咖啡因诱导的番腹果蝇由强至弱毒物兴奋效应：两种暴露方案下的生理和发育反应

《Journal of Insect Physiology》：Caffeine-induced strong-to-slight hormesis in Drosophila ananassae: Physiological and developmental responses across two exposure regimes

　　

•咖啡因在仅成虫暴露和联合暴露试验中诱导了Drosophila ananassae的浓度依赖性双相反应。
•低浓度咖啡因（0.6–1.8 mg/ml）增强了成虫存活率，维持了发育。
•高浓度咖啡因（≥3.0 mg/ml）降低了适合度并延迟了发育。
•毒力指数（HI）在低浓度时从刺激状态（HI > 0）转变为高浓度时的抑制状态（HI < 0）。
•发育延迟在幼虫后期和蛹期最为明显。
•各姊妹系之间的反应存在差异，表明咖啡因响应性存在遗传变异。

引言

咖啡因（1,3,7-三甲基黄嘌呤）是一种天然存在的生物活性化合物，广泛存在于茶叶、咖啡、可可及其他一些植物中（Mustard, 2014; Ashihara等, 2017）。它主要以刺激性作用而著称；然而，近年来的证据表明其生理和发育效应具有强烈的剂量依赖性（Mustard, 2014）。毒力反应指的是一种双相剂量依赖性现象，其特征是低剂量胁迫物会引起刺激或适应性反应，而较高剂量则产生抑制作用，降低生理功能并减少适合度（Calabrese, 2014）。在各种昆虫类群中均有报道存在毒力反应，这些类群暴露于化学、营养和环境胁迫物中，且与存活、寿命、代谢储备、发育和行为相关（Calabrese, 2014; Cutler等, 2022）。尽管越来越多的证据表明昆虫中存在剂量依赖性的咖啡因反应，但这些效应很少被明确地在毒力反应框架内进行解释。

多项研究报告了低剂量咖啡因的有益效应。在Apis mellifera中，经咖啡因处理的蜜蜂寿命延长，且抗氧化酶和蛋白酶水平升高（Strachecka等, 2014）；它还改善了蜜蜂对花香的学习和记忆能力（Wright等, 2013）。类似地，在L. humile（阿根廷蚁）中，低至中等浓度的咖啡因促进了学习、运动能力和导航效率（Galante等, 2024）。在D. melanogaster的PGRP-LB突变体中，低浓度咖啡因（0.016 mM）处理延长了寿命并改善了细胞质抗氧化功能（Asbah等, 2021）。同样，在Drosophila melanogaster突变系中，咖啡因延长了幼虫寿命，显示了其抗衰老和免疫抑制活性（Nainu等, 2024）。这些研究表明，低剂量咖啡因通过毒力反应改善了昆虫的生理性能和胁迫耐受性，符合毒力反应的模式。

相反，较高浓度的咖啡因通常对昆虫的存活和适合度产生不利影响。较高剂量的咖啡因补充蔗糖/琼脂糖糖饮食减少了D. melanogaster肠道中 reactive oxygen species（ROS）的水平，降低了寿命并增加了ROS以控制肠道微生物群（Qush等, 2023）。暴露于0.025%和0.05%咖啡因浓度会降低存活率并增强Dop1-R1 mRNA的表达，该基因编码对果蝇存活至关重要的多巴胺1样受体（Suh等, 2017）。在D. melanogaster Canton-S品系中，随着咖啡因浓度升高（1.25 mg/ml, 2.5 mg/ml），寿命降低（Nikitin等, 2008）。此外，在Drosophila prosaltans中，长期咖啡因暴露显著降低了寿命和繁殖力（Itoyama和Campos Bicudo, 1992; Itoyama等, 1998）。在Lucilia sericata中，高剂量咖啡因降低了寿命和脂质水平（Naing等, 2025）。这些发现表明，过量咖啡因暴露降低了存活率、繁殖力和代谢状况，从而代表了毒力反应的抑制阶段。

在D. prosultans中，在较高咖啡因剂量下，咖啡因暴露降低了寿命并改变了卵的产卵率，持续了十个世代（Itoyama等, 1998）。然而，在实验结束时，所有处理组（50–1500 μg/ml）的果蝇都恢复了正常的生产力，除了接受极高浓度（2500 μg/ml）处理的果蝇，其产生了持续的有害效应（Itoyama等, 1998）。同样，在Aedes aegypti中，跨世代的咖啡因处理在200和500 μg/ml时降低了生产力（Laranja等, 2006）。在一项关于D. prosaltans的单世代效应研究中，观察到以剂量依赖的方式降低了繁殖力、增加了发育时间和寿命（Itoyama和Campos Bicudo, 1992）。较低浓度（50 μg/ml）的咖啡因减少了22%的产卵量，而较高浓度（1500 mg/ml）减少了多达87%的产卵量（Itoyama和Campos Bicudo, 1992）。此外，含有咖啡因的能量饮料也导致果蝇过早羽化，可能是由于咖啡因的兴奋作用改变了发育生理（Wollard等, 2006）。因此，这些发现突出了咖啡因对昆虫生活史阶段的剂量依赖性影响，符合毒力反应模式的生活史调控。

脂质是昆虫的主要能量来源，对胚胎发生、变态、存活和繁殖至关重要（Li等, 2023; Kaczmarek等, 2024）。在D. melanogaster中，繁殖力与卵巢脂质含量呈正相关，与胁迫抗性呈负相关，强调了脂质分配在生命史性状中的重要性（Kalra和Parkash, 2014）。类似地，L. sericata果蝇接受较高浓度咖啡因处理的个体脂质含量较少，寿命较短，而接受较低浓度处理的个体则相反（Naing等, 2025）。在某一种蚂蚁中，脂肪含量与卵巢发育相关（Kishino等, 2024），在Aedes albopictus中，高浓度咖啡提取物降低了产卵和幼虫羽化（Satho等, 2015）。然而，咖啡因可以产生剂量依赖性的双相反应；其对脂质含量的影响及其与存活和繁殖力的关系在昆虫中仍知之甚少。

不同浓度的咖啡因可以对昆虫产生有害或有益的影响；然而，综合研究存活、生命史性状、代谢储备和发育反应跨越咖啡因浓度梯度的全面研究仍然有限。本研究探讨了递增咖啡因浓度（0.6、1.2、1.8、2.4、3.0、3.6、4.2、4.8 mg/ml）对Drosophila ananassae姊妹系多个性状的影响。该研究确定不同的咖啡因处理是否在低浓度下通过毒力刺激增强成虫性状（如存活和繁殖力），同时保持发育性状接近其生物学最大值，与高浓度下的胁迫相关反应形成对比，使用了两种不同的暴露方案。在第一个试验（仅成虫暴露）中，我们评估了成虫存活率和LT??（50%果蝇死亡所需的致死时间）；繁殖力（天?1）；体重；和成虫脂质含量。在第二个试验中，我们在联合暴露方案下评估了后代的发育情况，其中亲本F1成虫在交配前接受短期（7天）暴露，后代则从卵期开始到发育过程中持续暴露于相同的咖啡因浓度下。我们在联合暴露下评估了发育持续时间、卵孵化比例和蛹羽化动力学（累计蛹羽化比例、蛹羽化比例和羽化时间ET??）。因此，第二个试验测量了在相同咖啡因浓度下联合暴露的后代发育表现；亲本成虫暴露和后代直接暴露的独立贡献在此试验中无法分离。通过纳入十个姊妹系，本研究还评估了对咖啡因响应的遗传变异以及耐受性可能存在基因型依赖性差异的潜力。我们假设低浓度咖啡因将通过毒力刺激增加成虫性状，特别是存活和繁殖力，而较高浓度则会在成虫中降低存活、繁殖输出和代谢储备，并在联合暴露方案下延迟发育。

方法片段

采集与培养
从2025年10月印度古鲁格拉姆（纬度28°23′N；海拔230 m；经度77°02′E）用诱捕陷阱和网扫法在腐烂水果和其他基质上采集野生Drosophila ananassae果蝇（N ≈ 300–500）。采集时，平均环境温度为25°C，相对湿度（RH）为50–55%（印度热带气象研究所；IITM；www.tropmet.res.in）。用野外捕获的雌性果蝇建立姊妹系（IF），并培养其后代……

不同浓度咖啡因对存活的影响
不同咖啡因浓度（0.6–4.8 mg/ml）对D. ananassae雌蝇成虫存活的影响（与对照组相比，对照组以玉米粉酵母琼脂培养基饲养）如图1所示。Kaplan-Meier生存分析揭示了一种浓度依赖性双相反应。以低浓度咖啡因（0.6–1.8 mg/ml）饲养的果蝇与对照组相比存活率显著增加，而在较高咖啡因浓度（2.4–4.8 mg/ml）下，存活概率降低（讨论部分将对此进行阐述）。

讨论

咖啡因，一种甲基黄嘌呤化合物，在Drosophila ananassae中表现出浓度依赖性的毒力反应，这种反应在两种暴露方案之间有所不同。在仅成虫暴露下，较低咖啡因浓度（0.6–1.8 mg/ml）显著延长了存活时间（LT50），对繁殖力（天?1）和脂质含量（μg/只）有中度变化。Kaplan-Meier生存分析支持了对成虫果蝇的毒力反应解释，在0.6–1.2 mg/ml时与对照组相比约有1.6倍的增加。

结论

咖啡因在D. ananassae中表现出双相、浓度依赖性效应。在仅成虫暴露试验中，低浓度咖啡因相对耐受良好，并与增强的存活率、繁殖力和脂质含量相关。在涉及短期亲本成虫暴露后连续后代发育暴露的联合暴露方案下，低浓度保持了接近对照的羽化和发育表现，孵化比例略有增加。

CRediT作者贡献声明
Bhawna Kalra：撰写 – 原稿，验证，方法论，调查研究，形式化分析，概念化。
Amit Kumar Maurya：撰写 – 审阅与编辑，软件，资源，形式化分析。
Khilendra Singh：撰写 – 审阅与编辑，验证，资源，形式化分析。
Bhavya Trivedi：撰写 – 原稿，方法论，调查研究，形式化分析，概念化。
Santosh Kumar Singh：撰写 – 原稿，验证，监督，软件，资源。

利益冲突声明
作者声明不存在已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本研究中报告的工作。

致谢
我们真诚地感谢匿名审稿人的宝贵建议，这些建议帮助改进了手稿。作者还衷心感谢SGT大学古鲁格拉姆分校中央科学仪器设施（CSIF）提供的设施，使实验能够成功进行。

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