黃昏交配,群蚊亂舞,都是生物鐘在作祟?

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)集結成群,在空中飛舞,吸引雌蚊 “墜入情網”,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生的叢集飛行行為(婚飛,swarming)。

現在,科學家們對這種現象的關注,集中在探究其背後的生物學調控機制,以此達到抑制蚊蟲繁殖、減少蚊蟲種群數量,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,據統計每年由瘧蚊引發2-3億瘧疾病例,導致約50萬人死於瘧疾。

2021年1月22日,美國《科學》雜誌發表的一篇論文,將瘧蚊的繁殖現象與生物鐘基因、自然環境聯絡了起來,揭示出瘧蚊叢集婚飛的分子機制和雌雄求偶的化學通訊奧秘。該研究由中國科學院分子植物卓越創新中心/植物生理生態研究所研究員王四寶的團隊完成。

黃昏交配,群蚊亂舞,都是生物鐘在作祟?

為了研究調控瘧蚊婚飛和交配的基因,王四寶團隊首先利用基因晶片對比野外採集的同一時間下婚飛雄蚊和非婚飛雄蚊的頭部基因轉錄組的差異,並由此發現了上調錶達的幾十個基因。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,暗示它們可能參與雄蚊婚飛的調控。

黃昏交配,群蚊亂舞,都是生物鐘在作祟?

生物鐘基因period(per)和timeless(tim)在婚飛雄蚊頭部表達顯著上調(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,該團隊透過RNAi干擾的方法,在甘比亞按蚊(

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

period

per

)和

timeless

tim

)的表達,發現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。

黃昏交配,群蚊亂舞,都是生物鐘在作祟?

下調雄蚊中生物鐘基因per和tim表達能夠顯著降低雌蚊的受精率(圖片來自論文)

生物鐘受地球晝夜週期性變化的光照和溫度所調控,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

不冷不熱的溫度

可能作為重要的環境因素促進了按蚊的婚飛和交配。

果不其然,透過模擬環境溫度,該團隊發現與相對高溫(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,跟正常的光暗週期相比,傍晚的持續光照則能夠抑制雄蚊與雌蚊交配率,這表明昏暗的環境更有助於雄蚊的婚飛和交配。

透過進一步研究,該團隊發現光照和溫度對按蚊婚飛和交配的影響可能是透過

調控生物鐘基因

per/tim

的表達來實現

,從而揭示了內源生物鐘、光照、溫度協同調控按蚊婚飛和交配的機制。

性資訊素

是雄性昆蟲用來求偶的重要通訊訊號,在婚飛過程中,雄性按蚊也只有成功求偶後,才能與雌蚊交配。作為婚飛交配的重要一環,按蚊的性資訊素尚未報道。

表皮碳氫化合物

(Cuticlar hydrocarbon, CHC)是許多昆蟲的已知重要性資訊素成分。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現,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

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在婚飛雄蚊中的表達顯著上調,而且受環境光照的抑制及

per/tim

的啟用。因此,科學家們推測,

desat1

可能與按蚊性資訊素的合成有關。

為進一步鑑定CHC 中促進按蚊求偶的可能組分,王四寶團隊利用氣相色譜-質譜聯用技術,比較了

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下調後的雄蚊CHC變化,並發現其中一個組分

二十七烷

顯著減少。有趣的是,腹部塗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,並增加了後者的受精率,這些結果表明生物鐘可能透過調控

desat1

的表達,來動態調控二十七烷這一潛在的雄蚊性資訊素的合成量,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儘可能地模擬野外環境的研究。為了探究生物鐘基因和

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對甘比亞按蚊的婚飛交配行為的調控,王四寶團隊聯合美國約翰霍普金斯大學Marcelo Jacobs-Lorena教授團隊、美國國立衛生研究院的 Joel Vega-Rodriguez團隊,與西非布吉納法索國家的桑特科學研究所Diabate Abdoulaye研究團隊,在布吉納法索的博迪烏拉索地區開展了

戶外測試研究

,進一步證實了在自然環境下生物鐘基因調控按蚊婚飛和交配行為的功能與作用。

黃昏交配,群蚊亂舞,都是生物鐘在作祟?

按蚊婚飛和求偶的奧秘。揭示了按蚊內源生物鐘整合外源光和環境溫度訊號,協同調控雄蚊在黃昏時進行婚飛的機制,受光調控的鐘控基因

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參與合成的二十七烷作為資訊素促進兩性求偶和交配(圖片來自論文)

該研究系統深入地揭示了外界光照和環境溫度以及內源生物鐘對按蚊婚飛交配的協同調控的分子機制,並首次鑑定出了按蚊性資訊素的組成成分及調控基因,發現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學的重大突破。

“傳統的化學殺蟲劑已經造成了嚴重的環境汙染,並導致蚊蟲抗藥性的產生。”王四寶說道,“未來可以嘗試透過操縱蚊蟲婚飛來進行干擾交配或集中誘殺、或者透過鑑定出的性資訊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援,對於研發基於蚊蟲行為調控的新策略,減少化學殺蟲劑的使用,最終實現蚊蟲綠色防控具有重要意義。

參考文獻:

https://science。sciencemag。org/content/371/6527/411

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