Evidence for the presence of biogenic magnetic particles in the nocturnal migratory brown planthopper, Nilaparvata lugens
Weidong Pan, Guijun Wan, Jingjing Xu, Xiaoming Li, Yuxin Liu, Liping Qi & Fajun Chen
由南京农业大学和中国科学院电工研究所等单位合作研究发现，水稻重要迁飞性害虫褐飞虱腹部含有纳米级内源性磁颗粒（粒径50-450nm；主要成分为Fe3O4）。该磁颗粒在若虫及长、短翅型成虫体内均有发现，且长翅型雌成虫体内磁颗粒含量最高。相关成果在线发表在Scientific Reports( doi:10.1038/srep18771 )上。
趋磁细菌、蜜蜂、蚂蚁、蝴蝶、鲑鱼和鸟类等生物体均被发现有磁颗粒存在，有研究表明该磁颗粒与生物体利用地磁场进行定向和导航等行为有关，并提出了基于磁铁矿的生物磁感受假说。该假说认为：磁颗粒能借助细胞骨架纤丝锚定于机械激活的跨膜离子通道，在外磁场作用下，磁颗粒产生磁扭矩引起离子通道的瞬时开放，导致膜去极化而传递磁信号。早在1994年，徐锦源等研究发现蜜蜂腹部的滋养细胞内平均含有8个直径较小的磁颗粒，而每个颗粒内部又含有八千多个密集的超顺磁粒子（平均粒径为7.5 nm）。随后的研究（2007年）又进一步发现在对蜜蜂滋养细胞施加地磁场量级的人工磁场时可观察到磁颗粒的变化，同时伴随着钙离子的释放。2007年，Fleissner等研究又发现家鸽喙部神经树突上的磁颗粒是由板状磁赤铁矿（γ-Fe2O3）结晶和簇状磁铁矿（超顺磁Fe3O4）小粒组成，分析认为家鸽头部相对地磁场的改变可产生0.2 pN作用力，这足以改变神经细胞膜上的离子通道状态。上述研究为基于磁铁矿的生物磁感受假说提供了实验证据。
然而，农业重要迁飞性害虫体内是否含有磁颗粒，以及地球磁场是否参与调控其迁飞和定向行为一直是待解之谜。褐飞虱(Nilaparvata lugens)是我国长江流域及华南、西南稻区最重要的水稻刺吸类害虫，其远距离迁飞习性可导致为害面积迅速扩大，暴发成灾时可造成数十亿公斤稻谷损失，严重危害水稻生产安全。褐飞虱成虫期有长、短翅型之分，表现出“翅二型”现象，短翅型成虫不能长距离迁飞，属定居繁殖型；而长翅型成虫可应对本地不良环境，作为迁飞种群进行远距离迁飞。鉴于此，南京农业大学植保学院陈法军团队和中科院电工研究所潘卫东研究团队合作，首先通过低温SQUID磁学测量技术发现了褐飞虱腹部含有磁性物质，而其头部和胸部未检测到。进一步利用普鲁士
蓝染色、高分辨率透射电镜（HRTEM）和能量弥散 X 射线光谱（EDX）对1-5龄期若虫、长翅和短翅雌雄成虫展开系统研究，首次证实在褐飞虱腹部存在内源性纳米级Fe3O4磁颗粒。研究证实，磁颗粒含量不仅与若虫发育时期相关，还因翅型和性别而异。其中，长翅型成虫体内磁颗粒含量比短翅型成虫多，且雌成虫含量比雄成虫多。这是首次系统地研究和报道重要农业迁飞性害虫体内存在磁颗粒，以及该磁颗粒含量特征与害虫发育时期、迁飞种群的关联性。
2012年以来，南京农业大学牵头，联合中科院电工研究所和华中农业大学等单位，针对水稻重要迁飞性害虫稻飞虱的磁生物学和生物磁感受机制等开展了广泛的合作研究。围绕近零磁场对三种稻飞虱生长、发育和生殖的表型影响，以稻飞虱为模式昆虫，针对褐飞虱隐花色素基因的克隆与时空表达分析等取得了一系列原创性成果，并首次提出了白背飞虱体内潜在的隐花色素（“自由基对”假说中的磁受体）介导的激素信号转导磁生物学效应机制。论文发表在《昆虫学报》（doi:10.16380/j.kcxb.2015.02.004）、Journal of Insect Physiology（doi:10.1016/j.jinsphys.2014.06.016）、PLoS ONE (doi:10.1371/journal.pone.0132966)和Insect Science（doi:10.1111/1744-7917.12256）等国内外学术期刊。
上述系列合作研究揭示了水稻重要迁飞性害虫稻飞虱的磁感受物质基础和磁生物学效应机制，为今后开展其他迁飞性害虫地磁场介导的迁飞、定向行为及进化生物学研究提供了重要理论依据。未来将继续开展跨学科合作，理论联系实践，从地磁场监测入手，为迁飞性害虫的预测预报工作发掘新策略。
以上工作得到了国家自然科学基金和“973”项目的支持。
来源：南京农业大学
Abstract
Biogenic magnetic particles have been detected in some migratory insects, which implies the basis of magnetoreception mechanism for orientation and navigation. Here, the biogenic magnetic particles in the migratory brown planthopper (BPH),Nilaparvata lugens were qualitatively measured by SQUID magnetometry, and their characteristics were further determined by Prussian Blue staining, electron microscopy and energy dispersive x-ray spectroscopy. The results indicate that there were remarkable magnetic materials in the abdomens and not in the head or thorax of the 3rd–5th instar nymphs, and in macropterous and brachypterous female and male adults of BPH. The size of magnetic particles was shown to be between 50–450 nm with a shape factor estimate of between 0.8–1.0 for all the tested BPHs. Moreover, the amount of magnetic particles was associated with the developmental stage (the 3rd–5th instar), wing form (macropterous vs. brachypterous) and sex. The macropterous female adults had the largest amount of magnetic particles. Although the existence of magnetic particles in the abdomens of BPH provides sound basis for the assumption of magnetic orientation, further behavioral studies and complementary physical characterization experiments should be conducted to determine whether the orientation behavior of BPH is associated with the magnetic particles detected in this study.
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