Nature：揭秘蚊子味觉系统，为疾病防控提供新思路
Nature：揭秘蚊子味觉系统，为疾病防控提供新思路
在昆虫的世界里，味觉是生存的指南针，引导着它们进食、产卵和叮咬。对于蚊子这类传播疾病的媒介来说，这些行为不仅关乎个体的生存，更是全球传染病传播的直接或间接推手。亚洲虎蚊，也叫白纹伊蚊（Ae. albopictus），是多种人类疾病的传播者，包括登革热和基孔肯雅热。在过去的几十年里，亚洲虎蚊的领地从东南亚的原产地扩展到了六大洲的许多地区，其侵略性叮咬行为使得它在与其他蚊子物种的竞争中占据优势，预示着未来可能带来更大的威胁。尽管科学家们已经对其他蚊子物种的嗅觉、视觉、湿度和温度感知能力有了深刻的认识，但味觉系统在蚊子最终决定是否进食、叮咬或产卵中的关键作用，仍然是一个未解之谜。我们对于蚊子如何编码它们遇到的复杂味觉信息的细胞或分子机制还缺乏了解，这些信息如何最终驱动或抑制行为也仍然是未知的。
在这个充满未知的领域，科学家们正像侦探一样，试图揭开蚊子味觉系统的秘密。这不仅是对基础科学的探索，更是对人类健康保卫战的贡献。因为理解蚊子如何通过味觉来做出行为决策，可能会为我们提供新的疾病控制策略，比如通过干扰蚊子的味觉受体来阻止它们叮咬，从而有助于控制由蚊子传播的疾病。这是一场与蚊子的智力较量，也是一场关乎人类健康的战斗。
近日，来自美国耶鲁大学的John R. Carlson团队在《Nature》上在线发表题为《Mosquito taste responses to human and floral cues guide biting and feeding》的文章，分析了亚洲虎蚊如何通过其唇瓣神经元编码味觉刺激，并影响其叮咬、进食和产卵行为；发现了三种功能类别的味觉感觉器，不仅能产生兴奋性反应，还能产生预测叮咬行为的抑制性反应；证实了特定苦味化合物能抑制对糖的反应，而人类汗液和花蜜等复杂线索则引发独特的神经反应；识别了促进叮咬行为的关键味觉物质，并发现了潜在的味觉受体靶点；最终揭示了蚊子味觉系统的关键特征，为操纵化学感觉功能和控制蚊子传播疾病提供了新思路和新方法。
本文研究者们首先绘制了亚洲虎蚊头部主要味觉器官——唇瓣的味觉感觉器的图谱，发现了15个味觉感觉器，位于唇瓣的两个叶状结构上。这些感觉器通过其多孔的尖端与外界的味觉刺激物接触，进而触发味觉神经元的反应。研究者根据感觉器的大小，将它们分为大（L）、中（I）和小（S）三种类型，并根据它们在唇瓣上的位置进行了编号。这种高度保守的感觉器排列模式，为研究蚊子如何通过味觉来识别和响应环境线索提供了重要的解剖学基础。
随后，研究人员通过电生理反应技术测试了这15个味觉感觉器对46种不同化合物的反应，这些化合物大多存在于人体皮肤、汗液、花蜜或蚊子产卵场所的水中，代表了不同的味觉模式，包括甜、苦、咸和鲜味。研究结果表明，所有类型的感觉器对多种化合物都有强烈的兴奋性反应，尤其是对某些糖类、氯化钠和铵盐。然而，还观察到抑制反应，且对于苦味化合物和氨基酸的反应则更为复杂，不同的感觉器对这些化合物的反应各不相同。所有表现出抑制性反应的感受器对其他刺激也能表现出兴奋性反应。值得一提的是，在S感受器中观察到最强和最广泛的抑制，超过一半的味觉物质可引起其抑制反应。实验结果证实亚洲虎蚊的唇瓣味觉神经元可以通过两种反应模式（兴奋和抑制）对各种味觉化合物的质量和数量进行编码。通过层次聚类分析和主成分分析，研究人员确定了三种主要的功能类别：由5个L感觉器组成的L类，由6个I感觉器组成的I类，以及由4个S感觉器组成的S类，这些类别的感觉器在对味觉化合物的反应上表现出不同的特征。进一步研究发现大多数苦味刺激对蚊子不同的行为（进食和产卵）有不同的影响，苦味化合物如丹宁酸钠（DEN）、奎宁（QUI）或白藜芦醇（BER）可显著抑制所有15个感觉器对蔗糖的反应，且具有剂量依赖性。苦味化合物的存在减少了雌蚊对蔗糖溶液的进食偏好，由此表明蚊子的味觉系统不仅能感知单一的味道，还能在外周水平上整合多种味道信息，从而影响其对食物的选择。
雌蚊必须通过叮咬并吸食血液来滋养它们的卵子。当一只雌蚊降落在你——一个潜在的血液宿主身上时，味觉可能在引导它们决定是叮咬并吸食还是飞走的过程中发挥作用，但是如何影响的呢？研究人员首先测量了蚊子对人类汗液和/或皮肤中的味觉线索的行为反应。研究发现，虽然盐分是汗液中最丰富的味觉化合物，但单独的盐分或某些氨基酸并不能引起雌蚊的叮咬偏好。然而，当盐分与特定的氨基酸混合时，却能显著增加雌蚊对叮咬的偏好。这表明，这些味觉线索可能协同作用，影响蚊子决定是否叮咬宿主。进一步电生理反应结果发现，当盐与赖氨酸、半胱氨酸或色氨酸混合时，蚊子的S型感觉器会产生强烈的抑制反应，这些混合物能增强蚊子的叮咬偏好。相反，盐与丙氨酸、甘氨酸或丝氨酸的混合物既未引起抑制反应，也没有增强叮咬偏好。此外，S型和部分I型感觉器的抑制反应与叮咬偏好之间也存在相关性，由此表明蚊子的味觉系统可能通过抑制性反应来促进叮咬行为，而这种反应与特定的氨基酸混合物有关。
随后，研究人员研究了亚洲虎蚊对花蜜、人类汗液和产卵地水样的复杂味道混合物的反应。研究发现，不同花卉来源的花蜜样本均能引起蚊子所有15个味觉感觉器的强烈兴奋反应。而来自不同产卵地的水样本则引发了不同于花蜜的反应模式，尽管来源多样，但这些样本在反应上存在共性。人类汗液样本也引起了蚊子味觉感觉器的中等兴奋性反应，尤其是对L型和I型感觉器，而S型感觉器在许多情况下表现出抑制反应。此外，不同的汗液样本引起的反应模式和叮咬偏好也存在差异，其中某些样本能显著促进叮咬行为。这些结果表明，尽管嗅觉、温度感知、湿度感知和视觉在引导蚊子对宿主的吸引中扮演了主要角色，但蚊子的味觉系统能够精细地区分和响应多种复杂的对其生命周期至关重要的化学信号，在蚊子降落之后，味觉提供了一个检查点，影响着叮咬是否会发生
最后，研究人员探讨了亚洲虎蚊唇瓣中味觉受体的分子和遗传基础。通过高通量测序技术，研究人员鉴定了在唇瓣中表达的23个味觉受体（Gr）、30个离子通道受体（Ir）和14个Pickpocket通道（Ppk）基因。研究还发现，与果蝇相比，亚洲虎蚊的Ir41和Ir7基因家族有显著扩增，这可能与其适应性和竞争力有关。此外，研究人员还发现了一些在唇瓣中表达的嗅觉受体基因，这表明唇瓣不仅参与味觉，还可能参与嗅觉。这些发现为未来在分子层面上研究亚洲虎蚊味觉系统提供了坚实的基础，并可能有助于开发控制蚊子传播疾病的方法。
综上所述，本研究详细探究了蚊子的味觉系统，包括它编码味觉刺激物的机制、控制的行为以及其分子基础。研究结果揭示了蚊子的一个复杂的味觉系统，该系统利用了一种原始的化学感觉机制——通过感受器神经元的双重编码——来指导叮咬、进食和产卵行为，为开发新型的蚊虫控制策略提供了潜在的分子途径，有助于减少蚊子传播疾病的威胁。