【光明日報】科學家揭示瘧疾媒介按蚊婚飛和求偶的奧秘

光明網訊 據中國科學院分子植物科學卓越創新中心消息,1月22日,中國科學院分子植物科學卓越創新中心研究員王四寶領銜的研究團隊在《科學》上,發表題為Clock genes and environmental cues coordinate Anopheles pheromone synthesis, swarming and mating的研究論文。該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。

蚊蟲除了叮咬騷擾人類,還是瘧疾、登革熱和寨卡熱等疾病的傳播媒介。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大量新發瘧疾病例,由此而死亡的人數較多,嚴重威脅人類健康、公共衛生和國家安全。由于缺乏疫苗,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,人們迫切需要研發出新的替代工具以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。但目前,學界尚不清楚雄蚊集群交配行為的發生和兩性求偶通訊的機理,這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。

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。研究人員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per或tim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,環境光照和溫度呈晝夜周期性變化。按蚊選擇在夏季黃昏時分進行婚飛,該時段戶外光線昏暗、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,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均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通過調控生物鐘基因per和tim的表達來實現,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,但按蚊的性信息素尚未報道。基因表達譜分析發現,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是較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,研究團隊利用氣相色譜-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。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,這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per和tim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的節律性表達以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per、tim、desat1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·霍普金斯大學教授Marcelo Jacobs-Lorena團隊、美國國立衛生研究院(NIH)過敏和傳染病研究所助理教授Joel Vega-Rodriguez團隊合作,證實了核心生物鐘基因(per、tim)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、博士Joel Vega-Rodriguez和西非布基納法索國家的桑特科學研究所研究員Diabate Abdoulaye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。該研究促進了學界對按蚊婚飛和求偶交配發生機制的理解,為研發蚊蟲綠色防控技術提供了新思路和新方法,例如,通過操縱蚊蟲婚飛以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,為減藥控蚊提供了新途徑。

Science同期刊發由美國農業部高級專家、教授Nicholas C. Manoukis撰寫的評述(Perspectives),對該研究給予了高度評價:“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。”野外實驗是該研究的另一亮點,“野外實驗不僅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。”

王四寶研究組的博士研究生王官棟為論文第一作者;Joel Vega-Rodriguez、Diabate Abdoulaye和上海科技大學副研究員劉競男為論文的并列第一作者;王四寶為論文的并列第一作者和首要通訊作者(Lead Contact);Marcelo Jacobs-Lorena為論文共同通訊作者。王四寶研究組博士生崔春來和董玲、研究助理李芳參與了該研究。研究工作得到國家自然科學基金、中科院、科學技術部和NIH等項目的支持。

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,近年來該團隊獲得研究進展,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。

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