為什么雄蟑螂不能吸引雄蟑螂？為什么雄蟑螂更喜歡性成熟的雌蟑螂？蟑螂近30年來的“戀愛”奧秘被科學(xué)家破譯了。
蟑螂是蜚蠊目昆蟲俗稱，包括有美洲大蠊、德國小蠊等。華南師范大學(xué)李勝教授、西北農(nóng)林科技大學(xué)樊永亮研究員等科研團(tuán)隊(duì)通過深入研究，鑒定出德國小蠊接觸性信息素合成途徑最為關(guān)鍵的限速酶基因，系統(tǒng)揭示了其性吸引力產(chǎn)生的分子機(jī)制——有沒有魅力，性別是根本，激素水平對(duì)于維持性吸引力亦不可或缺。這為干擾德國小蠊求偶交配為目標(biāo)的防治策略提供了新見解。近日，該研究成果在線發(fā)表于《自然-生態(tài)與進(jìn)化》上。
李勝教授科研團(tuán)隊(duì)。受訪者供圖
控制性信息素合成的分子“密碼”被揭開
作為蜚蠊目最常見的世界性家居害蟲，德國小蠊繁殖力驚人、種群增長快與美洲大蠊的兼性孤雌生雌不同，德國小蠊有著嚴(yán)格的兩性生殖，性成熟的雌蟲合成接觸性信息素，刺激雄蟲求偶并誘導(dǎo)兩性交配。盡管德國小蠊性信息素已得到系統(tǒng)鑒定，但控制該合成途徑的關(guān)鍵基因仍不清楚。
為什么僅有雌蟲合成性信息素，而且性成熟的雌蟲具有更強(qiáng)的性吸引力？性信息素合成的性別和年齡特異性受到何種上游信號(hào)途徑的精密調(diào)控？這些饒有興趣的問題，在過去近30年來一直模糊不清。
以往有觀點(diǎn)認(rèn)為，德國小蠊腹部皮膚下的絳色細(xì)胞是接觸性信息素合成的主要場所。李勝教授團(tuán)隊(duì)綜合利用行為學(xué)、生物化學(xué)、分子、遺傳和生信分析手段，篩選并鑒定出德國小蠊接觸性信息素合成途徑關(guān)鍵的限速酶基因CYP4PC1，發(fā)現(xiàn)該基因僅在雌蟲表達(dá)，且表達(dá)量隨性成熟過程持續(xù)上升，從而推翻了該觀點(diǎn)。
“我們利用RNAi敲降該基因，顯著降低雌蟲接觸性信息素含量，雄蟲不再對(duì)這些雌蟲表現(xiàn)出求偶行為。引入對(duì)照組雌蟲后，雄蟲仍表現(xiàn)出正常的求偶行為。”李勝介紹，“這些結(jié)果表明，限速酶基因CYP4PC1對(duì)于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(zhì)的羥化反應(yīng)?！?/p>
成熟的雌蟑螂更有魅力
飼養(yǎng)的蟑螂。受訪者供圖
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(jìn)。為進(jìn)一步證明限速酶基因CYP4PC1控制該限速步驟，團(tuán)隊(duì)隨后檢測該基因是否受保幼激素信號(hào)調(diào)控。
“利用外源保幼激素處理雌蟲，可顯著誘導(dǎo)限速酶基因CYP4PC1表達(dá)；敲低保幼激素信號(hào)元件，則削弱雌蟲性吸引力?！崩顒僬f，“雄蟲補(bǔ)充保幼激素后，小部分可吸引雄蟲求偶。因此，限速酶基因CYP4PC1的表達(dá)受保幼激素信號(hào)途徑促進(jìn)，從而維持雌蟲性成熟后具有較高的性信息素含量，刺激雄蟲求偶交配。”
雄蟲為什么不能合成性信息素呢？
團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，盡管高劑量的外源保幼激素補(bǔ)充尚可誘導(dǎo)雄蟲實(shí)質(zhì)性表達(dá)限速酶基因CYP4PC1，并合成接觸性信息素，但效果十分有限，這提示可能存在更重要的因素抑制限速酶基因CYP4PC1在雄蟲中表達(dá)。
“我們發(fā)現(xiàn)，限速酶基因CYP4PC1在雌蟲中的特異表達(dá)，受到性別分化信號(hào)途徑調(diào)控。在德國小蠊中，雙性基因doublesex在雌雄成蟲中會(huì)分別產(chǎn)生不同的蛋白質(zhì)dsxF和dsxM。雄性特異的產(chǎn)物dsxM蛋白可與限速酶基因CYP4PC1啟動(dòng)子結(jié)合，抑制其轉(zhuǎn)錄。這表明dsxM通過抑制接觸性信息素合成，從而避免雄蟲相互吸引?！闭撐牡谝蛔髡?、華南師范大學(xué)副研究員陳楠說。
雌蟑螂“內(nèi)分泌”水平高
在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)提出性吸引力分子調(diào)控的理論體系。性別分化基因dsxM在雄蟲中扮演“剎車”角色，直接抑制限速酶基因CYP4PC1表達(dá)；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(hào)進(jìn)一步在雌蟲中發(fā)揮“加速器”角色，促進(jìn)限速酶基因CYP4PC1在雌蟲性成熟過程中高表達(dá)，從而介導(dǎo)性別和年齡特異的性吸引力。
“為什么雄蟑螂不能吸引雄蟑螂？因?yàn)樗摹宋痘颉魂P(guān)閉；為什么雄蟑螂更喜歡性成熟的雌蟑螂，因?yàn)樗摹畠?nèi)分泌’水平高?！标愰隽艘粋€(gè)生動(dòng)地比喻。
與已有研究大多聚焦在神經(jīng)系統(tǒng)改變不同，這一研究結(jié)果突出了性吸引力改變在介導(dǎo)性行為中的作用，為理解動(dòng)物同性性行為的發(fā)生機(jī)制提供了新見解。
在同行評(píng)審階段，三位審稿人一致認(rèn)為該工作是昆蟲化學(xué)生態(tài)和生殖生理學(xué)領(lǐng)域重要突破：“論文結(jié)果令人信服地證明了關(guān)鍵基因CYP4PC1的調(diào)節(jié)作用，很可能會(huì)促進(jìn)其它動(dòng)物兩性通訊系統(tǒng)關(guān)鍵調(diào)節(jié)基因的研究。”
