中國科學(xué)家揭示瘧疾傳播媒介按蚊交配奧秘 為減藥控蚊提供新途徑

眾所周知，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。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，全球每年有2-3億新發(fā)瘧疾病例，每年奪走約50萬人生命。據(jù)科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，傳播瘧疾的罪魁禍?zhǔn)资且环N被稱作“按蚊”的蚊子種類。

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。為了更加有效地減少蚊媒傳染病，近年來，蚊蟲遺傳防治技術(shù)的研究發(fā)展迅速，為蚊蟲的綠色防控提供了新途徑。但是，由于目前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。

1月22日，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王四寶研究員領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)表論文，研究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，為今后減少蚊蟲防治對化學(xué)農(nóng)藥的依賴、實現(xiàn)減藥控蚊提供了新途徑。

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(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)提供了獨特的優(yōu)勢。據(jù)悉，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)制一直尚未闡明。王四寶研究團(tuán)隊綜合運(yùn)用比較轉(zhuǎn)錄組、分子生物學(xué)、時間生物學(xué)、化學(xué)生態(tài)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。

生物鐘，通俗來講就是位于生物體內(nèi)的一種“無形的鐘”，是指生物體內(nèi)調(diào)控生物節(jié)律性的時間結(jié)構(gòu)。王四寶介紹，在研究過程中，研究人員首先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)，然而在干擾抑制基因per或tim的表達(dá)后，雄蚊婚飛和交配率會顯著下降，這就表明內(nèi)源生物鐘能夠抑制按蚊的婚飛和交配行為。

那么為什么按蚊的的婚飛時間不在早上或中午，而偏偏選在了黃昏時分呢?對此，王四寶研究團(tuán)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。不僅如此，研究還進(jìn)一步發(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(jìn)行婚飛和交配的分子機(jī)制。

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。據(jù)悉，性信息素是由昆蟲分泌的能引誘同種異性個體進(jìn)行交尾的微量化學(xué)物質(zhì)，昆蟲兩性間的交流和配偶選擇主要依靠性信息素通訊。在王四寶研究團(tuán)隊的研究過程中，基因表達(dá)譜分析發(fā)現(xiàn)一個參與昆蟲表皮碳?xì)浠衔?CHC)合成的基因desat1在婚飛雄蚊中的表達(dá)顯著上調(diào)，研究成員在干擾抑制desat1的表達(dá)后，發(fā)現(xiàn)其同樣影響按蚊的婚飛和交配行為。

據(jù)王四寶介紹，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，這表明二十七烷是按蚊的性信息素活性成分。此外，據(jù)團(tuán)隊進(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，這就表明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)，來動態(tài)控制按蚊性信息素的合成量，從而促進(jìn)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—岡比亞按蚊的婚飛和交配行為，王四寶研究團(tuán)隊與美國約翰·霍普金斯大學(xué)Marcelo Jacobs-Lorena教授、美國國立衛(wèi)生研究院的 Joel Vega-Rodriguez團(tuán)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(xué)研究所Diabate Abdoulaye研究團(tuán)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。

“該成果的發(fā)表，將對于認(rèn)識蚊蟲的生物學(xué)以及人類今后發(fā)展出如何控制蚊蟲，從而達(dá)到控制蚊蟲傳播疾病的目的具有重要意義。”中國昆蟲學(xué)會理事長康樂院士對該科研成果所帶來的意義予以高度認(rèn)可。

該研究極大地促進(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，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(xué)農(nóng)藥的依賴、實現(xiàn)減藥控蚊提供了新途徑。(王春)