科学家揭示疟疾媒介按蚊婚飞和求偶的奥秘
科学家揭示疟疾媒介按蚊婚飞和求偶的奥秘
光明网讯 据中国科学院分子植物科学卓越创新中心消息，1月22日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员王四宝领衔的研究团队在《科学》上，发表题为Clock genes and environmental cues coordinate Anopheles pheromone synthesis, swarming and mating的研究论文。该研究揭示了按蚊集群婚飞的分子机制和雌雄求偶的化学通讯奥秘。
蚊虫除了叮咬骚扰人类，还是疟疾、登革热和寨卡热等疾病的传播媒介。按蚊是疟疾的传播媒介，因此也被称为疟蚊。疟蚊肆虐每年造成全球大量新发疟疾病例，由此而死亡的人数较多，严重威胁人类健康、公共卫生和国家安全。由于缺乏疫苗，防治媒介蚊虫是控制和消除蚊媒传染病的有效手段。然而，蚊虫防治长期依赖化学杀虫剂，泛滥使用化学农药导致蚊虫抗药性和环境污染等问题日益突出。因此，人们迫切需要研发出新的替代工具以安全有效地控制蚊虫种群数量。近年来，蚊虫遗传防治技术的研究发展迅速，为蚊虫的绿色防控提供了新途径。但目前，学界尚不清楚雄蚊集群交配行为的发生和两性求偶通讯的机理，这制约了蚊虫遗传防治的应用。
蚊虫在集群飞行中完成求偶交配，夏季黄昏时，雄性按蚊集结成群在空中飞舞，吸引雌蚊飞入后进行求偶交配，这种现象称为婚飞。雌蚊受精后一般余生不再交配，这为通过释放雄蚊的遗传防治技术提供了独特优势。早在1634年就有蚊虫婚飞的观察记载，但按蚊婚飞和求偶交配的分子机制至今尚未阐明。
研究团队综合运用比较转录组、分子生物学、时间生物学、化学生态学、代谢组学、行为学等多学科交叉研究手段，揭示了按蚊婚飞和交配发生的机制。研究人员通过对野外采集的婚飞与非婚飞雄性按蚊头部基因表达转录组分析，发现两个生物钟核心基因period (per)和timeless (tim)在婚飞雄蚊的头部表达显著上调。降低per或tim的表达会显著抑制雄蚊的婚飞，进而降低交配率，表明内源生物钟控制按蚊婚飞和交配。
由于地球的自转，环境光照和温度呈昼夜周期性变化。按蚊选择在夏季黄昏时分进行婚飞，该时段户外光线昏暗、温度适宜，那么光照和温度这两个重要的环境信号是否参与调控了按蚊的婚飞和交配行为呢？为此，研究团队分别测定了光照和不同温度对按蚊交配活动的影响。研究发现，傍晚时持续光照和不适宜的环境温度均会影响按蚊的婚飞和交配活动。进一步研究发现，光照和温度对按蚊婚飞和交配的影响通过调控生物钟基因per和tim的表达来实现，从而揭示了内源生物钟通过整合外源光照和温度信号来协同调控按蚊在夏季黄昏时进行婚飞和交配的分子机制。
雄性按蚊在婚飞过程中只有成功求偶后，才能与雌蚊进行交配。性信息素是昆虫两性间交流和偶配选择的主要通讯信号，但按蚊的性信息素尚未报道。基因表达谱分析发现，一个参与昆虫表皮碳氢化合物（Cuticular hydrocarbon, CHC）合成的去饱和酶desaturase 1编码基因desat1在婚飞雄蚊中的表达显著上调。RNAi干扰抑制desat1的表达同样影响按蚊婚飞和交配行为。CHC是较多昆虫的性信息素成分，推测desat1可能参与了按蚊性信息素的合成。为了鉴定对按蚊求偶交配起调控作用的CHC成分，研究团队利用气相色谱-质谱联用技术（GC-MS），比较了敲低desat1表达后的雄蚊CHC的组分变化，发现二十三烷和二十七烷等显著减少。腹部涂抹了人工合成的二十七烷的雄蚊对雌蚊的性吸引力显著提高，并增加了雌蚊的受精率，这表明二十七烷是按蚊的性信息素活性成分。进一步研究发现，desat1的表达呈节律性振荡，且受光照和生物钟基因per和tim的调控，表明desat1是受光信号调控的钟控基因。这些结果表明，外界光信号和内源生物钟协同调控信息素合成基因desat1的节律性表达以动态控制按蚊性信息素的合成量，从而促进婚飞时雄蚊的求偶和交配。
为了验证per、tim、desat1是否也调控非洲疟疾媒介——冈比亚按蚊（Anopheles gambiae）的婚飞和交配行为，王四宝研究团队与美国约翰·霍普金斯大学教授Marcelo Jacobs-Lorena团队、美国国立卫生研究院（NIH）过敏和传染病研究所助理教授Joel Vega-Rodriguez团队合作，证实了核心生物钟基因（per、tim）和钟控基因desat1在调控不同按蚊婚飞和交配中具有相同的功能。此外，联合Marcelo Jacobs-Lorena、博士Joel Vega-Rodriguez和西非布基纳法索国家的桑特科学研究所研究员Diabate Abdoulaye团队在布基纳法索的博博迪乌拉索地区开展了户外测试研究，证实了在户外自然环境中生物钟基因调控按蚊婚飞和交配行为的功能与作用。
该研究系统深入地揭示了按蚊婚飞交配受内源生物钟基因与外源光和温度信号互作协同调控的分子机制；首次鉴定出按蚊性信息素活性成分，发现了按蚊两性求偶的化学通讯奥秘。该研究促进了学界对按蚊婚飞和求偶交配发生机制的理解，为研发蚊虫绿色防控技术提供了新思路和新方法，例如，通过操纵蚊虫婚飞以干扰交配或集中诱杀，利用性信息素增强雄蚊对野外雌蚊的性吸引力和交配竞争力，为蚊虫遗传防治策略的高效实施奠定了理论基础，为减药控蚊提供了新途径。
Science同期刊发由美国农业部高级专家、教授Nicholas C. Manoukis撰写的评述（Perspectives），对该研究给予了高度评价：“不同于以往的研究，王四宝团队研究工作的关键是将环境变量（温度和光照）整合到实验中，进而来确定自然环境中基因表达的调控机制，从而对蚊虫婚飞交配行为产生了重要深刻的洞见，例如发现光周期（每天的关照和黑暗持续时间）影响蚊虫体内生物钟基因和合成性信息素基因desat1。”野外实验是该研究的另一亮点，“野外实验不仅提高了我们对蚊虫交配这一现象的整体理解，还为将实验结果应用到新的媒介控制项目中提供了重要的研究模式。”
王四宝研究组的博士研究生王官栋为论文第一作者；Joel Vega-Rodriguez、Diabate Abdoulaye和上海科技大学副研究员刘竞男为论文的并列第一作者；王四宝为论文的并列第一作者和首要通讯作者（Lead Contact）；Marcelo Jacobs-Lorena为论文共同通讯作者。王四宝研究组博士生崔春来和董玲、研究助理李芳参与了该研究。研究工作得到国家自然科学基金、中科院、科学技术部和NIH等项目的支持。
王四宝研究团队主要致力于蚊虫媒介分子生物学与生物互作机制的研究，近年来该团队获得研究进展，相关研究成果相继发表在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)等期刊上发表研究综述。
图1.按蚊在黄昏时婚飞和交配（摄影：Abdoulaye Diabate）
图2.按蚊交配（左：雄蚊，右：雌蚊）
图3.雌蚊嗜血
图4.按蚊婚飞和求偶的奥秘。揭示了按蚊内源生物钟整合外源光和环境温度信号协同调控雄蚊在黄昏时进行婚飞的机制，受光调控的钟控基因desat1参与合成的二十七烷作为信息素促进两性求偶和交配。