王四寶研究組揭示瘧疾媒介按蚊婚飛和求偶的奧秘

[video:瘧疾媒介按蚊婚飛和求偶的奧秘]

  

  蚊蟲除了叮咬騷擾人類,還是瘧疾、登革熱和寨卡熱等多種疾病的傳播媒介。按蚊是瘧疾的傳播媒介,因此也被稱為瘧蚊。瘧蚊肆虐每年造成全球2-3億新發瘧疾病例,導致約50萬人死亡,嚴重威脅著人類健康、公共衛生和國家安全。由于疫苗的缺乏,防治媒介蚊蟲是控制和消除蚊媒傳染病的有效手段。然而,蚊蟲防治長期依賴化學殺蟲劑,泛濫使用化學農藥導致蚊蟲抗藥性和環境污染等問題日益突出。因此,人們迫切需要研發新的替代工具來安全有效地控制蚊蟲種群數量。近年來,蚊蟲遺傳防治技術的研究發展迅速,為蚊蟲的綠色防控提供了新途徑。然而,目前關于雄蚊集群交配行為的發生和兩性求偶通訊的機理尚不清楚,嚴重制約了蚊蟲遺傳防治的應用。

  蚊蟲在集群飛行中完成求偶交配。夏季黃昏時,雄性按蚊集結成群在空中飛舞,吸引雌蚊飛入后進行求偶交配,這種現象稱為婚飛。雌蚊受精后一般余生不再交配,這為通過釋放雄蚊的遺傳防治技術提供了獨特的優勢。早在1634年就有蚊蟲婚飛的觀察記載,但按蚊婚飛和求偶交配的分子機制至今尚未闡明。

  2021年1月22日,中國科學院分子植物科學卓越創新中心王四寶研究員領銜的研究團隊在國際頂尖學術期刊《科學》上以雜志封面標題的形式發表論文“Clock genes and environmental cues coordinate Anopheles pheromone synthesis, swarming and mating”,研究揭示了按蚊集群婚飛的分子機制和雌雄求偶的化學通訊奧秘。

  王四寶研究團隊綜合運用比較轉錄組、分子生物學、時間生物學、化學生態學、代謝組學、行為學等多學科交叉研究手段,揭示了按蚊婚飛和交配發生的機制。首先,通過對野外采集的婚飛與非婚飛雄性按蚊頭部基因表達轉錄組分析,發現兩個生物鐘核心基因period (per)和timeless (tim) 在婚飛雄蚊的頭部表達顯著上調。降低pertim的表達會顯著抑制雄蚊的婚飛,進而降低交配率,表明內源生物鐘控制按蚊婚飛和交配。

  由于地球的自轉,環境光照和溫度呈現晝夜周期性變化。按蚊選擇在夏季黃昏時分進行婚飛,那時戶外光線昏暗、溫度適宜,那么光照和溫度這兩個重要的環境信號是否參與調控了按蚊的婚飛和交配行為呢?為此,王四寶研究團隊分別測定了光照和不同溫度對按蚊交配活動的影響。研究發現,傍晚時持續光照和不適宜的環境溫度都會影響按蚊的婚飛和交配活動。進一步研究發現,光照和溫度對按蚊婚飛和交配的影響是通過調控生物鐘基因pertim的表達來實現的,從而揭示了內源生物鐘通過整合外源光照和溫度信號來協同調控按蚊在夏季黃昏時進行婚飛和交配的分子機制。

  雄性按蚊在婚飛過程中只有成功求偶后,才能與雌蚊進行交配。性信息素是昆蟲兩性間交流和偶配選擇的主要通訊信號,然而按蚊的性信息素至今尚未報道。基因表達譜分析還發現一個參與昆蟲表皮碳氫化合物(Cuticular hydrocarbon, CHC)合成的去飽和酶desaturase 1編碼基因desat1在婚飛雄蚊中的表達顯著上調。RNAi干擾抑制desat1的表達同樣影響按蚊婚飛和交配行為。CHC是許多昆蟲的性信息素成分,推測desat1可能參與了按蚊性信息素的合成。為了鑒定對按蚊求偶交配起調控作用的CHC成分,王四寶團隊利用氣相色譜-質譜聯用技術(GC-MS)比較了敲低desat1表達后的雄蚊CHC的組分變化,發現二十三烷和二十七烷等顯著減少。有趣的是,腹部涂抹了人工合成的二十七烷的雄蚊對雌蚊的性吸引力顯著提高,并增加了雌蚊的受精率,表明二十七烷是按蚊的性信息素活性成分。進一步研究發現,desat1 的表達呈節律性振蕩,且受光照和生物鐘基因pertim的調控,表明desat1是受光信號調控的鐘控基因。這些結果表明,外界光信號和內源生物鐘協同調控信息素合成基因desat1的節律性表達,來動態控制按蚊性信息素的合成量,從而促進婚飛時雄蚊的求偶和交配。

  為了驗證pertimdesat1是否也調控非洲瘧疾媒介—岡比亞按蚊(Anopheles gambiae)的婚飛和交配行為,王四寶研究團隊與美國約翰·霍普金斯大學Marcelo Jacobs-Lorena教授團隊、美國國立衛生研究院的 Joel Vega-Rodriguez團隊合作,證實了核心生物鐘基因(pertim)和鐘控基因desat1在調控不同按蚊婚飛和交配中具有相同的功能。此外,聯合Marcelo Jacobs-Lorena教授、Joel Vega-Rodriguez博士和西非布基納法索國家的桑特科學研究所Diabate Abdoulaye研究團隊在布基納法索的博博迪烏拉索地區開展了戶外測試研究,證實了在戶外自然環境中生物鐘基因調控按蚊婚飛和交配行為的功能與作用。

  該項研究系統深入地揭示了按蚊婚飛交配受內源生物鐘基因與外源光和溫度信號互作協同調控的分子機制;首次鑒定出按蚊性信息素活性成分,發現了按蚊兩性求偶的化學通訊奧秘。該研究極大地促進了人們對按蚊婚飛和求偶交配發生機制的理解,也為研發蚊蟲綠色防控技術提供了新思路和新方法,例如通過操縱蚊蟲婚飛來干擾交配或集中誘殺,利用性信息素增強雄蚊對野外雌蚊的性吸引力和交配競爭力,為蚊蟲遺傳防治策略的高效實施奠定了理論基礎,為減藥控蚊提供新途徑。

  王四寶研究組的博士研究生王官棟是論文的第一作者,美國國立衛生研究院(NIH)過敏和傳染病研究所的 Joel Vega-Rodriguez助理教授、布基法納索桑特科學研究所Diabate Abdoulaye研究員和上海科技大學的劉競男副研究員為論文并列第一作者,王四寶研究員為并列和首要通訊作者(Lead Contact),Marcelo Jacobs-Lorena教授為共同通訊作者。王四寶研究組博士生崔春來、董玲、研究助理李芳參與了該項研究工作。本研究得到了國家自然科學基金、中國科學院、科技部和NIH等項目的資助。

  王四寶研究團隊主要致力于蚊蟲媒介分子生物學與生物互作機制的研究,近年來該團隊取得了諸多研究進展,相關研究成果相繼發表在Science (2017)、PNAS (2015, 2017)、Nature Communications (2019)、Science Advances (2020)、Science (2021)等國際學術期刊上,并受邀在Trends in Parasitology (2020)、Annual Review of Entomology (2017)、Trends in Biotechnology (2013)等期刊上發表研究綜述。

  論文鏈接:https://science.sciencemag.org/content/371/6527/411

  專家點評:

      Science同期刊發由美國農業部高級專家Nicholas C. Manoukis教授撰寫的評述(Perspectives),對該研究給予了高度評價。

      Nicholas C. Manoukis介紹說,害蟲遺傳防治(genetic pest control,GPS)如釋放不育雄蟲到環境中與野生雌蟲交配是縮減野外種群、阻斷蟲媒傳染病的一種可行手段,但迄今為止利用GPS對蚊蟲數量的控制效果卻一直差強人意。究其原因是對野外蚊蟲交配行為的復雜性缺乏足夠的了解,使得人們培育的不育雄蚊在野外不具有交配競爭優勢,難以和野生雌蚊求偶交配,這極大地制約了蚊蟲不育技術在蚊媒疾病防控中的應用。對此,Manoukis博士指出,解析按蚊集群婚飛和交配行為中的復雜機理可能是解決以上難題的關鍵。

      Nicholas C. Manoukis評價到“不同于以往的研究,王四寶團隊研究工作的關鍵是將環境變量(溫度和光照)整合到實驗中,進而來確定自然環境中基因表達的調控機制,從而對蚊蟲婚飛交配行為產生了重要深刻的洞見,例如發現光周期(每天的關照和黑暗持續時間)影響蚊蟲體內生物鐘基因和合成性信息素基因desat1。而之前的研究往往傾向于專注一種類型的因素(環境、遺傳或分子),但很明顯這些單獨的因素并不能獨立運作。”此外,他指出多個研究團隊合作開展的野外實驗是本研究的另一亮點,“野外實驗不僅極大提高了我們對蚊蟲交配這一現象的整體理解,還為將實驗結果應用到新的媒介控制項目中提供了重要的研究模式。”Manoukis教授高度評價此研究成果不僅對日新月異的蚊蟲交配研究領域做出了極為重要的貢獻,指引將化學和環境信號與蚊蟲行為關聯開展蚊蟲交配研究的新視角;還為未來實現生產大量更適應環境,更具交配競爭力的雄蚊,高效實施蚊蟲遺傳控制提供了更廣闊的應用前景。

      中國昆蟲學會理事長康樂院士通過視頻給予該成果高度評價,他首先祝賀這一具有重大影響的成果發表在Science上,認為這是一項非常有創新性的研究,把婚飛的生物節律和雌雄之間的信息聯系進行了綜合性地研究,這一具有國際影響力的成果不僅極大地促進了人們對蚊蟲婚飛行為、雌雄間聯系的認識,對昆蟲行為學研究具有重要影響,而且對公共衛生以及蚊媒疾病防治都具有重要意義,為人類今后研發新的阻斷技術、控制蚊蟲傳播疾病提供了許多的啟發,能夠為人類的健康事業作出貢獻。

  

  

  圖1. 按蚊在黃昏時婚飛和交配 (攝影:Abdoulaye Diabate)

  

  圖2. 按蚊交配 (左:雄蚊,右:雌蚊)

  

  圖3. 雌蚊嗜血

  

  圖4. 按蚊婚飛和求偶的奧秘。

  揭示了按蚊內源生物鐘整合外源光和環境溫度信號協同調控雄蚊在黃昏時進行婚飛的機制,受光調控的鐘控基因desat1參與合成的二十七烷作為信息素促進兩性求偶和交配。

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