为什么雄蟑螂不能吸引雄蟑螂?为什么雄蟑螂更偏爱成熟的雌蟑螂?30年来持续困扰科学家的蟑螂恋爱奥秘,期,被我国科学家成功破译了。

华南师范大学教授李胜、西北农林科技大学研究员樊永亮等科研人员通过深入研究,鉴定出德国小蠊接触信息素合成途径最为关键的限速酶基因,系统揭示了其吸引力产生的分子机制。简单说来,就是:有没有魅力,别是根本;激素水对于维持吸引力也不可或缺。该发现,为以干扰德国小蠊求偶交配为手段的蟑螂防治策略提供了新的方法。日,该研究成果在线发表于《自然·生态与进化》上。

揭开信息素合成的“密码”

作为蜚蠊目最常见的世界家居害虫,德国小蠊的繁殖力惊人,种群增长十分迅速。与美洲大蠊的兼孤雌生殖不同,德国小蠊有着严格的两生殖——成熟的雌虫合成接触信息素,刺激雄虫求偶并诱导两交配。尽管德国小蠊信息素已得到系统鉴定,但控制该合成途径的关键基因仍不清楚。

为什么仅有雌虫合成信息素,而且成熟的雌虫具有更强的吸引力?信息素合成的别和年龄特异受到何种上游信号途径的精密调控?这些饶有兴趣的问题,在过去的30年里一直模糊不清。

以往,有观点认为,德国小蠊腹部皮肤下的绛色细胞是接触信息素合成的主要场所。李胜教授团队综合利用行为学、生物化学、分子、遗传和生物信息分析手段,筛选并鉴定出德国小蠊接触信息素合成途径关键的限速酶基因CYP4PC1。团队发现,该基因仅在雌虫表达,且表达量随成熟过程持续上升,从而推翻了该观点。

“我们通过敲降该基因,显著地降低了雌虫接触信息素含量,雄虫对这些雌虫不再表现出求偶行为。而引入对照组的普通雌虫后,雄虫对这些普通雌虫仍表现出正常的求偶行为。”李胜表示,“这些结果表明,限速酶基因CYP4PC1对于雌虫接触信息素合成和吸引力的维持是必须的。该基因有很大的可能参与接触信息素前体物质的羟化反应。”

成熟的雌蟑螂更有魅力

已有研究显示,接触信息素合成途径中的羟化步骤受保幼激素促进。为进一步证明限速酶基因CYP4PC1控制该步骤,团队随后检测了该基因是否受保幼激素信号调控。

“利用外源保幼激素处理雌虫,可显著诱导限速酶基因CYP4PC1表达。而敲低保幼激素信号元件,则削弱雌虫吸引力。”李胜说,“雄虫补充保幼激素后,小部分可吸引雄虫求偶。因此,限速酶基因CYP4PC1的表达受保幼激素信号途径促进,从而维持雌虫成熟后具有较高的信息素含量,刺激雄虫求偶交配。”

为什么雄虫不能合成信息素呢?

团队研究发现,尽管高剂量的外源保幼激素补充尚可诱导雄虫实质表达限速酶基因CYP4PC1,并合成接触信息素,但其效果十分有限。这表明,可能存在更重要的抑制限速酶基因CYP4PC1在雄虫中表达的因素。

“我们发现,限速酶基因CYP4PC1在雌虫中的特异表达,受到别分化信号途径调控。在德国小蠊中,双基因doublesex在雌雄成虫中会分别产生不同的蛋白质dsxF和dsxM。雄特异的产物dsxM蛋白可与限速酶基因CYP4PC1启动子结合,抑制其转录。这表明dsxM通过抑制接触信息素合成,从而避免雄虫相互吸引。”论文的第一作者、华南师范大学副研究员陈楠说。

雌蟑螂“内分泌”水

在此基础上,团队提出了吸引力分子调控的理论体系。别分化基因dsxM在雄虫中扮演“刹车”角色,直接抑制限速酶基因CYP4PC1表达;而雌虫中的双基因生成dsxF蛋白,可移除“刹车”作用,保幼激素信号进一步在雌虫中发挥“加速器”角色,促进限速酶基因CYP4PC1在雌虫成熟过程中高表达,从而介导别和年龄特异的吸引力。

“为什么雄蟑螂不能吸引雄蟑螂?因为它的‘女人味基因’被关闭;为什么雄蟑螂更喜欢成熟的雌蟑螂,因为它的‘内分泌’水高。”陈楠生动地比喻道。

与已有的研究大多聚焦在神经系统改变不同,该研究结果突出了吸引力改变在介导行为中的作用,为理解动物同行为的发生机制提供了新的见解。

在同行评审阶段,三位审稿人一致认为,该研究是昆虫化学生态和生殖生理学领域的重要突破:“论文结果令人信服地证明了关键基因CYP4PC1的调节作用,很可能会促进其它动物两通讯系统关键调节基因的研究。”(本报记者 叶 青 通讯员 杨柳青)

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