《Nature》：Ecological and social cues orchestrate concerted courtship in Drosophila
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交配决策通常被归因于潜在性伴侣之间的感觉信号传递。然而，这些相互作用也受到其展开的更广泛环境背景的塑造，以使性唤醒与繁殖机会适当对齐。本研究表明，在Drosophila erecta中，交配严格依赖于果蝇在食物斑块上密集聚集所形成的生态和社会环境。研究发现，食
交配决策通常被归因于潜在性伴侣之间的感觉信号传递。然而，这些相互作用也受到其展开的更广泛环境背景的塑造，以使性唤醒与繁殖机会适当对齐。本研究表明，在Drosophila erecta中，交配严格依赖于果蝇在食物斑块上密集聚集所形成的生态和社会环境。研究发现，食物挥发物直接促进雄性性唤醒，触发个体采样和追逐潜在配偶，从而在群体中产生动态相互作用。随之产生的视觉运动改变了每个雄性的视野，进而进一步放大其唤醒水平，产生一个多感觉反馈环路，协调促进个体间的求偶行为。D. erecta对环境线索的严格依赖在相关物种中似乎是潜在的，例如Drosophila melanogaster，其中食物气味可以促进唤醒但对强烈求偶并非不可或缺。比较回路分析表明，性唤醒的物种特异性阈值反映了嗅觉输入调节控制求偶驱力的保守节点的差异，使得食物挥发物仅在D. erecta中成为严格的感觉门控。总之，研究结果强调了与性信号不直接相关的环境线索如何能够深刻影响繁殖行为并重组社会景观，以确保交配发生在繁殖机会丰富的环境中。
**研究背景与科学问题**
交配决策通常被归因于潜在性伴侣之间的感觉信号传递，但越来越多的证据表明，更广泛的环境背景也在塑造这些相互作用。社会线索对于协调个体间相互作用至关重要，促进群体动态的出现，包括交配、攻击和集体觅食。然而，社会相互作用并非孤立发生，而是在更广泛的环境背景中展开，该背景决定了社会行为表达的时间、地点和方式。求偶和交配通常发生在生态上具有优势的位置——食物源、显著的视觉地标或合适的巢址——许多个体在这些地点聚集，以增加与潜在性伴侣的相遇或获取促进繁殖成功的关键资源。在这些环境中，环境的核心组成部分是社会集体本身：由群体中所有个体的运动、感觉信号和相互作用产生的多感觉背景。因此，社会行为可能同时受到物理环境静态属性和社会景观动态特征的塑造。然而，整合这些不同感觉流以调节社会唤醒状态和构建个体间相互作用的神经机制在很大程度上仍不清楚。
Drosophila属的物种在生态学和地理分布上差异很大，这提出了交配策略与繁殖发生的多样感觉环境协同进化的可能性。许多物种，包括Drosophila melanogaster亚组的成员，在其寄主植物上交配，通常是许多个体聚集的腐烂短暂基质，为繁殖创造了复杂的社会背景。Drosophila erecta是D. melanogaster的近缘种，其繁殖和种群密度与其寄主果实——露兜树Pandanus的季节性可获得性紧密相关，为个体相遇和交配创造了狭窄的机会窗口。这种受限的可获得性提出了D. erecta可能已进化出行为适应，将繁殖与来自其寄主的感觉线索耦合的可能性。研究人员在此表明，来自食物斑块的嗅觉挥发物对D. erecta的求偶行为施加直接和间接控制。研究发现，食物挥发物在该物种中作为强效环境触发因素，驱动聚集并作为严格控制雄性性唤醒的感觉门控。同时，环境食物气味通过鼓励雄性接近和采样潜在配偶来塑造求偶展开的视觉景观，放大视觉运动以改变社会场景的感觉背景。D. erecta雄性对这种视觉运动的增加高度敏感，与D. melanogaster形成对比，指向一个多感觉反馈环路的进化，该环路协调群体成员间的雄性性唤醒，将求偶与更广泛的社会背景联系起来。研究表明，对环境线索敏感性的物种特异性差异似乎源于嗅觉信息如何影响求偶回路保守组件的变异，表明感觉阈值快速调谐的潜在神经基础。总之，这些发现展示了生态和社会线索如何塑造物种特异性繁殖策略，并强调社会景观构成环境的不可分割部分——既反映群体的集体动态，也主动塑造其中每个个体的感觉体验。该论文发表在《Nature》。
**关键技术方法**
研究人员主要运用了以下关键技术方法：（1）大规模和小规模群体行为学分析系统，结合FlyTracker和AnimalTA等自动追踪软件对果蝇位置、轨迹和社会互动进行量化；（2）虚拟现实投影系统，向自由行走或固定雄性果蝇呈现视觉目标（旋转点、移动光斑）并同步精确递送气味刺激；（3）双光子钙成像技术，在固定雄性果蝇中记录P1神经元、LC10a视觉投射神经元以及Fru和Dsx表达神经元的神经活动；（4）光遗传学技术，利用CsChrimson通道视紫红质激活Orco+嗅觉感觉神经元或P1神经元；（5）视觉环境回放实验，将记录自琼脂或ACV条件下群体动态的轨迹作为移动椭圆回放给测试配对；（6）转基因品系构建，包括D. erecta的Orco-Gal4、Fru-Gal4、VT029314(LC10a)-Gal4驱动系以及Orco和Ir8a嗅觉核心受体敲除品系。果蝇品系来源包括Cornell Stock Center、Bloomington Stock Center以及多个实验室的慷慨分享。（约230字）
**研究结果**
**气味线索门控D. erecta求偶行为**
研究人员通过比较大群体 assay（5雄5雌，190 mm大 arena 中央放置21.5 mm食物斑块）中D. erecta和D. melanogaster的行为动态，发现D. melanogaster广泛探索 arena，呈分散空间分布，个体大多成对互动；而D. erecta个体迅速接近中央ACV斑块并长时间停留，形成三个或更多互动果蝇的动态集群。D. erecta不在纯琼脂斑块上聚集，表明食物挥发物作为强效聚集线索。超过90%的D. erecta交配发生在ACV斑块上，而在缺乏ACV或Pandanus果实的情况下完全不交配。为区分空间接近性与化学感觉环境的效应，研究人员使用小 chamber（38 mm）高密度 assay，发现D. melanogaster雄性无论有无ACV均强烈求偶，而D. erecta雄性仅在ACV存在时求偶。ACV不仅聚集雌雄个体，还重构了其社会动态。对相关物种的分析表明，D. orena、D. yakuba和D. sechellia在有或无ACV时均强烈求偶，而ACV抑制了D. elegans的求偶。因此，D. erecta雄性似乎进化出了对食物挥发物促进求偶的独特依赖性。
**气味线索促进社会探索**
研究人员通过 bead assay（单个雄性面对3 mm高对比度半球形珠）发现，D. melanogaster雄性对视觉目标基本无动于衷，而D. erecta雄性保持在珠附近，ACV增强了这一效应。光遗传学激活Orco+嗅觉感觉神经元足以在琼脂上促进D. erecta雄性对珠的接近，证实嗅觉输入 underlying 这一视觉显著性转变。在珠格阵 assay（13个珠排列成方阵）中，ACV存在时D. erecta雄性频繁穿梭于珠之间，而在琼脂上则限制在起始位置附近。将珠格阵中一个珠替换为去头雌性后，雄性遇到雌性后通常终止探索并保持近距离，偶尔恢复探索但接近时发出求偶歌声，表明雌性表皮信息素改变了雄性对视觉目标的解读。琼脂上的雄性无法定位雌性，表明缺乏食物挥发物时有限的探索阻碍了检测或追逐潜在配偶的能力。因此，ACV促进D. erecta雄性运动以驱动更频繁的视觉对象采样，支持一种“社会觅食”形式。
**ACV维持雄性性唤醒**
在D. melanogaster中，求偶由识别适当同种雌性触发，这一行为开关由雄性特异性P1神经元网络介导，该网络整合多感觉信号以门控进入持续唤醒状态。研究人员发现，光遗传学激活P1神经元在D. melanogaster中足以引发持续求偶，但在D. erecta中仅在ACV不存在时引发短暂的求偶 bout，雄性在光遗传刺激后迅速恢复冷漠。ACV存在时，P1神经元激活驱动D. erecta雄性持续求偶，表明P1神经元促进进入性唤醒状态，但嗅觉线索是其持续所必需的。利用固定雄性在虚拟现实系统中追踪投影视觉目标的实验，研究人员发现D. erecta雄性对视觉目标单独基本无动于衷，但在ACV呈现时发起强烈追逐，且在气味刺激结束时迅速终止追逐，证实ACV是唤醒持续所必需的。D. melanogaster雄性则在视觉刺激开始时即开始求偶追逐并持续追踪。双光子钙成像显示，尽管求偶的感觉依赖性在物种间存在分歧，P1神经元活动与两个物种的追逐 bout 相关，LC10a视觉反应在求偶期间均被放大，表明保守的回路组织。然而，ACV不激活LC10a或P1神经元，也不改变P1对雌性信息素的反应，而是激活由Fru和Dsx转录因子标记的分布式神经元阵列，包括支配AOTu和LPC的亚群。在LPC内，同种雌性信息素和ACV激活空间上分离的dsx表达神经元群体，表明性和环境化学感觉信号通过平行通路影响这些中枢求偶回路。
**视觉运动促进群体中的求偶行为**
研究人员发现，ACV驱动D. erecta雄性采样和追逐视觉目标导致果蝇运动增加，且随群体规模扩大而增强。在较大聚集体中，这种气味依赖的运动转变显著改变了每个雄性的视觉体验，扩大了其他果蝇占据的视野比例并增加了扫过视网膜的视觉运动。研究人员进一步发现，即使在琼脂上，雄性也表现出相关的运动活动和求偶 burst，表明附近果蝇的运动线索瞬时提升雄性唤醒。在行为学上，ACV上的单个D. erecta雄性在较大群体中比面对单个雌性时表现出更强烈的求偶，而D. melanogaster无此效应。向 assay chamber 底部投影两个连续旋转的点足以提升D. erecta的求偶。通过视觉环境回放实验，研究人员将记录自琼脂或ACV条件下群体动态的轨迹回放给测试配对，发现D. erecta雄性求偶被ACV条件下记录的视觉场景增强，且ACV条件下呈现ACV记录的视觉运动线索时求偶水平最高，支持化学感觉和视觉环境的协同效应。D. melanogaster则不受ACV或社会场景回放的进一步增强。这些数据表明，食物斑块的化学感觉环境通过驱动雄性采样和追逐视觉目标来促进和维持其性唤醒，进而重塑视觉社会场景以进一步强化交配行为。
**讨论与结论**
研究人员在讨论中指出，在Drosophila中，求偶作为潜在配偶之间紧密耦合的反馈环路展开，不断被雄性和雌性之间感觉信号的相互交换所塑造。本研究考察了交配地点的生态和社会背景如何影响这一反馈环路，表明在D. erecta中，来自食物斑块的嗅觉挥发物和聚集在那里的果蝇的集体动态协同控制求偶。食物气味通过两种不同机制调节D. erecta雄性求偶：首先，门控雄性唤醒以促进追逐潜在配偶；其次，通过食物斑块上其他个体增加的视觉运动进一步增强其唤醒，创造一个在繁殖机会可能最丰富的环境中提升求偶的反馈环路。D. erecta对其环境的独特敏感性可能是对其Pandanus果实专化性的适应，Pandanus是一种季节性受限的寄主，仅在繁殖时短暂可用。尽管D. erecta对食物气味交配依赖是否为其寄主季节性的直接适应仍不清楚，但这种严格依赖强调了Pandanus作为支持该物种繁殖周期的关键生态枢纽。ACV促进求偶的能力似乎在Drosophila物种间以潜在形式维持，仅在雄性面对相对贫乏的二维视觉目标或黑暗中出现。ACV已被证明改变D. melanogaster飞行中视觉对象的显著性，表明食物挥发物的唤醒效应广泛保守，其行为表达由物种特异性感觉阈值定量调谐。在D. erecta中，唤醒的感觉阈值似乎特别高，使得持续求偶严格依赖连续嗅觉输入。ACV反应性嗅觉通路可能门控这一反馈环路，使得视觉和食物挥发物均为雄性维持性唤醒所需。求偶回路的模块化结构有利于不同回路组件的独立多样化，使D. erecta能够进化出对环境线索的行为敏感性并利用其寄主果实提供的短暂繁殖机会。除直接调节维持性唤醒的回路外，ACV还通过多种方式构建社会景观：触发果蝇快速追踪到气味源（实验中果蝇已喂食和饱食，表明聚集由繁殖而非代谢需求驱动）；促进雄性采样视觉目标以搜索性接受雌性，通过集体运动转变视觉场景；由于D. erecta雄性对视觉运动高度敏感，其求偶被移动视觉目标进一步增强，进而协调附近个体的行为使追逐 bout 同步化。在拥挤食物斑块上竞争被认为激烈，雄性对视觉运动的敏感性可能通过触发其追逐任何可能是接受性雌性或求偶对的视觉对象而赋予获取潜在交配机会的优势。尽管Drosophila通常不被认为参与集体社会行为，D. erecta在食物斑块上的动态可能遵循与鱼群、蝗虫群或椋鸟群相同的原则——简单的局部相互作用规则将许多个体的行为对齐为协同行动。然而，与经典集体行为示例中信息被认为合作共享以优化群体所有个体 fitness 不同，D. erecta对群体动态的敏感性可能进化以增强个体繁殖 fitness 以在竞争环境中成功。研究结果表明，集体行为可以从多样的选择压力中涌现，即使在通常不被认为“社会性”的物种中也产生协调行动。
研究结论翻译：交配决策通常被归因于潜在性伴侣之间的感觉信号传递。然而，这些相互作用也受到其展开的更广泛环境背景的塑造，以使性唤醒与繁殖机会适当对齐。本研究表明，在Drosophila erecta中，交配严格依赖于果蝇在食物斑块上密集聚集所形成的生态和社会环境。研究发现，食物挥发物直接促进雄性性唤醒，触发个体采样和追逐潜在配偶，从而在群体中产生动态相互作用。随之产生的视觉运动改变了每个雄性的视野，进而进一步放大其唤醒水平，产生一个多感觉反馈环路，协调促进个体间的求偶行为。D. erecta对环境线索的严格依赖在相关物种中似乎是潜在的，例如Drosophila melanogaster，其中食物气味可以促进唤醒但对强烈求偶并非不可或缺。比较回路分析表明，性唤醒的物种特异性阈值反映了嗅觉输入调节控制求偶驱力的保守节点的差异，使得食物挥发物仅在D. erecta中成为严格的感觉门控。总之，研究结果强调了与性信号不直接相关的环境线索如何能够深刻影响繁殖行为并重组社会景观，以确保交配发生在繁殖机会丰富的环境中。
