揭秘橘小实蝇雌虫交配行为的分子密码：Pbp5 与 Tim 基因的协同调控
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时间：2025年02月25日
来源：BMC Biology 4.4
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为探究昆虫节律性交配行为的调控机制，研究人员以橘小实蝇为对象，发现 Tim 基因影响 Pbp5 表达，调控雌虫交配行为。
在奇妙的昆虫世界里，交配行为是昆虫繁衍后代、维持种群延续的关键环节。然而，昆虫的交配行为并非随心所欲，而是受到多种因素的精密调控。就拿橘小实蝇（Bactrocera dorsalis）来说，这种害虫对水果产业危害极大，它们的交配行为有着独特的时间规律。以往研究发现，雄性橘小实蝇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，吸引雌虫前来交配。但令人疑惑的是，雌虫究竟是如何感知这些性信息素的呢？而且，它们的响应是否只在傍晚出现？这些问题如同神秘的面纱，吸引着科研人员去揭开。
为了深入探究这些奥秘，华南农业大学的研究人员勇挑重担，开展了一系列深入研究。他们的研究成果发表在《BMC Biology》杂志上，为我们理解昆虫的交配行为提供了全新的视角。
在这项研究中，研究人员运用了多种先进的技术方法。首先是转录组测序技术，通过对不同时间点的雌虫头部进行 RNA 测序，筛选出与节律性交配行为相关的基因；其次是 RNA 干扰（RNAi）技术，利用该技术沉默特定基因，以此来研究这些基因对雌虫交配行为和性信息素感知的影响；此外，还运用了蛋白 - 配体对接和荧光结合实验，用于探究蛋白与性信息素的结合能力。
研究结果如下：
雌虫交配行为和对性信息素的吸引力在傍晚达到高峰：研究人员通过监测雌虫全天的交配频率，发现雌虫仅在傍晚交配，尤其是 20:00 最为集中。对性信息素吸引力的检测表明，TMP 和 TTMP 也仅在傍晚对雌虫有强烈吸引力，且此时雌虫触角对其电生理反应（EAG）也最强。这说明雌虫的交配行为和对性信息素的响应在傍晚达到高峰。
筛选出与节律性交配行为相关的基因：通过对雌虫头部进行 RNA - seq 分析，研究人员发现 Timeless 基因（Tim）和信息素结合蛋白基因 Pbp5 在傍晚表达量最高。KEGG 分析显示，差异表达基因（DEGs）显著富集于昼夜节律通路。qPCR 结果进一步验证了 Pbp5 在雌虫触角中 20:00 时表达量高。这表明 Tim 和 Pbp5 可能与雌虫在 20:00 的交配高峰有关。
Pbp5 对 TMP 和 TTMP 具有强大的结合能力：利用 Alphafold 2.0 和 Autodock Vina 进行蛋白结构建模和结合位点预测，发现 Pbp5 与 TMP、TTMP 有多个结合位点。荧光结合实验表明，TMP 和 TTMP 与 Pbp5 的结合亲和力强于对照物质 1 - NPN。突变 Pbp5 的结合位点后，TMP 和 TTMP 几乎无法与之结合。这说明 TMP 和 TTMP 能有效结合 Pbp5，可能调控雌虫的节律性交配行为。
RNAi 介导的 Pbp5 基因敲低影响雌虫交配和对性信息素的 EAG 反应：序列相似性分析和 RNAi 实验表明，Pbp5 在实蝇科中高度保守，主要在雌虫触角表达。敲低 Pbp5 后，雌虫交配数量显著减少，对 TMP、TTMP 及其混合物的 EAG 反应也明显降低。这表明 Pbp5 在雌虫交配和对性信息素的响应中发挥着重要作用。
Tim 影响 Pbp5 的表达：Tim 和 Pbp5 在雌虫触角中的表达模式相似，敲低 Tim 会导致 Pbp5 表达下降，同时雌虫交配频率和对性信息素的 EAG 反应也降低。改变雌虫的昼夜节律后，Tim 和 Pbp5 的表达模式发生反转，交配行为也相应改变。这表明 Tim 能影响 Pbp5 的表达和雌虫的交配行为。
研究结论和讨论部分指出，该研究首次证实了橘小实蝇雌虫触角中的 Pbp5 负责结合 TMP 和 TTMP，且雌虫的节律性交配行为与 Pbp5 的节律性表达有关，而这又受时钟基因 Tim 的影响。这一发现不仅为我们理解橘小实蝇的繁殖行为提供了关键线索，也为昆虫嗅觉感知研究增添了重要内容。不过，研究也存在一些局限性，比如只确定了嗅觉系统中负责性信息素结合的 Pbp，相关的气味受体（Ors）仍未明确，且节律系统与嗅觉系统之间的精确相互作用模式也有待进一步探究。但无论如何，这项研究为后续深入研究昆虫交配行为的调控机制奠定了坚实基础，有望为害虫防治提供新的思路和方法。
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