黃昏交配，群蚊亂舞，都是生物鐘在作祟？
黃昏時(shí)分，蚊群在矢車菊叢上空“亂舞”，圖源pixabay
撰文 | 張 勇（蘇州大學(xué)醫(yī)學(xué)部劍橋-蘇大基因組資源中心）
責(zé)編 | 李 娟
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每到夏日黃昏時(shí)分，成百上千的雄性瘧蚊（又稱按蚊）集結(jié)成群，在空中飛舞，吸引雌蚊 “墜入情網(wǎng)”，完成求偶交配。而此時(shí)雌蚊一旦受精，便不再與其他雄蚊交配。早在1634年，人們便已觀察記載了這種蚊蟲(chóng)在交配時(shí)發(fā)生的集群飛行行為（婚飛，swarming）。
現(xiàn)在，科學(xué)家們對(duì)這種現(xiàn)象的關(guān)注，集中在探究其背后的生物學(xué)調(diào)控機(jī)制，以此達(dá)到抑制蚊蟲(chóng)繁殖、減少蚊蟲(chóng)種群數(shù)量，進(jìn)而控制蚊媒傳染病的目的。蚊子是瘧疾、登革熱和前幾年流行的寨卡病毒等病原體的傳播媒介，每年造成大約75萬(wàn)人喪生。其中，瘧蚊是瘧疾的主要傳播媒介，據(jù)統(tǒng)計(jì)每年由瘧蚊引發(fā)2-3億瘧疾病例，導(dǎo)致約50萬(wàn)人死于瘧疾。
2021年1月22日，美國(guó)《科學(xué)》雜志發(fā)表了一篇論文，將瘧蚊的繁殖現(xiàn)象與生物鐘基因、自然環(huán)境聯(lián)系了起來(lái)，揭示出瘧蚊集群婚飛的分子機(jī)制和雌雄求偶的化學(xué)通訊奧秘。這項(xiàng)研究由中國(guó)科學(xué)院分子植物卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所王四寶研究員的團(tuán)隊(duì)開(kāi)展。
王四寶研究員為并列第一和首要通訊作者（ead Contact）
為了研究調(diào)控瘧蚊婚飛和交配的基因，王四寶團(tuán)隊(duì)首先利用基因芯片對(duì)比野外采集的同一時(shí)間下婚飛雄蚊和非婚飛雄蚊的頭部基因轉(zhuǎn)錄組的差異，并由此發(fā)現(xiàn)了上調(diào)表達(dá)的幾十個(gè)基因。其中，令人驚奇的是兩個(gè)核心生物鐘基因（period/timeless）顯示出的表達(dá)差異。在婚飛雄蚊的頭部，這兩個(gè)基因表達(dá)明顯上調(diào)，暗示它們可能參與雄蚊婚飛的調(diào)控。
生物鐘基因period（per）和timeless（tim）在婚飛雄蚊頭部表達(dá)顯著上調(diào)（圖片來(lái)自論文）
如果人為地降低這兩個(gè)生物鐘基因的表達(dá)，是否會(huì)減弱雄蚊的婚飛行為呢？
為了回答這一問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)RNAi干擾的方法，在岡比亞按蚊（An. gambiae，非洲最重要的瘧疾媒介）和-斯氏按蚊（An. stephensi，亞洲瘧疾的主要傳播媒介）中下調(diào)period（per）和timeless（tim）的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)的確能夠顯著抑制雄蚊的婚飛行為，進(jìn)而降低雌蚊的交配率。
下調(diào)雄蚊中生物鐘基因per和tim表達(dá)能夠顯著降低雌蚊的受精率（圖片來(lái)自論文）
生物鐘受地球晝夜周期性變化的光照和溫度所調(diào)控，無(wú)獨(dú)有偶，按蚊的婚飛也主要集中在夏日的黃昏時(shí)分，科學(xué)家們進(jìn)一步推斷，黃昏時(shí)相對(duì)昏暗的光照和不冷不熱的溫度可能作為重要的環(huán)境因素促進(jìn)了按蚊的婚飛和交配。
果不其然，通過(guò)模擬環(huán)境溫度，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)與相對(duì)高溫（34度）和低溫（19度）相比，適宜的溫度（27度）能夠顯著提高雄蚊與雌蚊的交配率；同樣的，跟正常的光暗周期相比，傍晚的持續(xù)光照則能夠抑制雄蚊與雌蚊交配率，這表明昏暗的環(huán)境更有助于雄蚊的婚飛和交配。
通過(guò)進(jìn)一步研究，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)光照和溫度對(duì)按蚊婚飛和交配的影響可能是通過(guò)調(diào)控生物鐘基因per/tim 的表達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而揭示了內(nèi)源生物鐘、光照、溫度協(xié)同調(diào)控按蚊婚飛和交配的機(jī)制。
性信息素是雄性昆蟲(chóng)用來(lái)求偶的重要通訊信號(hào)，在婚飛過(guò)程中，雄性按蚊也只有成功求偶后，才能與雌蚊交配。作為婚飛交配的重要一環(huán)，按蚊的性信息素尚未報(bào)道。
表皮碳?xì)浠衔?/span>（Cuticlar hydrocarbon, CHC）是許多昆蟲(chóng)的已知重要性信息素成分。有趣的是，除了兩個(gè)生物鐘基因per/tim，之前的基因表達(dá)譜分析還發(fā)現(xiàn)，一個(gè)參與昆蟲(chóng)表皮碳?xì)浠衔锖铣傻娜ワ柡兔?/span>（desaturase 1）編碼基因desat1在婚飛雄蚊中的表達(dá)顯著上調(diào)，而且受環(huán)境光照的抑制及per/tim的激活。因此，科學(xué)家們推測(cè)，desat1可能與按蚊性信息素的合成有關(guān)。
為進(jìn)一步鑒定CHC 中促進(jìn)按蚊求偶的可能組分，王四寶團(tuán)隊(duì)利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)，比較了desat1下調(diào)后的雄蚊CHC變化，并發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)組分二十七烷顯著減少。有趣的是，腹部涂抹了人工合成的二十七烷的雄蚊對(duì)雌蚊的吸引力明顯提高，并增加了后者的受精率，這些結(jié)果表明生物鐘可能通過(guò)調(diào)控desat1的表達(dá)，來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)控二十七烷這一潛在的雄蚊性信息素的合成量，以促進(jìn)婚飛時(shí)雄蚊的求偶和交配。
以上這些實(shí)驗(yàn)雖然設(shè)計(jì)精妙，但畢竟還是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)盡可能地模擬野外環(huán)境的研究。為了探究生物鐘基因和desat1對(duì)岡比亞按蚊的婚飛交配行為的調(diào)控，王四寶團(tuán)隊(duì)聯(lián)合美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)Marcelo Jacobs-Lorena教授團(tuán)隊(duì)、美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院的 Joel Vega-Rodriguez團(tuán)隊(duì)，與西非布基納法索國(guó)家的桑特科學(xué)研究所Diabate Abdoulaye研究團(tuán)隊(duì)，在布基納法索的博迪烏拉索地區(qū)開(kāi)展了戶外測(cè)試研究，進(jìn)一步證實(shí)了在自然環(huán)境下生物鐘基因調(diào)控按蚊婚飛和交配行為的功能與作用。
按蚊婚飛和求偶的奧秘。揭示了按蚊內(nèi)源生物鐘整合外源光和環(huán)境溫度信號(hào)，協(xié)同調(diào)控雄蚊在黃昏時(shí)進(jìn)行婚飛的機(jī)制，受光調(diào)控的鐘控基因desat1參與合成的二十七烷作為信息素促進(jìn)兩性求偶和交配（圖片來(lái)自論文）
該研究系統(tǒng)深入地揭示了外界光照和環(huán)境溫度以及內(nèi)源生物鐘對(duì)按蚊婚飛交配的協(xié)同調(diào)控的分子機(jī)制，并首次鑒定出了按蚊性信息素的組成成分及調(diào)控基因，發(fā)現(xiàn)了按蚊求偶的化學(xué)奧秘，是近年來(lái)蚊蟲(chóng)生殖生物學(xué)和化學(xué)生態(tài)學(xué)的重大突破。
“傳統(tǒng)的化學(xué)殺蟲(chóng)劑已經(jīng)造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，并導(dǎo)致蚊蟲(chóng)抗藥性的產(chǎn)生”，這項(xiàng)研究的首要通訊（Lead Contact）作者王四寶研究員說(shuō)道，“未來(lái)可以嘗試通過(guò)操縱蚊蟲(chóng)婚飛來(lái)進(jìn)行干擾交配或集中誘殺、或者通過(guò)鑒定出的性信息素增強(qiáng)遺傳控制的雄蚊對(duì)野外雌蚊的吸引力”。
該研究極大地促進(jìn)了我們對(duì)瘧蚊婚飛交配發(fā)生機(jī)制的理解，還為蚊蟲(chóng)遺傳防治計(jì)劃的高效應(yīng)用提供了理論支持，對(duì)于研發(fā)基于蚊蟲(chóng)行為調(diào)控的新策略，減少化學(xué)殺蟲(chóng)劑的使用，最終實(shí)現(xiàn)蚊蟲(chóng)綠色防控具有重要意義。
制版編輯 | 盧卡斯
參考文獻(xiàn)
https://science.sciencemag.org/content/371/6527/411
