高原极端环境下昆虫的适应演化——叶甲与熊蜂飞行器官的不同形态适应机制

Morphological traits of two different insect groups, Chrysolina Motschulsky of Chrysomelinae, Chrysomelidae, Coleoptera and Bombus Latreille, Apidae, Hymenopterae in alpine extreme environment are focused by integrating micro-CT, confocal laser scanning microscopy, three dimensional reconstruction,transcriptome techniques and co-evolution analysis. The three issues are mainly addressed: 1. The morphological changes and reversibility testing of the insects during their adaptation to alpine environment. 2. The co-evolution among the different morphological structures of the insects. 3. The co-evolution between insects and alpine environment. Finally, the co-evolution between important structures themselves and alpine environment will be verified, also the new methods to analysis morphological difference will be provided.

本项目着眼于昆虫的飞行器官对高原极端环境的形态适应，选择两种适应性进化完全不同的代表类型，即鞘翅目叶甲科金叶甲属（代表翅退化、飞行能力减弱的类群）及膜翅目蜜蜂科熊蜂属（代表翅完整、飞行能力增强的类群）昆虫，借助显微CT、计算机三维重建、激光共聚焦显微镜等现代形态学研究方法和技术、生物信息学中的共进化及转录组学研究方法等进行多学科交叉研究，集中解决以下关键问题：1）昆虫对高山的适应过程中，形态结构的变化具体体现在什么地方？这种变化是否为可逆的？2）昆虫在高山适应过程中，其身体重要结构之间的共进化关系是什么？3）昆虫与高山环境的共进化关系是什么？通过对上述问题的回答，将验证和发展昆虫的重要形态结构之间及与高山环境的共进化关系，也为形态差异性研究的方法及途径提供新的思路和方法。

本项目选择了两种适应性进化完全不同昆虫作为研究对象：鞘翅目叶甲科（代表翅退化、飞行能力减弱的类群）和膜翅目蜜蜂科（代表翅完整、飞行能力增强的类群）昆虫，借助光学显微镜、电子显微镜、显微CT、三维重建、高速摄像等现代形态学研究方法和技术，开展对叶甲和熊蜂形态学、行为学、分类学等多学科交叉的研究。.我们对金叶甲属（Chrysolina）进行系统分类研究，鉴定并描述了金叶甲属32个新种，修订了中国金叶甲属昆虫名录，此项研究推动了金叶甲属内的亚属划分与新种发现等工作。同时通过叶甲后翅模块化的研究，发现后翅的近端区与远端区是两个相对独立的模块，更好地协助不飞行时后翅的横向折叠。经过甲虫后翅折叠展开行为的研究，发现后翅展开时间与虫体质量正相关，且折叠策略的变化与后翅顶端区翅脉的分布和形态相关，因此模拟推演了甲虫后翅展开的液压机制,该机制对仿生学领域中自动折叠装置的研发提供了新思路。此外通过对具有飞行多态性的叶甲昆虫胸部的比较形态学研究，发现了6种叶甲的前胸外骨骼结构相似，但不飞行叶甲的前胸肌肉系统比可飞行叶甲复杂；但可飞行叶甲的间接飞行肌较发达，不飞行叶甲则完全消失，这说明了叶甲丧失飞行能力的适应性特征主要反应在具有直接飞行功能的后胸形态上。在对熊蜂的研究中，我们主要针对熊蜂属多物种多级型胸部的比较形态学展开。研究表明，虽然不同物种及不同级型中胸部飞行肌的数量一样，但肌肉的状态不完全相同，其中雄性高原熊蜂的间接飞行肌比平原物种更发达，我们推测其形态跟所处的环境及其分工有密切关系。随后对熊蜂飞行行为进行了初步分析，通过量化其行为能力，发现熊蜂在同一级型的不同飞行状态（起飞，悬停等）下振翅频率无明显差异，但因分析结果尚不完全，最终结果还有待进一步探究。本项目已发表SCI论文1篇，已接收的论文1篇，软件著作权登记1项，相关毕业论文3篇。在此期间，本项目完成了人才培养9人：3名博士后、1名博士、4名硕士和1名本科生。