中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心研究員王四寶團隊一項最新研究揭示了按蚊集群婚飛的分子機制和雌雄求偶的化學通訊奧秘，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農(nóng)藥的依賴、實現(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》。

　　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，是瘧疾的傳播媒介。據(jù)世界衛(wèi)生組織WHO統(tǒng)計，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物，嚴重威脅著人類健康、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殺蟲劑，而泛濫使用化學農(nóng)藥導致蚊蟲抗藥性和環(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理尚不清楚，嚴重制約了蚊蟲遺傳防治的應用。

　　蚊蟲在集群飛行中完成求偶交配。夏季黃昏時，雄性按蚊集結(jié)成群在空中飛舞，吸引雌蚊飛入后進行求偶交配，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制至今尚未闡明。

　　王四寶團隊綜合運用比較轉(zhuǎn)錄組、分子生物學、時間生物學、化學生態(tài)學、代謝組學、行為學等多學科交叉研究手段，揭示了按蚊婚飛和交配發(fā)生的機制。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per或tim的表達會顯著抑制雄蚊的婚飛，進而降低交配率，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分進行婚飛，那時戶外光線昏暗、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行為呢？為此，王四寶團隊分別測定了光照和不同溫度對按蚊交配活動的影響。研究人員發(fā)現(xiàn)，傍晚時持續(xù)光照和不適宜的環(huán)境溫度都會影響按蚊的婚飛和交配活動。進一步研究發(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的表達來實現(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進行婚飛和交配的分子機制。

　　雄性按蚊在婚飛過程中只有求偶成功后，才能與雌蚊進行交配。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體進行交尾的微量化學物質(zhì)。作為婚飛的壓軸戲，雄蚊向雌蚊求愛的化學語言“性信息素”，至今仍是未解之謎。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（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desat1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，其不僅可以防止體內(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。

　　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。進一步研究發(fā)現(xiàn)，desat1 的表達呈節(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，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。

　　為了驗證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，王四寶團隊與美國約翰·霍普金斯大學Marcelo Jacobs-Lorena、美國國立衛(wèi)生研究院的 Joel Vega-Rodriguez團隊合作，證實了核心生物鐘基因（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研究所Diabate Abdoulaye研究團隊，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通訊奧秘。該研究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。

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

　　文章鏈接：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2021/1/452202.shtm