激不同級別的熱感知PNs，認為PNs主要投射至蘑菇體（果蠅中央腦的亞結(jié)構(gòu)）、側(cè)角和后外側(cè)前腦，并發(fā)現(xiàn)能快速或緩慢適應的PNs，與Liu等（2015，2016）研究發(fā)現(xiàn)的熱感知PNs及其投射方式，以及對快速冷卻投射神經(jīng)元（Fast-cool-PNs）和緩慢冷卻投射神經(jīng)元（Slow-cool-PNs）的描述均一致。這兩項研究還描述了在其他研究中未涉及的兩種不同細胞類型，即冷細胞和熱細胞，它們是在Frank等（2015）研究中發(fā)現(xiàn)最多的PNs類型，對于果蠅正常的溫度偏好行為是必需的。盡管這兩項研究在果蠅細胞標記上存在差異，卻得出對熱感知PNs相似的描述，說明果蠅大腦的PNs對溫度感知反應的結(jié)論可靠。

2 果蠅的熱偏好

溫度對變溫動物的生理、生態(tài)和適應性具有深遠影響。極端溫度是有害的，甚至可能致命，從而對動物的行為產(chǎn)生重大影響，最終影響其進化適應性。雖然大多數(shù)變溫動物通過生理調(diào)節(jié)進行體溫調(diào)適的能力有限，但變溫動物并不完全受熱環(huán)境支配，許多動物還能在非常狹窄的物種特異性水平上利用行為調(diào)整（如穿梭于太陽和陰影之間）進行體溫調(diào)節(jié)（Di-llon et al.，2009）。行為體溫調(diào)節(jié)主要有兩方面的作用：一方面可幫助動物避免極端的高溫或低溫（Di-llon et al.，2009），另一方面能延長動物處于生理最適溫度的時間（Huey et al.，2003）。事實上，物種的熱偏好通常與溫度密切對應，該溫度可使動物的不同生理功能最大化（Angilletta et al.，2002）。此外，野外實地調(diào)查研究表明，溫度調(diào)節(jié)通常能在本質(zhì)上增強動物的生理功能（Hertz et al.，1993）。

熱或溫度偏好（Thermal or temperature preference，Tp）是指生物體在一系列可能的環(huán)境溫度中選擇的所處溫度。在野外，復雜多變的熱環(huán)境和生物環(huán)境使生物在野外所處的溫度不適合作為Tp的估計值。一般來說，果蠅的Tp不是固定不變，其對不同環(huán)境會作出相應的改變。此外，為利于繁殖、消化、躲避捕食，Tp有時可能會被徹底改變。影響果蠅成蟲Tp的潛在調(diào)節(jié)因子主要包括性別、年齡等，具體如下：

2. 1 性別

性別差異可能導致果蠅的Tp不同。研究發(fā)現(xiàn)，在溫度梯度內(nèi)雄性黑果蠅（D. virilis）偏好的溫度比雌性低得多（Yamamoto，1994），且這些果蠅的Tp呈現(xiàn)一種雙峰分布，峰值分別在14和32 ℃附近，雄性Tp更傾向于低溫的峰值（14 ℃附近），而雌性Tp相對普遍傾向于高溫的峰值（32 ℃附近）。然而，對于伊米果蠅（D. immigrans）（Yamamoto，1994）、擬果蠅（D. simulans）（Krstevska and Hoffmann，1994）和黑腹果蠅（D. melanogaster）（Sayeed and Benzer，1996）的雄性和雌性品種，其Tp相似。雖然不同性別的擬果蠅和黑腹果蠅Tp相同，但在飼養(yǎng)溫度影響Tp的方式上表現(xiàn)不同，雌性物種的Tp均對飼養(yǎng)溫度有強烈響應，表現(xiàn)為在低溫飼養(yǎng)環(huán)境下有更高的Tp，而雄性Tp對飼養(yǎng)溫度沒有任何響應。

2. 2 蟲齡

Tp也會隨著蟲齡而發(fā)生改變。對于黑腹果蠅，在羽化后的0～14 d其平均Tp沒有變化，在成蟲后的第0～5 d則呈下降的變化趨勢（Sayeed and Benzer，1996）。同樣地，對于黑果蠅和伊米果蠅來說，在羽化后的一周內(nèi)Tp較穩(wěn)定。關(guān)于不同蟲齡的果蠅個體間的溫度偏好行為差異的研究目前仍停留在描述這種現(xiàn)象產(chǎn)生的階段，尚缺乏從本質(zhì)上對其產(chǎn)生原因和機理的深層次探索。

2. 3 濕度

濕度也可能對Tp產(chǎn)生較大的影響，目前已知濕度偏好及溫度和相對濕度（RH）間關(guān)系緊密。Dillon等（2009）將3個果蠅物種置于一個非線性的溫度梯度（16.5～36.5 ℃）下12 h并進行監(jiān)控，RH分別設(shè)為0和100%，在RH為0時，6 h后果蠅開始在溫度梯度的低溫處聚集，而在RH為100%時，果蠅傾向于在29～32 ℃的范圍內(nèi)穩(wěn)定分布。該研究認為，干燥環(huán)境中的果蠅移動至較低溫度是為了盡量減少體內(nèi)水分損失，從而提高生存率。總之，濕度顯著影響了果蠅的Tp，因此在測量Tp時需考慮濕度的影響。

2. 4 光照

光照條件亦影響一些果蠅的趨溫行為。在某種程度上，果蠅行為的晝夜節(jié)律由溫度周期決定（Yoshii et al.，2002），因此，光的水平和晝夜節(jié)律可能會改變Tp。如自然界中高亮度的光線照射可能會增加昆蟲的熱負荷，從而使其尋求更涼爽的生存環(huán)境。晝夜節(jié)律（光暗交替）周期預示或象征著季節(jié)交替，季節(jié)變化反過來又涉及溫度變化。果蠅可相應地適應光暗交替的環(huán)境，因此即使在環(huán)境溫度不變的情況下，光暗交替循環(huán)也會引起Tp的變化（Dillon et al.，2009）。

濕度和光照對果蠅Tp的影響與果蠅的感覺器官和神經(jīng)系統(tǒng)密不可分，其感覺器官感知外界環(huán)境變化的能力決定了其溫度偏好行為的變化，而對果蠅感覺器官及神經(jīng)系統(tǒng)的研究將有助于了解其行為變化與外界環(huán)境刺激間的關(guān)系。

2. 5 溫度適應性訓練

黑腹果蠅和擬果蠅的成蟲經(jīng)過7 d不同溫度訓練后，其Tp并未發(fā)生改變，但若改變其預適應溫度的訓練方式，其Tp則發(fā)生變化，如在28 ℃下飼養(yǎng)所得成蟲的Tp比在19和25 ℃下飼養(yǎng)的低（Krstevska and Hoffmann，1994； 馬春森等，2005）。

2. 6 其他調(diào)節(jié)因子

Tp的不同還取決于變溫動物是被喂養(yǎng)還是禁食。在大多數(shù)情況下，變溫動物在禁食時更喜歡較低的溫度，在喂養(yǎng)時則更喜歡較高的溫度（Angille-tta et al.，2002），很可能是因為這種選擇策略可促使生長效率最大化（Minoli and Lazzari，2003）。但也有例外，有研究發(fā)現(xiàn)線蟲喂食后比禁食條件下更偏好溫度梯度間較低的溫度（Anderson et al.，2007）。在果蠅中未進行相關(guān)或類似的研究，但饑飽狀態(tài)對果蠅的Tp也可能存在影響。

在Tp的許多潛在或可能的影響變量或其相互作用中，針對果蠅進行的深入研究相對較少。此外，通過非生物條件與昆蟲生理狀態(tài)相互作用的程度確定其在野外環(huán)境中的Tp，在很大程度上是未知的且比較復雜。如Taylor（1986）利用一個迷宮裝置研究3個因素[光照（光明或黑暗）、飼養(yǎng)溫度（15或25 ℃）和喂食糖類（麥芽糖或乳糖）]對擬暗果蠅（D. pseudoobscura）棲息地選擇的影響，發(fā)現(xiàn)3個因素間復雜的相互作用，如果蠅在光照下偏好涼爽棲息地，但在黑暗中卻不能區(qū)分涼爽和炎熱的棲息地。這項試驗和許多因素可能影響Tp的證據(jù)證實，今后的工作需結(jié)合詳細、可控的實驗室研究和野外實地試驗，在考慮多種及變化的非生物和生物變量的情況下，確定果蠅成蟲在多大程度上調(diào)節(jié)Tp。

3 以果蠅為模型的耐熱性研究

熱休克蛋白表達是生物體對熱刺激最基本的反應。研究發(fā)現(xiàn)，短暫的熱刺激可誘導黑腹果蠅唾腺的多線染色體生成膨突，膨突的產(chǎn)生顯示該區(qū)域染色體已被活化（韓政等，2010），經(jīng)Tissieres等（1974）證實，在熱激的果蠅組織中產(chǎn)生了一類新型的蛋白質(zhì)，稱之為熱休克蛋白或熱激蛋白（Heat shock or stress proteins， Hsps）。目前以果蠅為模型進行的耐熱性研究主要集中于果蠅熱休克蛋白的誘導表達、表達量與溫度閾值、基因結(jié)構(gòu)變異及功能成分對其耐熱性的影響。

3. 1 熱休克蛋白的誘導表達與果蠅耐熱性的相關(guān)性

Feder和Krebs（1997）發(fā)現(xiàn)太陽照射下的果蠅幼蟲和蛹體內(nèi)表達了大量的熱休克蛋白，使其可抵抗40 ℃的高溫。對熱休克蛋白基因缺失果蠅突變體的研究結(jié)果表明，至少某些熱休克蛋白對有機體在高溫下的存活和耐熱性的獲得是必需的（韓政等，2010）。如將多拷貝的Hsp70（Hsps的其中一個家族）基因或Hsp70反義基因轉(zhuǎn)錄到果蠅體內(nèi)的試驗表明，Hsp70在果蠅耐熱性的獲得上具有重要作用（Feder et al.，1996）。以上結(jié)果均表明熱休克蛋白的誘導表達能提高果蠅對高溫脅迫的耐受性。此外，熱休克蛋白基因的存在與細胞獲得耐熱性的速度有關(guān)（韓政等，2010）。Solomon等（1991）研究發(fā)現(xiàn)，向果蠅細胞中導入Hsp70基因，其耐熱性的獲得較未導入Hsp70基因的細胞快，向果蠅細胞中導入抑制熱激表達的基因時，其耐熱性的獲得比未導入Hsp70基因的細胞慢。攜帶12種Hsp70原始基因的黑腹果蠅比野生型（無Hsp70基因）能夠更快速地獲得耐熱性（Fe-der et al.，1996）。在果蠅對熱脅迫的適應中，最受關(guān)注的是果蠅經(jīng)熱刺激后耐熱性的提高與熱休克蛋白的表達呈正相關(guān)。如Dahlgaard等（1998）檢測果蠅成蟲高溫暴露后不同時段的Hsp70的表達水平時發(fā)現(xiàn)，果蠅的耐熱性與Hsp70的表達量呈正相關(guān)。Goto和Kimura（1998）研究發(fā)現(xiàn)，在冷激條件下亞熱帶低海拔地區(qū)的果蠅誘導熱休克蛋白表達的溫度閾值比溫帶及亞熱帶高海拔地區(qū)的高，說明在果蠅中誘導熱休克蛋白基因表達的溫度閾值與耐熱性呈正相關(guān)。

盡管已有研究表明含較高水平熱休克蛋白的果蠅具有較高的耐熱性（And and Lindquist，1993），但并非所有研究均認可這一觀點（Feder and Hofmann，1999； Jensen et al.，2010）。Lansing等（2000）將黑腹果蠅置于5種熱環(huán)境下研究其熱暴露后Hsp70的表達，并對比熱暴露組與非熱暴露組的耐熱性，結(jié)果顯示，在不同的熱環(huán)境下其耐熱性可獨立于誘導的Hsp70表達而改變；經(jīng)熱暴露后，雄性果蠅成蟲的存活率高于雌性，但每單位Hsp70的表達并未改變，且幼蟲表達的每單位Hsp70比成蟲少。沿澳大利亞東部海岸線，黑腹果蠅的種群表現(xiàn)出耐熱性及耐高溫性，低緯度熱帶種群的耐熱性更好；在溫和熱應激后不同緯度生態(tài)群的總蛋白質(zhì)合成率也表現(xiàn)不同，熱帶種群具有更高的蛋白合成率。由于熱應激后蛋白質(zhì)合成是細胞熱休克反應的一個重要組成部分，Cockerell等（2013）假設(shè)在熱應激后更高的Hsp70表達能使果蠅耐熱性更佳，結(jié)果發(fā)現(xiàn)熱應激總蛋白合成水平與耐熱能力呈負相關(guān)，這是一個矛盾的結(jié)果。Johnson等（2009）利用兩組獨立的單對交配系果蠅分析了熱休克前和熱休克后其卵巢組織中蛋白合成率的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這兩組熱休克蛋白的合成率與熱暴露后的耐熱性增加呈負相關(guān)，與Cockerell等（2013）的研究結(jié)果相似，即這種關(guān)聯(lián)在每一組不同性別的果蠅中均得以體現(xiàn)，而Hsp70合成率的變化與耐熱性水平無關(guān)。說明果蠅熱應激后蛋白質(zhì)合成率的遺傳變異獨立于Hsp70的變化，而有助于果蠅耐熱性的改變。

3. 2 熱休克蛋白基因序列變異與果蠅耐熱性的關(guān)系

熱休克蛋白基因序列的變異與果蠅對溫度的適應性也存在一定的相關(guān)性。Solomon等（1991）利用反義Hsp70導入和野生型基因拷貝分別形成獲得Hsp70表達不足和表達過度的細胞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Hsp70在果蠅熱耐受和熱休克調(diào)節(jié)中均發(fā)揮重要作用，但對熱耐受和熱休克調(diào)節(jié)的影響作用相對分離；過度表達Hsp70的細胞對果蠅熱耐受的影響比熱休克調(diào)節(jié)大，Hsp70表達不足的細胞則剛好相反，Hsp70羧基末端的缺失對果蠅熱耐受性有明顯的負作用，但對熱休克調(diào)節(jié)只有很小的影響，而Hsp70氨基末端的缺失強烈影響熱休克調(diào)節(jié)，對耐熱性卻沒有影響。Bettencourt等（2002）發(fā)現(xiàn)，在Hsp70基因內(nèi)部，適應不同緯度的果蠅種群間具有2個顯著差異：一個大的插入/缺失多肽位點（56H8/122）及一個單核苷酸多肽位點差異，對于源于澳大利亞東部不同緯度的11個果蠅種群而言，插入/缺失位點的頻率與緯度呈正相關(guān)，表明溫度變化可能對Hsp70基因的這一變異頻率產(chǎn)生影響。Anderson等（2003）發(fā)現(xiàn)，黑腹果蠅3號染色體右臂上hsr-omega基因缺失的8 bp作為一個遺傳標記，與其熱脅迫耐受性呈正相關(guān)。Evgenev等（2004）研究發(fā)現(xiàn)，Hsp70基因的數(shù)量與不同緯度果蠅種群的耐熱性存在潛在的聯(lián)系，拷貝有7個Hsp70基因的低緯度果蠅（D.virilis），其熱脅迫耐受性明顯高于只拷貝5個相應基因的果蠅（D.lummei），后者在分布上位于較高的緯度，說明Hsp70基因結(jié)構(gòu)與果蠅的適應緯度有關(guān)。以上研究結(jié)果均表明，保守的熱休克蛋白基因結(jié)構(gòu)的變異與果蠅的耐熱性間存在一定聯(lián)系。

3. 3 功能植物及營養(yǎng)素對果蠅耐熱性的影響

迄今為止，國內(nèi)以果蠅為模型的耐熱性研究主要集中于茶葉、中草藥浸提物及各類營養(yǎng)素對其耐熱性的影響及其影響機制的初探方面。張玖和戴艷玲（1997）研究表明，金銀花及其水提物可顯著提高果蠅的熱耐受能力。郭俊生等（1998）探究熱暴露溫度和時間對果蠅存活時間和Hsp70含量的影響，以及熱習服訓練的作用和茶葉提取液提高果蠅耐熱性的效果，結(jié)果顯示，果蠅存活時間隨著溫度的升高而減少；延長熱暴露時間可增加果蠅中熱休克蛋白的含量；果蠅熱習服訓練2～3次后熱耐受力顯著提高；苦丁茶和紅茶提取液有顯著提高果蠅耐熱性的作用。邱璐等（1999a，1999b）探究水溶性維生素B1、B2、C和脂溶性維生素A、E能否提高熱環(huán)境下果蠅的適應能力及可能的機制，結(jié)果發(fā)現(xiàn)維生素B1、B2和C 能顯著增加果蠅生存時間，在有效劑量干預下果蠅的Hsp70含量也增加，較低劑量的維生素A 或維生素E對熱暴露的果蠅具有保護作用，且認為這種作用可能與其能誘導果蠅產(chǎn)生更多的熱休克蛋白有關(guān)。秦海宏等（2000）探討微量元素提高果蠅熱適應能力的作用及其機理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Zn、Fe、Se、Sn、Si和Mo能顯著提高熱暴露果蠅的存活率，且其作用機理可能與Hsp70合成增加有關(guān)。邱璐等（2000）考察泛酸鈣、吡哆醛、葉酸和生物素等4種維生素對熱暴露果蠅平均生存時間的影響，發(fā)現(xiàn)除吡哆醛外，其余維生素均有一種或幾種劑量能顯著延長熱暴露果蠅的平均生存時間和Hsp70的含量。郭俊生等（2001）研究了由維生素C、B1、B2和K、Na和Ca等組成的復合微量營養(yǎng)素對熱暴露果蠅存活率及Hsp70含量的影響，發(fā)現(xiàn)復合微量營養(yǎng)素能顯著增加熱暴露果蠅的存活率和提高熱暴露果蠅的Hsp70含量。李向輝等（2001）將苦丁茶與微量元素、維生素復合制成強化苦丁茶飲料，發(fā)現(xiàn)其具有提高熱暴露果蠅耐熱性的作用。徐增康等（2003）研究氨基酸對熱暴露果蠅生存能力的影響，發(fā)現(xiàn)谷氨酰胺、苯丙氨酸、酪氨酸、谷氨酸和精氨酸可延長熱暴露果蠅的生存時間，但不存在劑量—效應關(guān)系。鄭藝欣等（2016）利用野菊花水提物喂養(yǎng)果蠅并對其進行熱暴露試驗和熱適應試驗，結(jié)果表明，不同濃度的野菊花水提物均可顯著延長雌性果蠅半數(shù)致死時間、平均存活時間及最高存活時間，但濃度≥3%時才能延長雄性果蠅的熱耐受能力；不同濃度的野菊花水提物對果蠅熱耐受指標的影響無明顯規(guī)律。以上涉及營養(yǎng)素能提高果蠅耐熱性的研究基本認為，耐熱性的提高與熱暴露過程中喂食營養(yǎng)素的果蠅體內(nèi)的熱休克蛋白含量增加相關(guān)，但對于耐熱性與果蠅熱休克蛋白的關(guān)聯(lián)機制并未作進一步探究。

4 展望

在全球氣候變暖的大背景下，極端高溫天氣出現(xiàn)的頻率明顯增加，一些高溫作業(yè)人群因惡劣的高溫環(huán)境中暑現(xiàn)象頻發(fā)（陳旭和周欣，2011），因此，近年來以果蠅為模式生物進行熱應激及耐熱性等方面的研究逐漸增多。在果蠅熱感知機制方面的研究中，部分神經(jīng)元和溫度感受器分子已被認知，但對于溫度感受器如何發(fā)揮作用仍了解甚少，如溫度激活分子溫度感受器的機制、幼蟲背側(cè)器官中發(fā)現(xiàn)的熱敏性感受器是否能反映特定的信號擴增路徑等（Arshavsky and Burns，2014），且仍有許多關(guān)鍵的熱感知神經(jīng)元和溫度感受器分子尚未識別。在神經(jīng)回路上，雖然一些響應熱感受器激活的中間神經(jīng)元已被表征，但隨著基因工具的不斷增加，將改變?nèi)藗儗ι锶绾翁幚頍岣兄畔⒓敖Y(jié)合其他感覺信息輸入調(diào)節(jié)行為的理解，也有助于預測氣候變化對其他昆蟲的影響（Franks and Hoffmann，2012）。今后果蠅熱感知機制還將繼續(xù)在人類腦科學研究中進一步驗證和深化，有助于揭示人體在熱刺激下的體溫調(diào)節(jié)機制，從而探索出更合理的熱損傷預防措施。

在果蠅熱偏好研究方面，目前的研究大多集中在環(huán)境和生理狀態(tài)對果蠅熱偏好的影響方面。今后可探索以果蠅熱偏好試驗為模型，研究食物對生物體熱偏好的影響，探索通過食物調(diào)節(jié)人體最適溫度的方法，降低室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)的能耗，從而減少碳排放以保護生態(tài)環(huán)境。

在果蠅耐熱性研究方面，國內(nèi)已有較多的研究，主要是一些營養(yǎng)素和功能植物對果蠅耐熱性的影響，但關(guān)于這些成分的作用機制研究甚少。因此，結(jié)合已知的果蠅熱感知機制，可進一步探索具有防暑功效的中草藥及營養(yǎng)素等在分子水平上對從果蠅到人體的熱應激影響機制研究，探尋對防暑起關(guān)鍵作用的藥理功效成分。

總之，通過果蠅熱應激生理機制的研究，將進一步明確生物與環(huán)境溫度的交互作用機制，從而在促進人類健康、推動節(jié)能減排及保護生態(tài)環(huán)境等方面起到積極作用。

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（責任編輯 麻小燕）