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在三維軌跡中分析蚊子尋找宿主行為

更新時(shí)間:2025-04-11點(diǎn)擊次數(shù):1016

引言

昆蟲(chóng)可以綜合多種感官線索在環(huán)境中進(jìn)行導(dǎo)航,以找到合適的食物來(lái)源、交配伙伴或產(chǎn)卵地點(diǎn)。要了解昆蟲(chóng)在多變的嗅覺(jué)環(huán)境中的飛行行為,需要一個(gè)三維空間詳細(xì)分析其飛行行為。本研究將介紹在三維環(huán)境中跟蹤Anopheles gambiae sensu lato蚊子的飛行,分析在嚴(yán)格控制的氣候條件下蚊子對(duì)人類釋放的體味和二氧化碳的宿主尋找行為。

根據(jù)過(guò)往研究和觀察,雌性嗜人血蚊子對(duì)人類宿主氣味的遠(yuǎn)程飛行策略是,蚊子在接觸到帶有氣味的空氣后會(huì)向上風(fēng)方向飛行,如果蹤跡消失,則會(huì)進(jìn)行橫風(fēng)飛行。在中等距離,蚊子受到人類釋放二氧化碳和體味的影響,會(huì)使用高對(duì)比度的視覺(jué)特征,并在存在短距離宿主線索(如體溫和濕度)的情況下開(kāi)始著陸。雖然這些基本特征是所有尋找宿主的蚊子物種所共有的,但在各自感官線索的相對(duì)重要性,可能因宿主偏好和日常飛行活動(dòng)模式等有所不同。

 

材料與方法

風(fēng)洞系統(tǒng)

研究所使用的風(fēng)洞系統(tǒng)如圖1所示。從氣候室到預(yù)備室和飛行區(qū)域,空氣要經(jīng)過(guò)一個(gè)均衡器,其中氣流的溫度、濕度和速度變化都會(huì)得到穩(wěn)定(圖1A)。在預(yù)備室內(nèi),可以通過(guò)引入氣味源等方法操縱流向飛行區(qū)域的氣流。

圖1.風(fēng)洞系統(tǒng)(A)和氣候室(B)示意圖。進(jìn)入的空氣(藍(lán)色)在過(guò)濾裝置中過(guò)濾,然后進(jìn)入混合裝置,在那里與來(lái)自再循環(huán)管道的暖空氣(紅色)混合。在氣候室中,空氣由五個(gè)加濕器(圖中顯示了三個(gè))加濕,并通過(guò)均衡器流向預(yù)備室和飛行區(qū)域。F1和F3表示風(fēng)扇,H1表示加熱器。

在上述風(fēng)洞裝置中跟蹤蚊子的飛行行為。風(fēng)洞溫度調(diào)整為 27.0°C,相對(duì)濕度為 70%,風(fēng)速設(shè)定為 0.22 m s-1。

氣味刺激

氣味刺激由放置在風(fēng)洞系統(tǒng)預(yù)備室中的兩個(gè)不同裝置(玻璃環(huán)和金屬襪子架)提供(圖2A、B)。不同濃度的二氧化碳通過(guò)一個(gè)等距開(kāi)孔的玻璃環(huán)產(chǎn)生氣流。人類體味則采用實(shí)驗(yàn)者穿過(guò)的襪子:在實(shí)驗(yàn)前19-21小時(shí)穿上黑色棉襪,將其卷起,然后懸掛在金屬鉤上。穿過(guò)的襪子可提供最多1小時(shí)的氣味源,之后用洗滌劑清洗后再重復(fù)使用。

研究一中的氣味刺激是空氣或1,200 ppm二氧化碳與人腳氣味或相應(yīng)對(duì)照組(即無(wú)襪子和干凈襪子)的組合。由此產(chǎn)生的處理組合為 “空氣/空氣”、“二氧化碳/空氣”、“空氣/干凈的襪子”、“空氣/使用過(guò)的襪子”和“二氧化碳/使用過(guò)的襪子”。在研究二中,二氧化碳本身的濃度為環(huán)境濃度(400 ppm 至 445 ppm)或高濃度(1,200、2,400、4,800 ppm)。

圖2

實(shí)驗(yàn)程序

本研究使用的蚊子為Anopheles gambiae sensu lato蚊子。在每次試驗(yàn)中,裝有一只雌蚊的釋放籠被放置在釋放點(diǎn)。蚊子經(jīng)過(guò)2分鐘的適應(yīng)期后,開(kāi)始錄像,并打開(kāi)釋放籠的門。在3分鐘內(nèi)未進(jìn)入拍攝的飛行區(qū)域(圖2A,灰色區(qū)域)的蚊子將被剔除,不再做進(jìn)一步分析。記錄有反應(yīng)的蚊子飛行行為,直到它們?cè)谏巷L(fēng)屏上著陸至少5秒,或連續(xù)飛行長(zhǎng)達(dá)10分鐘。每次試驗(yàn)后,目測(cè)蚊子的反應(yīng)(“飛行”、“不飛行”)和著陸地點(diǎn)(“上風(fēng)屏”、“其他”、“未著陸”)。每只蚊子只測(cè)試一次。

視頻追蹤和飛行軌跡重建

使用諾達(dá)思的多視頻錄制軟件(Media Recorder)以60幀/秒的速度從風(fēng)洞上方用兩臺(tái)紅外光敏感GigE攝像機(jī)(圖2A)記錄飛行行為。六個(gè)紅外陣列提供照明,放置在飛行區(qū)域的下風(fēng)端。在風(fēng)洞的上風(fēng)端,有一個(gè)LED 陣列,提供低強(qiáng)度的漫射可見(jiàn)白光,用于蚊子的視覺(jué)定向。相機(jī)以一定角度安裝在風(fēng)洞上方。

諾達(dá)思的動(dòng)物運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤系統(tǒng)(EthoVision XT)用于將兩臺(tái)攝像機(jī)的視頻文件轉(zhuǎn)換為二維位置數(shù)據(jù)。使用諾達(dá)思的三維運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤系統(tǒng)(Track3D)將二維位置數(shù)據(jù)合并為三維飛行軌跡。以下變量由Track3D計(jì)算并用于后續(xù)分析:三維位置(x、y、z)、飛行速度和垂直面航向角。

 

研究結(jié)果

研究——人類宿主

在447只接受測(cè)試的蚊子中,有161只在打開(kāi)籠門后3分鐘內(nèi)做出反應(yīng),進(jìn)入拍攝區(qū)域。人類宿主對(duì)蚊子的反應(yīng)數(shù)量有顯著影響,其中二氧化碳和人類腳味這兩個(gè)因素以及它們之間的相互作用對(duì)觀察到的影響有顯著作用。與所有其他處理相比,同時(shí)暴露于二氧化碳和人腳味時(shí),有更大比例的蚊子(約70%)進(jìn)入拍攝區(qū)域(圖3A)。其他處理之間沒(méi)有明顯差異。

 

當(dāng)存在人類宿主線索時(shí),蚊子在研究設(shè)定的感興趣體積(VOI)內(nèi)飛行的比例較大(圖3B)。二氧化碳和人腳氣味的組合誘發(fā)蚊子在VOI內(nèi)飛行的比例較高。與空氣對(duì)照組相比,單獨(dú)的人腳氣味會(huì)導(dǎo)致在VOI內(nèi)的飛行顯著增加,而空氣對(duì)照組與清潔襪子對(duì)照組之間沒(méi)有差異。

 

在分析至少接觸過(guò)一次VOI的蚊子的平均橫風(fēng)飛行速度時(shí)(圖3C),發(fā)現(xiàn)人腳氣味和空氣對(duì)照的組合與清潔襪子控制之間存在顯著差異。與空氣對(duì)照組相比,接觸二氧化碳和人腳氣味的蚊子平均飛行速度快1.3倍。

 

在161只蚊子中,有108只在10分鐘的最長(zhǎng)記錄時(shí)間內(nèi)著陸。不同處理之間沒(méi)有明顯差異(圖3D)。然而,蚊子落在目標(biāo)區(qū)域的比例受到二氧化碳和人腳氣味因素的顯著影響,在二氧化碳和人腳氣味的作用下,57%的蚊子落在上風(fēng)屏上的目標(biāo)區(qū)域,而空氣和清潔襪子對(duì)照分別為3%和10%。這些差異在不同處理間有顯著性差異(圖3D、E)。

圖3

研究二——二氧化碳

在研究二中,235只蚊子有107只進(jìn)入了拍攝區(qū)域。未觀察到二氧化碳濃度的顯著影響。未觀察到二氧化碳濃度對(duì)VOI內(nèi)飛行比例的影響。VOI內(nèi)的飛行比例普遍較低,從1200 ppm的0.2%到2400 ppm的2.9%不等。在比較兩種處理方法時(shí),沒(méi)有觀察到橫風(fēng)飛行速度的顯著差異。兩種處理之間沒(méi)有橫風(fēng)飛行頻率增加的趨勢(shì)。在10分鐘的最長(zhǎng)記錄時(shí)間內(nèi),101只蚊子中有77只落下。沒(méi)有觀察到蚊子降落的總比例有顯著差異,也沒(méi)有觀察到落在目標(biāo)區(qū)域的蚊子比例。

 

討論

本文的研究展示了在風(fēng)洞系統(tǒng)中運(yùn)用三維軌跡分析蚊子飛行的實(shí)驗(yàn)研究。在本研究中,當(dāng)人類腳味和二氧化碳結(jié)合在一起時(shí),蚊子的橫風(fēng)飛行速度更快,在氣味流中停留的時(shí)間更長(zhǎng),并更成功地鎖定氣味源。相比之下,雌性Anopheles gambiae sensu lato蚊子在不同濃度的二氧化碳作用下,并沒(méi)有表現(xiàn)出尋找宿主的行為。這些觀察結(jié)果支持了之前關(guān)于人類宿主相關(guān)線索在宿主尋找中過(guò)程中作用的研究結(jié)果,并證實(shí)了二氧化碳不是單獨(dú)的宿主尋找線索。本文為未來(lái)不同環(huán)境下研究昆蟲(chóng)三維空間飛行行為提供了方法。

 

參考文獻(xiàn)

Hinze, Annika, et al. “Mosquito host seeking in 3D using a versatile climate-controlled wind tunnel system.” Frontiers in Behavioral Neuroscience 15 (2021): 643693.

 

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