小蠊的「婚姻」:基因之命 激素之言(轉載)

張德禮教授清北雙博後 發佈 2022-07-05T07:12:55.017508+00:00

小蠊的「婚姻」:基因之命 激素之言(轉載)作者:李晨 朱漢斌 來源:中國科學報 發布時間:2022/7/4 23:46:19https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2022/7/482095.

小蠊的「婚姻」:基因之命 激素之言(轉載)

作者:李晨 朱漢斌 來源:中國科學報 發布時間:2022/7/4 23:46:19

https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2022/7/482095.shtm






小蠊的「婚姻」:基因之命 激素之言



「關關雎鳩,在河之洲。窈窕淑女,君子好逑。」《詩經》描寫了人類愛戀的複雜行為,而昆蟲界的戀愛和婚姻就簡單多了。

7月4日,《自然—生態與進化》在線發表了華南師範大學和西北農林科技大學等單位合作研究成果,鑑定出控制德國小蠊接觸性信息素合成途徑最為關鍵的基因,系統揭示了其性吸引力產生的分子機制——有沒有魅力,性別是根本,激素水平對於維持性吸引力亦不可或缺。

該研究成果為理解動物性信號的產生和複雜調控提供了新的見解。西班牙皇家自然科學院院士Xavier Bellés在論文評審中說:「很顯然,這項工作已經超越了蟑螂或昆蟲的範疇,並暗示了動物的兩性如何產生的一般性問題。」

李勝團隊 受訪者供圖

一觸鍾情:小蠊的戀愛技能

「兩性吸引作為動物性選擇的驅動力,既包括性信號的產生和釋放,也需要異性個體對性信號的有效識別和接收。性別分化和激素對動物性信號的產生至關重要,涉及自上而下複雜的基因調控網絡。」論文責任通訊作者、華南師範大學教授李勝告訴《中國科學報》。

在高等動物,例如人類中,戀愛、求偶等行為涉及到複雜的信號系統,包括視覺、聽覺、觸覺,甚至心理和社會因素。

為了化繁為簡,科學家選擇了僅依賴化學信號觸發求偶行為的昆蟲作為研究對象。

論文共同第一作者、華南師範大學副研究員陳楠告訴《中國科學報》,德國小蠊(Blattella germanica)是蜚蠊目最常見的世界性家居害蟲,性行為特徵典型,性信息素組分明確,是研究兩性化學通訊機制的良好模式系統。

論文共同通訊作者、西北農林科技大學研究員樊永亮在接受《中國科學報》採訪時說,德國小蠊攜帶40多種病原微生物,如大腸桿菌等,產生多種導致人類過敏的蛋白物質,是重要的家庭衛生害蟲。由於它抗藥性強、繁殖力高,所以非常難以控制。

「許多昆蟲依靠揮發性信息素長距離搜尋配偶,利用接觸性信息素進行近距離求偶識別。用性信息素設計的性誘劑是高效、綠色的生物防治手段,具有很好的應用前景。」樊永亮說。

此前,德國小蠊性信息素已得到系統鑑定,但控制它生物合成途徑的關鍵基因仍不清楚。此外,為什麼僅有雌蟲合成性信息素,而且性成熟的雌蟲具有更強的性吸引力?性信息素合成受到何種上游信號途徑的精密調控?這些問題在過去一直沒有清晰的答案。

早在30年前,科學家就開始「操心」德國小蠊的「婚戀「問題。

研究發現,令雄蟲為之瘋狂的是雌蟲體表多達29個碳原子的長鏈脂類混合物,其與人們熟知的揮發性信息素截然不同。

「這些低揮發的性信息素必須通過雌雄物理接觸方能被接收,雄蟲利用觸角施展『擊劍術』來識別雌蟲性信息素,進而刺激雄蟲求偶並誘導兩性交配行為。雄蟲旋轉身體180度並舉起翅膀是最典型的求偶特徵。」陳楠說,這就像是一觸鍾情。

1992年,美國Nevada大學Blomquist實驗室利用同位素示蹤技術在生化水平上證明了性成熟雌蟲體表含量最多的為一種甲基酮,其由一種甲基烷通過C2位上發生的羥化和氧化反應生成。這一羥化反應是雌蟲特異性步驟,雄蟲中沒有這一步驟。

「該步驟自1992年以來被認為由一個雌蟲特異表達的P450基因來負責,但此前仍未得到鑑定。」李勝說。

2018年,德國小蠊的高質量基因組圖譜公開發表;2019年,樊永亮團隊又進行了多個發育階段的德國小蠊轉錄組測序。「測序技術的不斷進步和成本降低,組學方法的深入應用,才讓我們有機會在30年後驗證了這一P450基因——CYP4PC1的功能和當年假設的正確性。」陳楠說。

控制性信息素合成的分子「密碼」

「在尋找這一基因的過程中,我們遭遇了一些曲折。」陳楠說。

原來,此前觀點認為,德國小蠊腹部皮膚下的絳色細胞是接觸性信息素合成的主要場所。這讓他們一開始在皮膚組織中尋找可能高表達的控制接觸性信息素合成的基因。

通過轉錄組大規模篩選,他們在80多個P450基因家族中找到了CYP4PC1基因。

下一步的驗證卻讓他們有了驚人的發現——該基因在雌蟲觸角和翅中高表達,成熟期含量可達一日齡時的幾百倍。「所以,雌蟲觸角和翅才是接觸性信息素合成的主要場所。這一結論推翻了此前的觀點。」陳楠說。

德國小蠊雌蟲接觸性信息素體表分布示意圖,顏色越深處含量越高。受訪者供圖

進一步研究發現,CYP4PC1基因在德國小蠊接觸性信息素合成途徑中發揮決定性作用。同時,該基因的表達和接觸性信息素的含量受性別分化基因和保幼激素信號協同誘導。

李勝解釋說,性別分化基因起到調控性別特徵的發育和維持作用。而保幼激素作為昆蟲兩大內源激素之一,既抑制昆蟲在幼年階段變態發育,又作為促性腺激素促進成蟲生殖。雌蟲羽化後保幼激素濃度和信號隨性成熟過程上升。

陳楠介紹,他們讓CYP4PC1基因低表達,就能導致雌蟲接觸性信息素含量顯著降低,雄蟲不再對這些雌蟲表現出求偶行為。引入對照組雌蟲後,雄蟲仍表現出正常的求偶行為。

「這些結果表明,CYP4PC1對於雌蟲接觸性信息素合成和性吸引力的維持是必須的,其極可能參與接觸性信息素前體物質的羥化反應。」李勝說。

已有研究顯示,接觸性信息素合成途徑中的羥化步驟受保幼激素促進。為進一步證明CYP4PC1控制該決定性的羥化步驟,該團隊隨後檢測該基因是否受保幼激素信號調控。

他們用外源保幼激素處理雌蟲,可顯著誘導CYP4PC1基因表達;如果保幼激素信號基因被抑制,則雌蟲性吸引力會大大削弱。

因此,CYP4PC1基因的表達受保幼激素觸發的信號途徑促進,從而維持雌蟲性成熟後具有較高的性信息素含量,刺激雄蟲求偶交配。

雄蟲對雄蟲「滅燈」

實際上,雄蟲同樣具備高含量的接觸性信息素前體化合物。那麼,雄蟲為什麼不能像雌蟲那樣合成性信息素?

為了尋找答案,他們開展了進一步研究。

競爭求偶行為學分析。受訪者供圖

他們發現,給自身相對缺乏保幼激素的雄成蟲補充高劑量的外源保幼激素後,小部分雄蟲可吸引雄蟲求偶。

「這說明保幼激素可誘導雄蟲實質性表達CYP4PC1基因,併合成接觸性信息素,但效果還十分有限。」陳楠說,這提示他們,可能存在更重要的因素抑制CYP4PC1基因在雄蟲中表達。

結果發現,CYP4PC1基因在雌蟲中的特異表達受到了上游的性別分化信號途徑調控。在德國小蠊中,雙性基因doublesex在雌雄成蟲中會分別產生不同的蛋白質dsxF和dsxM。其中,雄性特異產物dsxM蛋白(屬於DMRT家族轉錄因子)可與CYP4PC1基因啟動子結合,從而抑制其轉錄。

當他們在雄成蟲中抑制雙性基因表達時,可導致德國小蠊典型的同性戀行為。為了進一步驗證,他們又讓這些雄蟲的CYP4PC1基因低表達,於是同性戀行為消失。

這表明在雄成蟲中,dsxM蛋白抑制CYP4PC1基因表達,而且雄蟲相對缺乏保幼激素,二者共同遏制接觸性信息素在雄蟲中合成,從而避免野生雄性小蠊間相互吸引。

在此基礎上,團隊提出性吸引力分子調控的理論體系:性別分化基因dsxM在雄蟲中扮演「剎車」角色,直接抑制CYP4PC1表達;而雌蟲中的雙性基因生成dsxF蛋白,可移除剎車作用,保幼激素信號進一步在雌蟲中發揮「加速器」角色,促進CYP4PC1在雌蟲性成熟過程中高表達,從而介導性別和年齡特異的性吸引力。

德國小蠊幾種求偶模式。a,異性求偶;b,雄-雄求偶(保幼激素處理);c,雄蟲群體性相互求偶(敲低dsx基因);d,雄-雄求偶(敲低dsx基因)。受訪者供圖

「至此,我們證明了通過操縱上游調控因子,野生型雄蟲更喜歡向CYP4PC1表達量和接觸性信息素含量較高的蟑螂求偶,而且這一偏好與後者性別無關,處理組雄蟲甚至比性成熟雌蟲更具魅力。」李勝說,過去,人們對是否存在核心基因能有效整合上游調控信號、調節性信號輸出和終端行為反應不清楚。

而他們的研究第一次找到一個核心基因CYP4PC1,它整合了性別分化基因的調控信號和內源激素的調控通路,從而決定昆蟲的性吸引力。「性別是根本,激素水平對於性吸引力的維持亦不可或缺。」樊永亮說。

陳楠生動地比喻道:「為什麼雄蟑螂不能吸引雄蟑螂?因為他的『女人味基因』被關閉;為什麼雄蟑螂更喜歡性成熟的雌蟑螂,因為她的『內分泌』水平高。」

在同行評審階段,三位審稿人一致認為該工作是昆蟲化學生態和生殖生理學領域重要突破:「作者在非遺傳模式的昆蟲中精確剖析了性別分化和促性腺激素信號在調控性信息合成中的作用,為理解信息素合成途徑的演化研究提供了概念性框架。」「論文結果令人信服地證明了關鍵基因CYP4PC1的調節作用,很可能會促進其它動物兩性通訊系統關鍵調節基因的研究。」

與已有研究大多聚焦在神經系統改變不同,論文結果還突出了性吸引力改變在介導性行為中的作用,這為更好地理解動物同性性行為的發生機制提供新見解。

相關論文信息:https://doi.org/10.1038/s41559-022-01808-w

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