Bicyclus anynana蝴蝶正负学习中的感官转录组差异：揭示配偶偏好学习的神经基因组基础

《Journal of Comparative Physiology A》：Divergent sensory transcriptomic profiles in positive and negative learning in Bicyclus Anynana butterflies

语 本研究针对动物配偶偏好学习中“效价归因”（即偏好或回避的神经机制）不清的问题，以Bicyclus anynana蝴蝶为模型，通过RNA测序比较正/负训练条件下雌蝶触角、眼睛和脑组织的转录组差异。结果发现感官组织（触角在负训练中、眼睛在正训练中）呈现特异性转录响应，表明效价编码不仅限于脑部；同时鉴定出与经典条件反射共享的分子通路（如多巴胺/章鱼胺信号），为印记式学习与关联学习的机制关联提供了新证据。

　　

在动物行为学中，配偶偏好学习（mate preference learning）是一种广泛存在的现象，个体通过早期经验形成对特定表型的偏好或回避，进而影响生殖隔离和性状演化。然而，这种学习过程中“效价归因”（valence attribution）——即决定对刺激产生积极或消极价值的神经机制——长期存在争议：其遗传基础是否仅由脑部高级中枢调控？抑或外周感官组织也参与其中？此外，印记式学习（imprinting-like learning）是否与经典条件反射（classical conditioning）共享分子通路？这些问题在非模式生物中尤为缺乏研究。

为了解答这些难题，美国阿肯色大学与克莱姆森大学的研究团队以非洲蝴蝶Bicyclus anynana为模型，开展了一项神经基因组学研究。这种蝴蝶的雌性可通过早期暴露于不同视觉（翅膀眼斑数量）和嗅觉（性信息素）刺激组合，形成正性（偏好4斑雄蝶）或负性（回避2斑雄蝶）的配偶偏好。研究人员将初羽化雌蝶分为三组： na?ve（无训练）、正训练（接触4斑+完整信息素雄蝶）、负训练（接触2斑+信息素干扰雄蝶），在1小时训练后立即取头部分离触角、眼睛和脑组织，通过RNA测序（RNA-seq）比较转录组差异。

关键技术方法

研究利用实验室繁殖的Bicyclus anynana蝴蝶，对年龄匹配的雌蝶进行标准化行为训练（n=10/组），通过RNA-seq分析三种组织的基因表达。采用STAR软件将测序数据比对至参考基因组（v1.2），使用DESeq2进行差异表达分析，并通过置换检验（permutation test）确定显著差异基因（DEGs）。通过BLAST比对和功能注释（GO term）鉴定基因功能，重点关注与学习记忆、神经递质受体和表观调控相关的通路。

研究结果

1. 感官器官与脑部在不同训练条件下的转录组特征

与“效价编码仅发生于脑部”的传统假说相反，三种组织均出现大量训练特异性DEGs。触角（嗅觉处理）在负训练中DEGs数量最多（133个），而眼睛（视觉处理）在正训练中响应最显著（157个），表明感官组织可能主动参与效价编码。例如，嗅觉受体Or92a和视觉相关基因（Optix、Patj）均出现差异表达。

2. 跨效价背景的共享学习基因

研究人员筛选出在正、负训练中表达趋势一致的DEGs，作为“学习本身”相关候选基因。触角中代谢型谷氨酸受体（mGluR）和脑部甘露糖苷酶（GCSI）在两种训练中均上调，二者在果蝇和小鼠中均被证实参与记忆形成。

3. 效价关联基因的拮抗表达模式

通过筛选在na?ve组表达稳定、在正负训练中表达相反的基因，发现组蛋白去乙酰化酶HDAC1在脑部负训练中上调、正训练中下调，而眼睛中的膳食谷氨酸转运体（dmGlut）则呈现相反模式，提示表观调控和神经递质运输可能直接调控效价方向。

4. 印记式学习与经典条件反射的分子重叠

研究鉴定出多个经典条件反射相关基因在训练中差异表达，包括眼睛中多巴胺转运体（DAT）、多巴胺1样受体（Dop1R1），以及章鱼胺受体（Oamb、Octα2R）。此外，触角中立即早期基因c-jun（Jra）在负训练中上调，进一步支持两种学习形式存在共享机制。

结论与意义

本研究首次在蝴蝶中揭示配偶偏好学习的转录组基础，挑战了“效价编码仅发生于中枢神经系统”的传统认知，证明感官组织通过特异性转录响应参与学习过程。同时，发现印记式学习与经典条件反射共享多巴胺/章鱼胺等胺能信号通路，为理解不同学习形式的进化关联提供了分子证据。此外，HDAC1等表观调控因子的效价特异性表达，提示染色质重塑可能在快速行为适应中起关键作用。这些发现不仅拓展了对无脊椎动物学习机制的认知，也为研究环境经验驱动生殖隔离的演化机制提供了新视角。

该研究于2025年发表于《Journal of Comparative Physiology A》，所有原始数据已公开于NCBI（PRJNA1257361）和Dryad平台。