【人民日報】中國科學(xué)家破解瘧疾媒介按蚊求偶奧秘，控蚊或有新途徑
文章來源：分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心 | 發(fā)布時間：2021-01-22 | 【打印】 【關(guān)閉】
2021年1月22日，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王四寶研究員領(lǐng)銜的研究團隊在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)表題為“生物鐘基因、光照和環(huán)境溫度協(xié)同調(diào)控瘧疾媒介按蚊的性信息素合成、婚飛和交配”的論文，綜合運用多學(xué)科交叉研究手段，揭示了作為瘧疾主要傳播媒介的按蚊集群婚飛的分子機制和雌雄求偶的化學(xué)通訊奧秘。成果為蚊蟲遺傳防治策略的高效實施奠定了理論基礎(chǔ)，有望改變蚊蟲防治嚴重依賴化學(xué)農(nóng)藥的現(xiàn)狀，實現(xiàn)減藥控蚊。
致命按蚊會“婚飛”，人類觀察了近400年，未破解機理
蚊蟲是瘧疾、登革熱和寨卡熱等多種疾病的傳播媒介。雌蚊為了產(chǎn)卵需要血液補充營養(yǎng)，雄蚊則吸食植物汁液或花蜜為生。蚊子常見的有按蚊、伊蚊和庫蚊三大類。按蚊又稱瘧蚊，主要在夜間活動，是瘧疾的傳播媒介，是“地球上最致命的動物”——據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，全球每年有2-3億新發(fā)瘧疾病例，每年奪走約50萬人生命。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。蚊蟲防治主要依賴化學(xué)殺蟲劑，其長期濫用導(dǎo)致蚊蟲抗藥性和環(huán)境污染日益突出。為尋求新的解決方案，近年來，蚊蟲遺傳防治技術(shù)研究發(fā)展迅速，為蚊蟲綠色防控提供了新途徑。然而，目前關(guān)于雄蚊集群交配行為的發(fā)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(yīng)用。
夏季黃昏，雄性集群在空中飛舞，吸引雌蚊飛入后求偶交配，這種現(xiàn)象稱為“婚飛”。雌蚊受精后一般余生不再交配，為通過釋放雄蚊遺傳防治技術(shù)提供了獨特優(yōu)勢。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。
小按蚊大奧妙，多學(xué)科交叉研究才揭示：它們交流求偶受這三個基因調(diào)控
王四寶研究員現(xiàn)任中國科學(xué)院昆蟲發(fā)育與進化生物學(xué)重點實驗室副主任，近年在蚊蟲媒介分子生物學(xué)、蚊蟲與病原體互作機制及蚊媒疾病阻斷控制新策略的前沿研究領(lǐng)域，取得一系列具有國際影響力的原創(chuàng)成果。此次，他帶領(lǐng)研究團隊綜合運用比較轉(zhuǎn)錄組、分子生物學(xué)、時間生物學(xué)、化學(xué)生態(tài)學(xué)、代謝組學(xué)、行為學(xué)等多學(xué)科交叉研究手段，揭示了按蚊婚飛和交配發(fā)生機制。
他們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的比較分析，發(fā)現(xiàn)兩個生物鐘核心基因per和tim在婚飛雄蚊的頭部表達顯著上調(diào)。降低其表達會顯著抑制雄蚊的婚飛，降低交配率，表明內(nèi)源生物種控制按蚊婚飛和交配。
按蚊選擇在夏季黃昏進行婚飛，戶外光線昏暗、溫度適宜，那么光照和溫度這兩個重要的環(huán)境信號是否參與調(diào)控了按蚊的婚飛和交配呢？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。發(fā)現(xiàn)傍晚持續(xù)光照和不適宜環(huán)境溫度都會有所影響。且光照和溫度對按蚊婚飛和交配的影響，是通過調(diào)控生物鐘基因per和tim的表達實現(xiàn)的，揭示了內(nèi)源生物鐘通過整合外源光照和溫度信號來協(xié)同調(diào)控按蚊在夏季黃昏時進行婚飛和交配的分子機制。
王四寶研究員說，雄性按蚊婚飛中只有求偶成功，才能與雌蚊交配。昆蟲兩性間的交流和配偶選擇主要依靠性信息素通訊。性信息素是由昆蟲分泌的能引誘同種異性個體進行交尾的微量化學(xué)物質(zhì)。作為婚飛壓軸戲，雄蚊求愛的化學(xué)語言“性信息素”，至今仍是未解之謎?；虮磉_譜分析還發(fā)現(xiàn)一個參與昆蟲表皮碳氫化合物（CHC）合成的基因desat1在婚飛雄蚊中的表達顯著上調(diào)。干擾抑制該基因的表達同樣影響按蚊婚飛和交配行為。CHC是沉積在昆蟲體表、由碳和氫兩種元素組成的一類烴類物質(zhì)，是昆蟲表皮蠟層的主要成分，可以防止體內(nèi)水分散失、提供保護作用，還可作為信息化合物（如性信息素）在昆蟲求偶識別和通訊交流中發(fā)揮重要作用。研究人員利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)分析在抑制desat1表達后雄蚊CHC的組分變化，發(fā)現(xiàn)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。他們進一步研究發(fā)現(xiàn)，desat1 的表達呈節(jié)律性振蕩，是受光信號調(diào)控的生物鐘控制基因。這些結(jié)果表明，外界光信號和內(nèi)源生物鐘協(xié)同調(diào)控信息素合成基因desat1的節(jié)律性表達，來動態(tài)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。
國際合作測試瘧蚊，為減藥控蚊開辟新途徑
為了驗證per、tim、desat1是否也調(diào)控非洲瘧疾媒介岡比亞按蚊的婚飛和交配行為，王四寶研究團隊牽頭與美國約翰·霍普金斯大學(xué)Marcelo Jacobs-Lorena教授、美國國立衛(wèi)生研究院Joel Vega-Rodriguez團隊合作，證實了兩種核心生物鐘基因和鐘控基因desat1在調(diào)控不同按蚊婚飛和交配中具有相同功能。此外，三個研究團隊還聯(lián)手西非布基納法索國家的桑特科學(xué)研究所Diabate Abdoulaye團隊，在布基納法索的博博迪烏拉索地區(qū)開展戶外測試研究，證實了在戶外自然環(huán)境中生物鐘基因調(diào)控按蚊婚飛和交配行為的功能與作用。
綜上所述，該項研究系統(tǒng)深入地揭示了按蚊婚飛交配受內(nèi)源生物鐘、外源光和溫度信號協(xié)同調(diào)控的分子機制；首次鑒定出按蚊性信息素活性成分，發(fā)現(xiàn)了按蚊兩性求偶的化學(xué)通訊奧秘，極大促進了人們對按蚊婚飛和求偶交配發(fā)生機制的理解，也為研發(fā)蚊蟲綠色防控技術(shù)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(chǔ)，為今后減少蚊蟲防治對化學(xué)農(nóng)藥的依賴、實現(xiàn)減藥控蚊提供了新途徑。
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