黃昏交配，群蚊亂舞，都是生物鐘在作祟？
黃昏時分，蚊群在矢車菊叢上空“亂舞”，圖源pixabay
撰文 | 張 勇（蘇州大學醫(yī)學部劍橋-蘇大基因組資源中心）
責編 | 李 娟
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每到夏日黃昏時分，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在交配時發(fā)生的集群飛行行為（婚飛，swarming）。
現(xiàn)在，科學家們對這種現(xiàn)象的關(guān)注，集中在探究其背后的生物學調(diào)控機制，以此達到抑制蚊蟲繁殖、減少蚊蟲種群數(shù)量，進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75萬人喪生。其中，瘧蚊是瘧疾的主要傳播媒介，據(jù)統(tǒng)計每年由瘧蚊引發(fā)2-3億瘧疾病例，導致約50萬人死于瘧疾。
2021年1月22日，美國《科學》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，揭示出瘧蚊集群婚飛的分子機制和雌雄求偶的化學通訊奧秘。這項研究由中國科學院分子植物卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所王四寶研究員的團隊開展。
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，王四寶團隊首先利用基因芯片對比野外采集的同一時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)表達的幾十個基因。其中，令人驚奇的是兩個核心生物鐘基因（period/timeless）顯示出的表達差異。在婚飛雄蚊的頭部，這兩個基因表達明顯上調(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顯著上調(diào)（圖片來自論文）
如果人為地降低這兩個生物鐘基因的表達，是否會減弱雄蚊的婚飛行為呢？
為了回答這一問題，該團隊通過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，發(fā)現(xiàn)的確能夠顯著抑制雄蚊的婚飛行為，進而降低雌蚊的交配率。
下調(diào)雄蚊中生物鐘基因per和tim表達能夠顯著降低雌蚊的受精率（圖片來自論文）
生物鐘受地球晝夜周期性變化的光照和溫度所調(diào)控，無獨有偶，按蚊的婚飛也主要集中在夏日的黃昏時分，科學家們進一步推斷，黃昏時相對昏暗的光照和不冷不熱的溫度可能作為重要的環(huán)境因素促進了按蚊的婚飛和交配。
果不其然，通過模擬環(huán)境溫度，該團隊發(fā)現(xiàn)與相對高溫（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。
通過進一步研究，該團隊發(fā)現(xiàn)光照和溫度對按蚊婚飛和交配的影響可能是通過調(diào)控生物鐘基因per/tim 的表達來實現(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制。
性信息素是雄性昆蟲用來求偶的重要通訊信號，在婚飛過程中，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道。
表皮碳氫化合物（Cuticlar hydrocarbon, CHC）是許多昆蟲的已知重要性信息素成分。有趣的是，除了兩個生物鐘基因per/tim，之前的基因表達譜分析還發(fā)現(xiàn)，一個參與昆蟲表皮碳氫化合物合成的去飽和酶（desaturase 1）編碼基因desat1在婚飛雄蚊中的表達顯著上調(diào)，而且受環(huán)境光照的抑制及per/tim的激活。因此，科學家們推測，desat1可能與按蚊性信息素的合成有關(guān)。
為進一步鑒定CHC 中促進按蚊求偶的可能組分，王四寶團隊利用氣相色譜-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調(diào)控desat1的表達，來動態(tài)調(diào)控二十七烷這一潛在的雄蚊性信息素的合成量，以促進婚飛時雄蚊的求偶和交配。
以上這些實驗雖然設計精妙，但畢竟還是在實驗室內(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對岡比亞按蚊的婚飛交配行為的調(diào)控，王四寶團隊聯(lián)合美國約翰霍普金斯大學Marcelo Jacobs-Lorena教授團隊、美國國立衛(wèi)生研究院的 Joel Vega-Rodriguez團隊，與西非布基納法索國家的桑特科學研究所Diabate Abdoulaye研究團隊，在布基納法索的博迪烏拉索地區(qū)開展了戶外測試研究，進一步證實了在自然環(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，協(xié)同調(diào)控雄蚊在黃昏時進行婚飛的機制，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兩性求偶和交配（圖片來自論文）
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)源生物鐘對按蚊婚飛交配的協(xié)同調(diào)控的分子機制，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)了按蚊求偶的化學奧秘，是近年來蚊蟲生殖生物學和化學生態(tài)學的重大突破。
“傳統(tǒng)的化學殺蟲劑已經(jīng)造成了嚴重的環(huán)境污染，并導致蚊蟲抗藥性的產(chǎn)生”，這項研究的首要通訊（Lead Contact）作者王四寶研究員說道，“未來可以嘗試通過操縱蚊蟲婚飛來進行干擾交配或集中誘殺、或者通過鑒定出的性信息素增強遺傳控制的雄蚊對野外雌蚊的吸引力”。
該研究極大地促進了我們對瘧蚊婚飛交配發(fā)生機制的理解，還為蚊蟲遺傳防治計劃的高效應用提供了理論支持，對于研發(fā)基于蚊蟲行為調(diào)控的新策略，減少化學殺蟲劑的使用，最終實現(xiàn)蚊蟲綠色防控具有重要意義。
制版編輯 | 盧卡斯
參考文獻
https://science.sciencemag.org/content/371/6527/411
