昆虫生物钟基因调控交配行为的奥秘：B. dorsalis 的研究启示

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【字体：大中小】 时间：2025年02月25日 来源：BMC Biology 4.4

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　　为探究昆虫生物钟基因对性信息素感知及交配行为的调控机制，研究人员以橘小实蝇（B. dorsalis）为对象开展研究，发现 Tim 基因影响 Pbp5 表达进而调控雌虫交配行为，为理解昆虫生殖行为提供重要依据。

　　在昆虫的世界里，交配行为是它们繁衍后代、延续种群的关键环节。想象一下，在静谧的夜晚，雄性昆虫会释放出独特的 “爱情信号”—— 性信息素，吸引着雌性昆虫前来赴约。然而，科学家们发现，昆虫的交配行为并非毫无规律，而是有着神秘的时间节律。就像被设定了生物钟一样，它们会在特定的时间进行交配，可这背后的机制却一直是个谜。

以往的研究虽然揭示了雄性橘小实蝇（Bactrocera dorsalis，简称 B. dorsalis）会在傍晚释放由直肠芽孢杆菌产生的吡嗪化合物（如三甲基吡嗪（TMP）和四甲基吡嗪（TTMP））作为性信息素吸引雌性，但雌性究竟是如何感知这些信号的，以及它们的响应是否受时间限制，仍然是未解之谜。

为了揭开这层面纱，研究人员展开了深入的探索。他们通过一系列实验，试图找出隐藏在昆虫交配行为背后的分子机制。这一研究成果对于理解昆虫的生殖策略、进化适应以及生态相互作用至关重要，同时也为害虫防治和物种保护提供了新的思路。该研究成果发表在相关学术期刊上，引起了广泛关注。

在研究过程中，研究人员主要运用了转录组测序、RNA 干扰（RNAi）、蛋白质 - 配体对接模拟以及行为学和电生理学检测等技术。转录组测序帮助他们筛选与节律性交配行为相关的基因；RNAi 技术用于探究特定基因的功能；蛋白质 - 配体对接模拟预测蛋白质与配体的相互作用；而行为学和电生理学检测则直观地反映了昆虫的交配行为和对性信息素的反应。

1. 雌虫交配行为和对性信息素的吸引力在傍晚达到高峰

研究人员对雌虫的交配频率进行了全天监测，发现雌虫仅在傍晚进行交配，尤其是 20:00 左右。他们推测这可能与雌虫对 TMP 和 TTMP 的敏感性差异有关。于是，研究人员在不同时间点测试了 TMP 和 TTMP 对雌虫的吸引力，结果显示二者仅在傍晚对雌虫有强烈吸引作用，且雌虫触角在傍晚对 TMP 和 TTMP 的电生理反应（EAG）也更强。这表明雌虫的交配行为和对性信息素的反应在傍晚达到高峰。

2. 筛选与节律性交配行为相关的基因

为了进一步挖掘调控雌虫节律性交配的基因，研究人员对雌虫头部进行了 RNA 测序分析。KEGG 分析发现，在 8:00 - 20:00 筛选出的大多数差异表达基因（DEGs）显著富集于昼夜节律通路，其中 Timeless（Tim）基因在 20:00 时在雌虫头部高表达。同时，分析嗅觉基因的表达模式发现，信息素结合蛋白 5（Pbp5）在 20:00 时表达最高，8:00 时最低。qPCR 结果也证实了 Pbp5 在雌虫触角中的表达在 20:00 时较高。这表明雌虫在 20:00 的高峰交配行为可能与 Tim 和 Pbp5 的高表达有关。

3. Pbp5 对 TMP 和 TTMP 具有强大的结合能力

研究人员通过 Alphafold 2.0 进行 Pbp5 的同源建模，并用 Autodock Vina 预测其与配体的相互作用位点。结果显示，Pbp5 与 TMP 和 TTMP 有特定的结合位点。配体结合实验表明，1 - 萘基 - N - 苯基胺（1 - NPN）与重组 Pbp5 蛋白有较强相互作用，TMP 和 TTMP 对 Pbp5 的亲和力比 1 - NPN 更强。而当 Pbp5 与 TMP 和 TTMP 的结合位点突变后，TMP 和 TTMP 对突变后的 Pbp5 蛋白几乎没有亲和力。这说明 TMP 和 TTMP 能有效结合 Pbp5，可能调节雌虫的节律性交配行为。

4. RNAi 介导的 Pbp5 基因敲低导致雌虫交配能力受损和对 TMP、TTMP 的 EAG 反应降低

通过序列相似性分析和 RNAi 技术，研究人员探究 Pbp5 的功能。系统发育分析表明 Pbp5 在实蝇科中高度保守。基因表达分析显示 Pbp5 在雌虫触角中表达最高，而 Obp99a 在雌虫无触角头部表达最高。RNAi 实验发现，敲低 Pbp5 显著减少了雌虫的交配数量，降低了对 TMP、TTMP 及其混合物的 EAG 反应，而敲低 Obp99a 对交配无影响。这表明 Pbp5 在雌虫交配和对性信息素的反应中起重要作用。

5. Tim 影响 Pbp5 的表达

鉴于 Tim 和 Pbp5 都呈节律性表达，研究人员推测 Tim 可能影响 Pbp5 的表达。实验发现，Tim 在雌虫触角中表达最高，与 Pbp5 类似。敲低 Tim 导致 Pbp5 表达下降，雌虫交配频率和对性信息素的 EAG 反应也显著降低。当改变雌虫的昼夜节律后，Tim 和 Pbp5 的表达模式完全反转，交配行为和对性信息素的 EAG 反应也随之改变。这表明 Tim 可以影响 Pbp5 的表达和雌虫的交配行为。

研究证实了气味结合蛋白 Pbp5 负责结合 TMP 和 TTMP，雌虫的节律性交配行为与 Pbp5 的节律性表达有关，而时钟基因 Tim 能够影响 Pbp5 的表达，进而调控雌虫对性信息素的敏感性和昼夜交配行为。这一研究为深入理解昆虫的节律性交配行为提供了重要依据，也为后续研究昆虫嗅觉识别机制和开发新型害虫防治策略奠定了基础。不过，研究仍存在一些局限，如相关气味受体（Ors）尚未明确，节律系统与嗅觉系统的精确相互作用模式也有待进一步探究。未来的研究可以朝着这些方向深入，有望揭示更多昆虫生殖行为的奥秘。

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