中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員王四寶團(tuán)隊(duì)一項(xiàng)最新研究揭示了按蚊集群婚飛的分子機(jī)制和雌雄求偶的化學(xué)通訊奧秘，為蚊蟲遺傳防治策略的高效實(shí)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(shí)現(xiàn)減藥控蚊提供了新途徑。1月22日，研究成果在線發(fā)表于《科學(xué)》。

　　每到夏天，蚊子總是令人不堪其擾。蚊蟲除了叮咬騷擾人類，還是瘧疾、登革熱和寨卡熱等多種疾病的傳播媒介。雌蚊為了產(chǎn)卵及繁殖后代需要血液補(bǔ)充營養(yǎng)維生，而雄蚊則吸食植物的汁液或花蜜為生。蚊子種類繁多，常見的主要有按蚊、伊蚊和庫蚊三大類。其中，按蚊，又稱瘧蚊，主要在夜間活動(dòng)，是瘧疾的傳播媒介。據(jù)世界衛(wèi)生組織WHO統(tǒng)計(jì)，全球每年有2億~3億新發(fā)瘧疾病例，每年奪走約50萬人生命，是地球上最致命的動(dòng)物，嚴(yán)重威脅著人類健康、公共衛(wèi)生和國家安全。由于疫苗的缺乏，防治媒介蚊蟲是控制和消除蚊媒傳染病的有效手段。

　　長期以來，蚊蟲防治主要依賴化學(xué)殺蟲劑，而泛濫使用化學(xué)農(nóng)藥導(dǎo)致蚊蟲抗藥性和環(huán)境污染等問題日益突出。因此，人們迫切需要研發(fā)新的替代工具來安全有效地控制蚊蟲種群數(shù)量，從而減少蚊媒傳染病。近年來，蚊蟲遺傳防治技術(shù)的研究發(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(jī)理尚不清楚，嚴(yán)重制約了蚊蟲遺傳防治的應(yīng)用。

　　蚊蟲在集群飛行中完成求偶交配。夏季黃昏時(shí)，雄性按蚊集結(jié)成群在空中飛舞，吸引雌蚊飛入后進(jìn)行求偶交配，這種現(xiàn)象稱為婚飛。雌蚊受精后一般余生不再交配，這為通過釋放雄蚊的遺傳防治技術(shù)提供了獨(dú)特優(yōu)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(jī)制至今尚未闡明。

　　王四寶團(tuán)隊(duì)綜合運(yùn)用比較轉(zhuǎn)錄組、分子生物學(xué)、時(shí)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)生的機(jī)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(dá)的比較分析，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)生物鐘核心基因per和tim在婚飛雄蚊的頭部表達(dá)顯著上調(diào)。降低per或tim的表達(dá)會(huì)顯著抑制雄蚊的婚飛，進(jìn)而降低交配率，表明內(nèi)源生物種控制按蚊婚飛和交配。

　　由于地球的自轉(zhuǎn)，環(huán)境光照和溫度呈現(xiàn)晝夜周期性變化。按蚊選擇在夏季黃昏時(shí)分進(jìn)行婚飛，那時(shí)戶外光線昏暗、溫度適宜，那么光照和溫度這兩個(gè)重要的環(huán)境信號是否參與調(diào)控了按蚊的婚飛和交配行為呢？為此，王四寶團(tuán)隊(duì)分別測定了光照和不同溫度對按蚊交配活動(dòng)的影響。研究人員發(fā)現(xiàn)，傍晚時(shí)持續(xù)光照和不適宜的環(huán)境溫度都會(huì)影響按蚊的婚飛和交配活動(dòng)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，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(dá)來實(shí)現(xiàn)的，從而揭示了內(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(shí)進(jìn)行婚飛和交配的分子機(jī)制。

　　雄性按蚊在婚飛過程中只有求偶成功后，才能與雌蚊進(jìn)行交配。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(gè)體進(jìn)行交尾的微量化學(xué)物質(zhì)。作為婚飛的壓軸戲，雄蚊向雌蚊求愛的化學(xué)語言“性信息素”，至今仍是未解之謎。基因表達(dá)譜分析還發(fā)現(xiàn)一個(gè)參與昆蟲表皮碳?xì)浠衔铮–HC）合成的基因desat1在婚飛雄蚊中的表達(dá)顯著上調(diào)。干擾抑制desat1的表達(dá)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，其不僅可以防止體內(nèi)水分散失、提供保護(hù)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。

　　為此，研究人員推測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(diào)控作用的CHC成分，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(dá)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。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，desat1 的表達(dá)呈節(jié)律性振蕩，且受光照和生物鐘基因per和tim的調(diào)控，表明desat1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(dá)，來動(dòng)態(tài)控制按蚊性信息素的合成量，從而促進(jìn)婚飛時(shí)雄蚊的求偶和交配。

　　為了驗(yàn)證per、tim、desat1是否也調(diào)控非洲瘧疾媒介——岡比亞按蚊（Anopheles gambiae）的婚飛和交配行為，王四寶團(tuán)隊(duì)與美國約翰·霍普金斯大學(xué)Marcelo Jacobs-Lorena、美國國立衛(wèi)生研究院的 Joel Vega-Rodriguez團(tuán)隊(duì)合作，證實(shí)了核心生物鐘基因（per、tim）和鐘控基因desat1在調(diào)控不同按蚊婚飛和交配中具有相同的功能。此外，聯(lián)合Marcelo Jacobs-Lorena教授、Joel Vega-Rodriguez博士和西非布基納法索國家的桑特科學(xué)研究所Diabate Abdoulaye研究團(tuán)隊(duì)，在布基納法索的博博迪烏拉索地區(qū)開展了戶外測試研究，證實(shí)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。

　　專家表示，該項(xiàng)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(jī)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。該研究極大促進(jìn)了人們對按蚊婚飛和求偶交配發(fā)生機(jī)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(qiáng)雄蚊對野外雌蚊的性吸引力和交配競爭力。

　　相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/science.abd4359

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