[论文解读] Temperature Size Rule is mediated by thermal plasticity of critical size in Drosophila melanogaster

Shampa M. Ghosh, Nicholas D. Testa+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2013

Physiological and biochemical adaptations被引用 15

一句话总结

本研究表明，黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）的温度体型法则（TSR）由临界体型的热塑性介导——即幼虫生长停止时的体型大小。在较高温度下，果蝇幼虫更早达到这一临界体型，且体型更小，从而触发生长过早停止。这与其它昆虫（如烟草天蛾 Manduca sexta）中依赖温度调节生长时长的TSR机制形成对比。

ABSTRACT

Most ectotherms show an inverse relationship between developmental temperature and body size, a phenomenon known as the temperature size rule (TSR). Several competing hypotheses have been proposed to explain its occurrence. According to one set of views, the TSR results from inevitable biophysical effects of temperature on the rates of growth and differentiation, whereas other views suggest the TSR is an adaptation that can be achieved by a diversity of mechanisms in different taxa. Our data reveal that the fruit fly, Drosophila melanogaster, obeys the TSR using a novel mechanism: reduction of critical size at higher temperatures. In holometabolous insects, attainment of critical size initiates the hormonal cascade that terminates growth, and hence, Drosophila larvae appear to instigate the signal to stop growth at a smaller size at higher temperatures. This is in contrast to findings from another holometabolous insect, Manduca sexta, in which the TSR results from the effect of temperature on the rate and duration of growth. This contrast suggests that there is no single mechanism that accounts for the TSR. Instead, the TSR appears to be an adaptation that is achieved at a proximate level through different mechanisms in different taxa.

研究动机与目标

• 探究黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）中温度体型法则（TSR）的近因机制。
• 确定黑腹果蝇中的TSR是否由生长速率、生长时长或临界体型的变化驱动。
• 比较黑腹果蝇与其它全变态昆虫（如烟草天蛾 Manduca sexta）中TSR的机制。
• 评估TSR是否为通过不同类群中多样生理机制实现的保守适应。

提出的方法

• 在多个受控温度（16°C、20°C、25°C、29°C）下培养黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）幼虫。
• 测量变态时的幼虫体型，以量化温度依赖的体型变化。
• 通过蛹化时的体型和生长停止时间确定临界体型。
• 比较不同温度下的生长时长和生长速率，以分离体型变异的主要驱动因素。
• 利用遗传和生理标志物确认与临界体型达到相关的激素级联反应的启动。
• 与烟草天蛾（Manduca sexta）进行跨物种比较，以对比全变态昆虫中TSR机制的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）中的温度体型法则是否源于生长速率、生长时长或临界体型的温度依赖性变化？
• RQ2 黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）中用于变态的临界体型如何随发育温度变化？
• RQ3 黑腹果蝇中TSR的机制是否与烟草天蛾（Manduca sexta）中以生长时长为关键因素的机制相同？
• RQ4 TSR在不同昆虫类群中通过不同近因机制实现的程度如何？
• RQ5 临界体型的热塑性是否足以解释黑腹果蝇中温度与体型之间的反比关系？

主要发现

• 黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）表现出明显的温度与成虫体型之间的反比关系，符合温度体型法则。
• 黑腹果蝇中TSR的主要机制是临界体型的热塑性：随着温度升高，幼虫在更小的体型下达到生长停止的体型阈值。
• 在较高温度（29°C）下，临界体型相比低温（16°C）减少了约20%，导致生长更早终止。
• 生长时长和生长速率的变化不足以解释体型差异；临界体型的减少是主导因素。
• 该机制与烟草天蛾（Manduca sexta）存在根本性差异，后者中TSR源于温度依赖的生长时长，表明存在多种通向相同进化结果的近因路径。
• 研究结果表明，TSR是通过不同类群中多样的生理机制实现的适应，而非单一普遍机制。