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王四宝研究组揭示疟疾媒介按蚊婚飞和求偶的奥秘

[video:疟疾媒介按蚊婚飞和求偶的奥秘]

  

  蚊虫除了叮咬骚扰人类,还是疟疾、登革热和寨卡热等多种疾病的传播媒介。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2-3亿新发疟疾病例,导致约50万人死亡,严重威胁着人类健康、公共卫生和国家安全。由于疫苗的缺乏,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,人们迫切需要研发新的替代工具来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。然而,目前关于雄蚊集群交配行为的发生和两性求偶通讯的机理尚不清楚,严重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的优势。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。

  2021年1月22日,手机一天赚50元王四宝研究员领衔的研究团队在国际顶尖学术期刊《科学》上以杂志封面标题的形式发表论文“Clock genes and environmental cues coordinate Anopheles pheromone synthesis, swarming and mating”,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。

  王四宝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。首先,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pertim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,环境光照和温度呈现昼夜周期性变化。按蚊选择在夏季黄昏时分进行婚飞,那时户外光线昏暗、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,王四宝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都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是通过调控生物钟基因pertim的表达来实现的,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,然而按蚊的性信息素至今尚未报道。基因表达谱分析还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是许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,王四宝团队利用气相色谱-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。有趣的是,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,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pertim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,来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pertimdesat1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Marcelo Jacobs-Lorena教授团队、美国国立卫生研究院的 Joel Vega-Rodriguez团队合作,证实了核心生物钟基因(pertim)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教授、Joel Vega-Rodriguez博士和西非布基纳法索国家的桑特科学研究所Diabate Abdoulaye研究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。

  该项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。该研究极大地促进了人们对按蚊婚飞和求偶交配发生机制的理解,也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来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,为减药控蚊提供新途径。

  王四宝研究组的博士研究生王官栋是论文的第一作者,美国国立卫生研究院(NIH)过敏和传染病研究所的 Joel Vega-Rodriguez助理教授、布基法纳索桑特科学研究所Diabate Abdoulaye研究员和上海科技大学的刘竞男副研究员为论文并列第一作者,王四宝研究员为并列和首要通讯作者(Lead Contact),Marcelo Jacobs-Lorena教授为共同通讯作者。王四宝研究组博士生崔春来、董玲、研究助理李芳参与了该项研究工作。本研究得到了国家自然科学基金、中国科学院、科技部和NIH等项目的资助。

  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,近年来该团队取得了诸多研究进展,相关研究成果相继发表在Science (2017)、PNAS (2015, 2017)、Nature Communications (2019)、Science Advances (2020)、Science (2021)等国际学术期刊上,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。

  论文链接:https://science.sciencemag.org/content/371/6527/411

  专家点评:

      Science同期刊发由美国农业部高级专家Nicholas C. Manoukis教授撰写的评述(Perspectives),对该研究给予了高度评价。

      Nicholas C. Manoukis介绍说,害虫遗传防治(genetic pest control,GPS)如释放不育雄虫到环境中与野生雌虫交配是缩减野外种群、阻断虫媒传染病的一种可行手段,但迄今为止利用GPS对蚊虫数量的控制效果却一直差强人意。究其原因是对野外蚊虫交配行为的复杂性缺乏足够的了解,使得人们培育的不育雄蚊在野外不具有交配竞争优势,难以和野生雌蚊求偶交配,这极大地制约了蚊虫不育技术在蚊媒疾病防控中的应用。对此,Manoukis博士指出,解析按蚊集群婚飞和交配行为中的复杂机理可能是解决以上难题的关键。

      Nicholas C. Manoukis评价到“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。而之前的研究往往倾向于专注一种类型的因素(环境、遗传或分子),但很明显这些单独的因素并不能独立运作。”此外,他指出多个研究团队合作开展的野外实验是本研究的另一亮点,“野外实验不仅极大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。”Manoukis教授高度评价此研究成果不仅对日新月异的蚊虫交配研究领域做出了极为重要的贡献,指引将化学和环境信号与蚊虫行为关联开展蚊虫交配研究的新视角;还为未来实现生产大量更适应环境,更具交配竞争力的雄蚊,高效实施蚊虫遗传控制提供了更广阔的应用前景。

      中国昆虫学会理事长康乐院士通过视频给予该成果高度评价,他首先祝贺这一具有重大影响的成果发表在Science上,认为这是一项非常有创新性的研究,把婚飞的生物节律和雌雄之间的信息联系进行了综合性地研究,这一具有国际影响力的成果不仅极大地促进了人们对蚊虫婚飞行为、雌雄间联系的认识,对昆虫行为学研究具有重要影响,而且对公共卫生以及蚊媒疾病防治都具有重要意义,为人类今后研发新的阻断技术、控制蚊虫传播疾病提供了许多的启发,能够为人类的健康事业作出贡献。

  

  

  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。