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【上海科技报】按蚊是怎么“谈恋爱”的?上海科学家破解相关科学机制

按蚊是人类社会中常见的一种蚊子,因会传播疟疾又被称为疟蚊。为了减少疟疾,人们曾经使用化学杀虫剂来对付按蚊,却造成了蚊虫抗药性、环境污染等问题。科学家们又遗传改造了一批不能繁殖后代的雄蚊,希望降低野生按蚊的数量。然而这些人造雄蚊在按蚊的“相亲大会”——婚飞中,压根得不到雌蚊的青睐。按蚊是怎么“谈恋爱”的?这已经不仅仅是科学家们希望破解的科学问题,还与蚊虫绿色生态防控、疾病源头防控等的效果息息相关。

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》上发表论文,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。

为何约在夏日黄昏后?

夏日的黄昏,在斜阳柔和的余辉下,雄性按蚊似乎已经按捺不住内心的“喜悦”。它们成群结队地在空中翩翩起舞,宛如天边飘来的一片“乌云”。很快,雌蚊被吸引并加入其中。相互“来电”的雄雌按蚊会结队出群,完成交配。这场在昆虫世界里蔚为壮观的“相亲大会”被称为婚飞。早在1634年,就有人对蚊虫婚飞现象进行了观察记载。

那么,究竟是什么样的分子机制,造就了数百万年来按蚊一直按部就班举行的婚飞和求偶交配活动?长期从事蚊子研究的手机一天赚50元王四宝研究员,带领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,对这个问题进行了深入研究。

研究人员首先收集了野外婚飞与非婚飞的雄性按蚊头部,并对基因表达进行了分析比较。结果发现,按蚊身体里的两个生物钟核心基因per和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。

由于按蚊的婚飞总是发生在夏季黄昏时分,此时户外光线昏暗、温度适宜。“我们设想,光照和温度这两个重要的环境信号是否了参与调控。”王四宝说,研究人员分别测定了光照和不同温度对按蚊交配活动的影响,发现的确如此。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。而这两个环境因素也是通过调控per和tim的表达来实现的。

由此可见,“蚊约夏日黄昏后”是内源生物钟与外源光照、温度信号联动的结果,可谓占尽“天时、地利、蚊合”。

雌蚊如何“闻香识雄蚊”?

在一大群“群魔乱舞”的雄蚊里,雌蚊是如何挑选心仪对象的?它们不用眼睛,而是“闻香识雄蚊”。在婚飞中,雄蚊向雌蚊发出求爱的化学语言——性信息素。王四宝科研团队在基因表达谱分析中发现,参与昆虫表皮碳氢化合物(CHC)合成的基因desat1在婚飞雄蚊中的表达显著上调。干扰抑制desat1的表达同样影响按蚊婚飞和交配行为。

CHC是沉积在昆虫体表、由碳和氢两种元素组成的一类烃类物质,是昆虫表皮蜡层的主要成分,其不仅可以防止体内水分散失、提供保护作用,还可作为信息化合物。研究人员推测,desat1可能参与了按蚊性信息素的合成。

利用气相色谱—质谱联用技术,研究人员分析了抑制desat1表达后雄蚊CHC的组分变化,发现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。“二十七烷是按蚊的性信息素活性成分。”王四宝说,“这就像是男性喷洒香水,以此来增加对女性吸引力。”

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是受光信号调控的生物钟控制基因。

为蚊虫绿色防控提供新路径

在理顺了按蚊“谈恋爱”的时间、地点和吸引力的奥秘之后,就可以回答“为何人工培育的绝育雄性按蚊得不到野生雌性按蚊青睐”的问题。“简单而言,人工培育的按蚊生物钟和野生按蚊生物钟不同。实验室里早7点开灯、晚7点关灯,人工培育的按蚊经常在晚上9点婚飞,但野生按蚊婚飞时间是在傍晚的6点。两者根本就没碰上,怎么可能交配。”王四宝说,“如果我们能够根据不同地点的光照、温度,给予人工培育按蚊正确的生物钟,或是给雄蚊喷上更强的‘香水’,就会让雌蚊青睐不能繁殖后代的人工培育雄蚊。”

而为了验证per、tim、desat1是否也调控非洲疟疾媒介——冈比亚按蚊的婚飞和交配行为,王四宝研究团队还与美国约翰·霍普金斯大学Marcelo Jacobs-Lorena教授、美国国立卫生研究院的Joel Vega-Rodriguez团队合作,在布基纳法索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。

事实上,按蚊婚飞和求偶交配发生机制的破解,为研发蚊虫绿色防控技术提供了新思路和新方法,也为今后减少蚊虫防治对化学农药的依赖、实现减药控蚊目标提供了新途径。王四宝指出:“除了按蚊之外,伊蚊、库蚊、白蚁等也都有婚飞行为,新的研究结论对这类蚊虫的绿色防控也是有启发的。”

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