Insect Sci | 华南农业大学:生物钟基因调控东方果实蝇的性信息素产生和雄性交配能力
- 2026-04-02 14:46:50
交配是选择最佳配偶和产生后代的最关键和最基本的过程，也是有性生殖昆虫繁衍的必要条件。不同昆虫的交配活动发生在一天中的特定时间，呈现出昼夜节律。例如，按蚊在黄昏时分聚集交配；瓜实蝇和特氏实蝇也在黄昏时分交配，而新肩实蝇则在中午交配。果蝇在12/12小时光照/黑暗循环下也表现出昼夜节律的交配活动。这种交配活动的节律性是由时钟基因调控的。 per 和 tim 基因敲除会影响冈比亚按蚊、斯氏按蚊和黑腹果蝇的交配）。对 per 基因的 RNA 干扰会影响斜纹夜蛾通过性信息素进行的通讯，最终影响交配。
要点：
东方果实蝇（Bactrocera dorsalis）的交配活动具有昼夜节律，并且依赖于雄性直肠产生的性信息素。作者利用转录组测序和CRISPR/CRISPR相关核酸酶9技术，研究了果蝇交配活动的昼夜节律以及直肠性信息素的产生是否受生物钟基因调控。
结果表明，雄性果蝇性信息素的产生具有节律性（白天低，夜间高），并且受到生物钟基因的影响。
敲除时钟基因cryptochrome 1(cry1) 和timeless (tim) 会降低性信息素的产生，并显著损害雄性的交配能力。此外，来自5种不同组织的定量聚合酶链式反应结果显示，cry1在头部高表达，而tim在头部和直肠（雄性性信息素产生的关键部位）均高表达。
转录组分析证实，cry1（头部）和tim（头部和直肠）的表达节律与性信息素的节律性一致。
这些结果表明，cry1可能与中枢时钟神经元（如视交叉上核）相关，而tim在直肠中的节律性表达则表明可能存在外周振荡器。该研究揭示了东方果实蝇防治的新靶点和新思路。
鉴定可能调控性信息素产生的基因
大多数调控特定行为节律的生物钟位于大脑中，加之东方果蝇（B. dorsalis）的交配发生在固定周期且与性信息素密不可分，假设性信息素（TMP 和 TTMP）的产生可能受大脑中表达的生物钟基因调控。为了鉴定调控性信息素产生的基因，对雄性头部样本进行了RNA测序，样本采集时间点为24小时周期内每隔4小时（0:00 [24:00]、4:00、8:00、12:00、16:00和20:00）。与20:00的表达相比，在24:00、04:00、08:00、12:00和16:00的头部样本中分别鉴定出113、331、476、376和403个差异表达基因（DEGs）（图2A）。在20:00至次日08:00之间观察到的差异表达基因数量最多，包括155个上调基因和321个下调基因（图2D）。这表明，雄性头部采样时间差越大，鉴定出的差异表达基因（DEGs）就越多。此外，许多差异表达基因在24小时周期内呈现出节律性表达模式（图2B）。这暗示了东方果蝇（B. dorsalis）的性信息素产生可能与昼夜节律相关。为了验证这一假设，我们对昼夜节律系统中的差异表达基因进行了京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路富集分析。结果显示，在20:00至8:00之间，头部差异表达基因在昼夜节律通路中显著富集（图2C）。
图1. 直肠性芽孢杆菌信息素合成示意图。TMP，三甲基吡嗪；TTMP，四甲基吡嗪。
图2. 鉴定可能调控性信息素产生的基因。
筛选调控性信息素产生的时钟基因
在昼夜节律通路中，cry1 和 tim 在头部的表达随时间呈节律性变化（图 3A、B）。值得注意的是，cry1 和 tim 的表达水平在夜间高于白天（图 3A、B）。qPCR 分析也证实，cry1 和 tim 在头部全天均呈现节律性表达，这与 RNA-seq 结果一致，显示夜间表达高于白天。为了进一步了解 cry1 和 tim 在其他组织中的表达特征，我们检测了雄性 B. dorsalis 的 5 种不同组织（头部、胸部、腹部[不含肠道]、肠道[不含直肠]和直肠）中 cry1 和 tim 的表达。结果证实，cry1在头部表达量显著高于其他4个组织，且在其他4个组织间的表达量无显著差异（图3C）。tim在直肠、肠道（不含直肠）和头部的表达量显著高于胸部和腹部（不含肠道）（图3D）。此外，直肠是东方果蝇雄性产生性信息素的重要组织。因此，对雄性直肠进行了24小时周期内每隔4小时的RNA测序分析。结果表明，tim在直肠中的表达也随时间呈现周期性变化（图3E）。
图3. 鉴定可能调控性信息素产生的时钟基因。
cry1 和 tim 可调控雄性东方果蝇（B. dorsalis）的性信息素产生
为了验证 cry1 和 tim 的功能，我们利用 CRISPR/Cas9 技术构建了纯合突变株。通过 CRISPR/Cas9 技术，我们成功构建了 cry1 和 tim 的敲除株，分别插入 10 bp 和缺失 23 bp（图 4A、B）。随后，我们进行了生物测定，以检测 cry1 和 tim 敲除果蝇与对照组果蝇在性信息素水平和交配能力方面的差异。结果显示，对照组果蝇的 TMP 和 TTMP 节律周期分别为 23.82 小时和 23.20 小时，表明对照组果蝇的性信息素水平在一天中呈节律性变化（图 4C、D 和 S3，表 S2）。这与cry1和tim基因的表达水平（白天低，夜间高）一致，并且TMP和TTMP的水平在夜间交配高峰期（20:00）也较高。此外，cry1和tim基因敲除降低了TMP和TTMP的产生，cry1和tim突变体果蝇产生的TMP和TTMP水平显著低于对照组，即使在对照组性信息素水平最高的时候（20:00）也是如此（图4C、D和S3）。携带cry1和tim突变的雄性果蝇在与雌性果蝇交配时也无法与对照组竞争（图4E、F）。
图4. 时钟基因在调控性信息素产生中的功能验证。
Li X, Ye L, Jiang Y, Cheng D, Lu Y. Clock genes regulate sex pheromone production and male mating ability in Bactrocera dorsalis. Insect Sci. 2026 Feb;33(1):33-43. doi: 10.1111/1744-7917.13490.
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