昆虫呼吸与能量代谢监测的研究和应用

在气候变化的大背景下，为了减缓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基本的生理功能，也是容易受到环境变化影响的部分。有大量的科研人员将关注ZX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。

图1. 左：新西兰奥克兰大学生物安全研究团队使用的SSI昆虫呼吸与能量代谢监测方案；右：部分实机图

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 V_CO2）和水分流失率（如 V_H2O）差异。

图2. 来自两个 Acanthoxyla geisovii 的生理活动痕迹记录。

图2中昆虫的活动参数是无量纲量，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）。 V_H2O 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 V_CO2 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) V_CO2 降低为稳定的 CGE 模式，以蓝色区域为选择标准进行后续采样分析。B) V_CO2 降低为 CyGE 模式，蓝色区域为满足选择标准的ZH一个完整循环，其中浅蓝色部分表示间爆发期，深蓝色部分表示爆发期。

图3. 在物种、性别和地理位置之间的爆发和间爆发期产生的平均质量独立 V_CO2的比较。

图4. 11种竹节虫V_CO2与试验前&试验时体重的关系，以及水分流失参数：A)总失水量 (TWL)、B)表皮失水量(CWL)、和C)呼吸失水量 (RWL)。

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ZG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。

图5. 在10、15、20°C环境下，成年雌性小花蝽在热驯化16天（a）后和7天（b）后的单位质量CO2产生率。不同字母表示显着差异（Dunn test at α = 0 . 0 5）。

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极端寒冷环境的能力，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SSI（Sable 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V_CO2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。

图6. M. rotundata在休息和飞行期间的代谢率。飞行期间（蓝线）和休息时（红线）的JDCO2排放量 (A)。飞行（蓝色）和休息（红线）期间的质量比代谢率（B）。蜜蜂在飞行期间 (p < 0.001) 和休息时 (p < 0.003) 的JD CO2 排放量 (A) 随着体型的增大而增加。质量比 CO2 排放量 (B) 在飞行期间不随体型变化 (p = 0.679)，但在静止时 CO2 排放量随体型减小 (p = 0.042)。所有面板中的灰色阴影表示 95% 置信区间。

图7. 不连续气体交换与体型的关系。显示不连续气体交换 (DGE) 的呼吸测量轨迹示例，包括闭合相、颤动相和开放相 (A)。身体大小与不连续气体交换的(B)开放(p = 0.786)、(C)封闭(p = 0.729)或(D)颤动(p = 0.190)阶段的持续时间无关。体型较大的蜜蜂具有显着更高的CO2排放率(E) (p < 0.001)，但一旦校正质量(F)，产生的CO2量没有差异(p = 0.534)。灰色阴影表示95%的置信区间。

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的昆虫活动监测仪和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JD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CO₂、O₂及H₂O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FZ、医学实验、预防医学研究实验等研究方向。

图8. 16通道微小昆虫能量代谢表型分析系统

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多通道系统，可选择同时测量CO2、O2、RQ及H2O，亦可根据要求只选择测量CO2或O2的测量系统。系统测量结果除了常见的实时氧气消耗量（V_O2）、二氧化碳产量（V_CO2）、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、ZD代谢率 MRmax 等），以及获得呼吸水分丧失（EWL）、能量当量、活动指数、ZD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 .