蚊蟲(chóng)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。按蚊是瘧疾的傳播媒介，因此也被稱為瘧蚊。瘧蚊肆虐每年造成全球2-3億新發(fā)瘧疾病例，導(dǎo)致約50萬(wàn)人死亡，嚴(yán)重威脅著人類健康、公共衛(wèi)生和國(guó)家安全。由于疫苗的缺乏，防治媒介蚊蟲(chóng)是控制和消除蚊媒傳染病的有效手段。然而，蚊蟲(chóng)防治長(zhǎng)期依賴化學(xué)殺蟲(chóng)劑，泛濫使用化學(xué)農(nóng)藥導(dǎo)致蚊蟲(chóng)抗藥性和環(huán)境污染等問(wèn)題日益突出。因此，人們迫切需要研發(fā)新的替代工具來(lái)安全有效地控制蚊蟲(chóng)種群數(shù)量。近年來(lái)，蚊蟲(chóng)遺傳防治技術(shù)的研究發(fā)展迅速，為蚊蟲(chóng)的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(jī)理尚不清楚，嚴(yán)重制約了蚊蟲(chóng)遺傳防治的應(yīng)用。

　　蚊蟲(chóng)在集群飛行中完成求偶交配。夏季黃昏時(shí)，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(guò)釋放雄蚊的遺傳防治技術(shù)提供了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。早在1634年就有蚊蟲(chóng)婚飛的觀察記載，但按蚊婚飛和求偶交配的分子機(jī)制至今尚未闡明。

　　2021年1月22日，中國(guó)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(duì)在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)表論文“Clock genes and environmental cues coordinate Anopheles pheromone synthesis, swarming and mating”，研究揭示了按蚊集群婚飛的分子機(jī)制和雌雄求偶的化學(xué)通訊奧秘。

　　王四寶研究團(tuán)隊(duì)綜合運(yùn)用比較轉(zhuǎn)錄組、分子生物學(xué)、時(shí)間生物學(xué)、化學(xué)生態(tài)學(xué)、代謝組學(xué)、行為學(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。首先，通過(guò)對(duì)野外采集的婚飛與非婚飛雄性按蚊頭部基因表達(dá)轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)生物鐘核心基因period (per)和timeless (tim) 在婚飛雄蚊的頭部表達(dá)顯著上調(diào)。降低per或tim的表達(dá)會(huì)顯著抑制雄蚊的婚飛，進(jìn)而降低交配率，表明內(nèi)源生物鐘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(shí)分進(jìn)行婚飛，那時(shí)戶外光線昏暗、溫度適宜，那么光照和溫度這兩個(gè)重要的環(huán)境信號(hào)是否參與調(diào)控了按蚊的婚飛和交配行為呢？為此，王四寶研究團(tuán)隊(duì)分別測(cè)定了光照和不同溫度對(duì)按蚊交配活動(dòng)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，傍晚時(shí)持續(xù)光照和不適宜的環(huán)境溫度都會(huì)影響按蚊的婚飛和交配活動(dòng)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，光照和溫度對(duì)按蚊婚飛和交配的影響是通過(guò)調(diào)控生物鐘基因per和tim的表達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，從而揭示了內(nèi)源生物鐘通過(guò)整合外源光照和溫度信號(hào)來(lái)協(xié)同調(diào)控按蚊在夏季黃昏時(shí)進(jìn)行婚飛和交配的分子機(jī)制。

　　雄性按蚊在婚飛過(guò)程中只有成功求偶后，才能與雌蚊進(jìn)行交配。性信息素是昆蟲(chóng)兩性間交流和偶配選擇的主要通訊信號(hào)，然而按蚊的性信息素至今尚未報(bào)道?；虮磉_(dá)譜分析還發(fā)現(xiàn)一個(gè)參與昆蟲(chóng)表皮碳?xì)浠衔?Cuticular hydrocarbon, CHC)合成的去飽和酶desaturase 1編碼基因desat1在婚飛雄蚊中的表達(dá)顯著上調(diào)。RNAi干擾抑制desat1的表達(dá)同樣影響按蚊婚飛和交配行為。CHC是許多昆蟲(chóng)的性信息素成分，推測(cè)desat1可能參與了按蚊性信息素的合成。為了鑒定對(duì)按蚊求偶交配起調(diào)控作用的CHC成分，王四寶團(tuán)隊(duì)利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(GC-MS)比較了敲低desat1表達(dá)后的雄蚊CHC的組分變化，發(fā)現(xiàn)二十三烷和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(duì)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(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，表明desat1是受光信號(hào)調(diào)控的鐘控基因。這些結(jié)果表明，外界光信號(hào)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(lái)動(dòng)態(tài)控制按蚊性信息素的合成量，從而促進(jìn)婚飛時(shí)雄蚊的求偶和交配。

　　為了驗(yàn)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，王四寶研究團(tuán)隊(duì)與美國(guó)約翰·霍普金斯大學(xué)Marcelo Jacobs-Lorena教授團(tuán)隊(duì)、美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院的 Joel Vega-Rodriguez團(tuán)隊(duì)合作，證實(shí)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(guó)家的桑特科學(xué)研究所Diabate Abdoulaye研究團(tuán)隊(duì)在布基納法索的博博迪烏拉索地區(qū)開(kāi)展了戶外測(cè)試研究，證實(shí)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。

　　該項(xiàng)研究系統(tǒng)深入地揭示了按蚊婚飛交配受內(nèi)源生物鐘基因與外源光和溫度信號(hào)互作協(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。該研究極大地促進(jìn)了人們對(duì)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(chóng)綠色防控技術(shù)提供了新思路和新方法，例如通過(guò)操縱蚊蟲(chóng)婚飛來(lái)干擾交配或集中誘殺，利用性信息素增強(qiáng)雄蚊對(duì)野外雌蚊的性吸引力和交配競(jìng)爭(zhēng)力，為蚊蟲(chóng)遺傳防治策略的高效實(shí)施奠定了理論基礎(chǔ)，為減藥控蚊提供新途徑。

　　王四寶研究組的博士研究生王官棟是論文的第一作者，美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院(NIH)過(guò)敏和傳染病研究所的 Joel Vega-Rodriguez助理教授、布基法納索桑特科學(xué)研究所Diabate Abdoulaye研究員和上?？萍即髮W(xué)的劉競(jìng)男副研究員為論文并列第一作者，王四寶研究員為并列和首要通訊作者(Lead Contact)，Marcelo Jacobs-Lorena教授為共同通訊作者。王四寶研究組博士生崔春來(lái)、董玲、研究助理李芳參與了該項(xiàng)研究工作。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院、科技部和NIH等項(xiàng)目的資助。

　　王四寶研究團(tuán)隊(duì)主要致力于蚊蟲(chóng)媒介分子生物學(xué)與生物互作機(jī)制的研究，近年來(lái)該團(tuán)隊(duì)取得了諸多研究進(jìn)展，相關(guān)研究成果相繼發(fā)表在Science (2017)、PNAS (2015, 2017)、Nature Communications (2019)、Science Advances (2020)、Science (2021)等國(guó)際學(xué)術(shù)期刊上，并受邀在Trends in Parasitology (2020)、Annual Review of Entomology (2017)、Trends in Biotechnology (2013)等期刊上發(fā)表研究綜述。

　　論文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/371/6527/411

　　專家點(diǎn)評(píng)：

      Science同期刊發(fā)由美國(guó)農(nóng)業(yè)部高級(jí)專家Nicholas C. Manoukis教授撰寫(xiě)的評(píng)述(Perspectives)，對(duì)該研究給予了高度評(píng)價(jià)。

      Nicholas C. Manoukis介紹說(shuō)，害蟲(chóng)遺傳防治（genetic pest control,GPS）如釋放不育雄蟲(chóng)到環(huán)境中與野生雌蟲(chóng)交配是縮減野外種群、阻斷蟲(chóng)媒傳染病的一種可行手段，但迄今為止利用GPS對(duì)蚊蟲(chóng)數(shù)量的控制效果卻一直差強(qiáng)人意。究其原因是對(duì)野外蚊蟲(chóng)交配行為的復(fù)雜性缺乏足夠的了解，使得人們培育的不育雄蚊在野外不具有交配競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，難以和野生雌蚊求偶交配，這極大地制約了蚊蟲(chóng)不育技術(shù)在蚊媒疾病防控中的應(yīng)用。對(duì)此，Manoukis博士指出，解析按蚊集群婚飛和交配行為中的復(fù)雜機(jī)理可能是解決以上難題的關(guān)鍵。

      Nicholas C. Manoukis評(píng)價(jià)到“不同于以往的研究，王四寶團(tuán)隊(duì)研究工作的關(guān)鍵是將環(huán)境變量（溫度和光照）整合到實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)而來(lái)確定自然環(huán)境中基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制，從而對(duì)蚊蟲(chóng)婚飛交配行為產(chǎn)生了重要深刻的洞見(jiàn)，例如發(fā)現(xiàn)光周期（每天的關(guān)照和黑暗持續(xù)時(shí)間）影響蚊蟲(chóng)體內(nèi)生物鐘基因和合成性信息素基因desat1。而之前的研究往往傾向于專注一種類型的因素（環(huán)境、遺傳或分子），但很明顯這些單獨(dú)的因素并不能獨(dú)立運(yùn)作?！贝送?，他指出多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)合作開(kāi)展的野外實(shí)驗(yàn)是本研究的另一亮點(diǎn)，“野外實(shí)驗(yàn)不僅極大提高了我們對(duì)蚊蟲(chóng)交配這一現(xiàn)象的整體理解，還為將實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用到新的媒介控制項(xiàng)目中提供了重要的研究模式?！盡anoukis教授高度評(píng)價(jià)此研究成果不僅對(duì)日新月異的蚊蟲(chóng)交配研究領(lǐng)域做出了極為重要的貢獻(xiàn)，指引將化學(xué)和環(huán)境信號(hào)與蚊蟲(chóng)行為關(guān)聯(lián)開(kāi)展蚊蟲(chóng)交配研究的新視角；還為未來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)大量更適應(yīng)環(huán)境，更具交配競(jìng)爭(zhēng)力的雄蚊，高效實(shí)施蚊蟲(chóng)遺傳控制提供了更廣闊的應(yīng)用前景。

      中國(guó)昆蟲(chóng)學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)康樂(lè)院士通過(guò)視頻給予該成果高度評(píng)價(jià)，他首先祝賀這一具有重大影響的成果發(fā)表在Science上，認(rèn)為這是一項(xiàng)非常有創(chuàng)新性的研究，把婚飛的生物節(jié)律和雌雄之間的信息聯(lián)系進(jìn)行了綜合性地研究，這一具有國(guó)際影響力的成果不僅極大地促進(jìn)了人們對(duì)蚊蟲(chóng)婚飛行為、雌雄間聯(lián)系的認(rèn)識(shí)，對(duì)昆蟲(chóng)行為學(xué)研究具有重要影響，而且對(duì)公共衛(wèi)生以及蚊媒疾病防治都具有重要意義，為人類今后研發(fā)新的阻斷技術(shù)、控制蚊蟲(chóng)傳播疾病提供了許多的啟發(fā)，能夠?yàn)槿祟惖慕】凳聵I(yè)作出貢獻(xiàn)。

　　圖1. 按蚊在黃昏時(shí)婚飛和交配 (攝影：Abdoulaye Diabate)

　　圖2. 按蚊交配 (左：雄蚊，右：雌蚊)

　　圖3. 雌蚊嗜血

　　圖4. 按蚊婚飛和求偶的奧秘。

　　揭示了按蚊內(nèi)源生物鐘整合外源光和環(huán)境溫度信號(hào)協(xié)同調(diào)控雄蚊在黃昏時(shí)進(jìn)行婚飛的機(jī)制，受光調(diào)控的鐘控基因desat1參與合成的二十七烷作為信息素促進(jìn)兩性求偶和交配。