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黄昏交配,群蚊乱舞,都是生物钟在作祟?

黄昏时分,蚊群在矢车菊丛上空“乱舞”,图源:pixabay
 
撰文 | 张 勇(苏州大学医学部剑桥-苏大基因组资源中心)
 
责编 | 李 娟
 
每到夏日黄昏时分,成百上千的雄性疟蚊(又称按蚊)集结成群,在空中飞舞,吸引雌蚊 “坠入情网”,完成求偶交配。而此时雌蚊一旦受精,便不再与其他雄蚊交配。早在1634年,人们便已观察记载了这种蚊虫在交配时发生的集群飞行行为(婚飞,swarming)。
 
现在,科学家们对这种现象的关注,集中在探究其背后的生物学调控机制,以此达到抑制蚊虫繁殖、减少蚊虫种群数量,进而控制蚊媒传染病的目的。蚊子是疟疾、登革热和前几年流行的寨卡病毒等病原体的传播媒介,每年造成大约75万人丧生。其中,疟蚊是疟疾的主要传播媒介,据统计每年由疟蚊引发2-3亿疟疾病例,导致约50万人死于疟疾。
 
2021年1月22日,美国《科学》杂志发表的一篇论文,将疟蚊的繁殖现象与生物钟基因、自然环境联系了起来,揭示出疟蚊集群婚飞的分子机制和雌雄求偶的化学通讯奥秘。该研究由中国科学院分子植物卓越创新中心/植物生理生态研究所研究员王四宝的团队完成。
为了研究调控疟蚊婚飞和交配的基因,王四宝团队首先利用基因芯片对比野外采集的同一时间下婚飞雄蚊和非婚飞雄蚊的头部基因转录组的差异,并由此发现了上调表达的几十个基因。其中,令人惊奇的是两个核心生物钟基因(period/timeless)显示出的表达差异。在婚飞雄蚊的头部,这两个基因表达明显上调,暗示它们可能参与雄蚊婚飞的调控。
生物钟基因period(per)和timeless(tim)在婚飞雄蚊头部表达显著上调(来自论文)
 
如果人为地降低这两个生物钟基因的表达,是否会减弱雄蚊的婚飞行为呢?
 
为了回答这一问题,该团队通过RNAi干扰的方法,在冈比亚按蚊(An. gambiae,非洲最重要的疟疾媒介)和-斯氏按蚊(An. stephensi,亚洲疟疾的主要传播媒介)中下调period(per)和timeless(tim)的表达,发现的确能够显著抑制雄蚊的婚飞行为,进而降低雌蚊的交配率。
下调雄蚊中生物钟基因per和tim表达能够显著降低雌蚊的受精率(来自论文)
 
生物钟受地球昼夜周期性变化的光照和温度所调控,无独有偶,按蚊的婚飞也主要集中在夏日的黄昏时分,科学家们进一步推断,黄昏时相对昏暗的光照和不冷不热的温度可能作为重要的环境因素促进了按蚊的婚飞和交配。
 
果不其然,通过模拟环境温度,该团队发现与相对高温(34度)和低温(19度)相比,适宜的温度(27度)能够显著提高雄蚊与雌蚊的交配率;同样的,跟正常的光暗周期相比,傍晚的持续光照则能够抑制雄蚊与雌蚊交配率,这表明昏暗的环境更有助于雄蚊的婚飞和交配。
 
通过进一步研究,该团队发现光照和温度对按蚊婚飞和交配的影响可能是通过调控生物钟基因per/tim 的表达来实现,从而揭示了内源生物钟、光照、温度协同调控按蚊婚飞和交配的机制。
 
性信息素是雄性昆虫用来求偶的重要通讯信号,在婚飞过程中,雄性按蚊也只有成功求偶后,才能与雌蚊交配。作为婚飞交配的重要一环,按蚊的性信息素尚未报道。
 
表皮碳氢化合物(Cuticlar hydrocarbon, CHC)是许多昆虫的已知重要性信息素成分。有趣的是,除了两个生物钟基因per/tim,之前的基因表达谱分析还发现,一个参与昆虫表皮碳氢化合物合成的去饱和酶(desaturase 1)编码基因desat1在婚飞雄蚊中的表达显著上调,而且受环境光照的抑制及per/tim的激活。因此,科学家们推测,desat1可能与按蚊性信息素的合成有关。
 
为进一步鉴定CHC 中促进按蚊求偶的可能组分,王四宝团队利用气相色谱-质谱联用技术,比较了desat1下调后的雄蚊CHC变化,并发现其中一个组分二十七烷显著减少。有趣的是,腹部涂抹了人工合成的二十七烷的雄蚊对雌蚊的吸引力明显提高,并增加了后者的受精率,这些结果表明生物钟可能通过调控desat1的表达,来动态调控二十七烷这一潜在的雄蚊性信息素的合成量,以促进婚飞时雄蚊的求偶和交配。
 
以上这些实验虽然设计精妙,但毕竟还是在实验室内尽可能地模拟野外环境的研究。为了探究生物钟基因和desat1对冈比亚按蚊的婚飞交配行为的调控,王四宝团队联合美国约翰霍普金斯大学Marcelo Jacobs-Lorena教授团队、美国国立卫生研究院的 Joel Vega-Rodriguez团队,与西非布基纳法索国家的桑特科学研究所Diabate Abdoulaye研究团队,在布基纳法索的博迪乌拉索地区开展了户外测试研究,进一步证实了在自然环境下生物钟基因调控按蚊婚飞和交配行为的功能与作用。
按蚊婚飞和求偶的奥秘。揭示了按蚊内源生物钟整合外源光和环境温度信号,协同调控雄蚊在黄昏时进行婚飞的机制,受光调控的钟控基因desat1参与合成的二十七烷作为信息素促进两性求偶和交配(来自论文)
 
该研究系统深入地揭示了外界光照和环境温度以及内源生物钟对按蚊婚飞交配的协同调控的分子机制,并首次鉴定出了按蚊性信息素的组成成分及调控基因,发现了按蚊求偶的化学奥秘,是近年来蚊虫生殖生物学和化学生态学的重大突破。
 
“传统的化学杀虫剂已经造成了严重的环境污染,并导致蚊虫抗药性的产生。”王四宝说道,“未来可以尝试通过操纵蚊虫婚飞来进行干扰交配或集中诱杀、或者通过鉴定出的性信息素增强遗传控制的雄蚊对野外雌蚊的吸引力”。
 
该研究极大地促进了我们对疟蚊婚飞交配发生机制的理解,还为蚊虫遗传防治计划的高效应用提供了理论支持,对于研发基于蚊虫行为调控的新策略,减少化学杀虫剂的使用,最终实现蚊虫绿色防控具有重要意义。
 
参考文献:
 
https://science.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/science.abd4359
 



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