Clock genes and environmental cues coordinate Anopheles pheromone synthesis, swarming, and mating
Guandong Wang, Joel Vega-Rodríguez, Abdoulaye Diabate, Jingnan Liu, Chunlai Cui, Charles Nignan, Ling Dong, Fang Li, Cheick Oumar Ouedrago, Abdoul Malik Bandaogo, Péguédwindé Simon Sawadogo, Hamidou Maiga, Thiago Luiz Alves e Silva, Tales Vicari Pascini, Sibao Wang, Marcelo Jacobs-Lorena
疟疾媒介按蚊婚飞和求偶的奥秘
中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员王四宝团队一项最新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，为蚊虫遗传防治策略的高效实施奠定了理论基础，为今后减少蚊虫防治对化学农药的依赖、实现减药控蚊提供了新途径。1月22日，研究成果在线发表于《科学》。
每到夏天，蚊子总是令人不堪其扰。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。雌蚊为了产卵及繁殖后代需要血液补充营养维生，而雄蚊则吸食植物的汁液或花蜜为生。蚊子种类繁多，常见的主要有按蚊、伊蚊和库蚊三大类。其中，按蚊，又称疟蚊，主要在夜间活动，是疟疾的传播媒介。据世界卫生组织WHO统计，全球每年有2亿~3亿新发疟疾病例，每年夺走约50万人生命，是地球上最致命的动物，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。
长期以来，蚊虫防治主要依赖化学杀虫剂，而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，从而减少蚊媒传染病。近年来，蚊虫遗传防治技术的研究发展迅速，为蚊虫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。
王四宝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。研究人员通过对野外采集的婚飞与非婚飞雄性按蚊头部基因表达的比较分析，发现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，表明内源生物种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。研究人员发现，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per和tim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求偶成功后，才能与雌蚊进行交配。昆虫两性间的交流和配偶选择主要依靠性信息素通讯。性信息素是由昆虫分泌的能引诱同种异性个体进行交尾的微量化学物质。作为婚飞的压轴戏，雄蚊向雌蚊求爱的化学语言“性信息素”，至今仍是未解之谜。基因表达谱分析还发现一个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（如性信息素），在昆虫求偶识别和通讯交流中发挥重要作用。
为此，研究人员推测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，研究人员利用气相色谱—质谱联用技术分析在抑制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，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per和tim的调控，表明desat1是受光信号调控的生物钟控制基因。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per、tim、desat1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，王四宝团队与美国约翰·霍普金斯大学Marcelo Jacobs-Lorena、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（per、tim）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。
专家表示，该项研究系统深入地揭示了按蚊婚飞交配受内源生物钟、外源光和温度信号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。
Abstract
Anopheles mating is initiated by the swarming of males at dusk followed by females flying into the swarm. Here, we show that mosquito swarming and mating are coordinately guided by clock genes, light, and temperature. Transcriptome analysis shows up-regulation of the clock genes period (per) and timeless (tim) in the head of field-caught swarming Anopheles coluzzii males. Knockdown of per and tim expression affects Anopheles gambiae s.s. and Anopheles stephensi male mating in the laboratory, and it reduces male An. coluzzii swarming and mating under semifield conditions. Light and temperature affect mosquito mating, possibly by modulating per and/or tim expression. Moreover, the desaturase gene desat1 is up-regulated and rhythmically expressed in the heads of swarming males and regulates the production of cuticular hydrocarbons, including heptacosane, which stimulates mating activity.
