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上海海洋大学与美国密歇根州立大学合作研究——
揭示雄性七鳃鳗吸引异性的秘密
2019年08月13日  作者:陶婷婷   编辑:chunchun   审核:刘纯  版面:B2

  日前,PLOS BIOLOGY以封面文章的形式在线发表了上海海洋大学水产与生命学院科研团队与美国密歇根州立大学李伟明教授团队的合作研究论文。精胺作为一种高效的雄性性外激素能够特异性地吸引性成熟雌性海七鳃鳗交配产卵,并能够特异性激活其嗅觉受体TAAR348,而精胺受体拮抗剂大环多胺能够特异性地抑制精胺诱发的嗅觉及行为反应。这一发现揭示了一种新的策略,即雄性动物通过释放精液中的化学信号来招募配偶。

  精胺是一种广泛存在于所有真核细胞中的多胺类物质,早在1678年,荷兰科学家安东尼·列文虎克就从人的精液中发现了精胺结晶。已有研究表明,体内受精动物的精液中含有制欲化合物,能够抑制其他雄性对已交配雌性动物的求偶行为。另有研究发现,精液中的化合物分子能够抑制雌性的交配行为,使雌性在未交配的情况下开始产卵。雄性动物能够利用精液中的化合物抑制已交配雌性与其他雄性再次交配,以获得生殖优势。这些证据提示,精液中很可能含有信息素调控动物的生殖行为。海七鳃鳗,一种现存的最原始的脊椎动物,上世纪20年代作为生物入侵种进入美国五大湖区。每当交配季节,性成熟的雄性海七鳃鳗群集于溪流砾石堆,此时雄性七鳃鳗会分泌精液至水体中。每尾雄性七鳃鳗会构筑交配巢穴并从鳃部分泌一种特异性的雄性性外激素3kPZS(3-keto-petromyzonol sulfate)诱导雌性七鳃鳗洄游至产卵场。在交配时,雄性七鳃鳗会守护自己的巢穴,而雌性七鳃鳗会在众多巢穴之间游弋,最终选择与某一尾雄性七鳃鳗交配产卵。在这个阶段,单独的雄性性外激素3kPZS不足以吸引雌性滞留在交配巢穴,但行为学观察发现雌性与雄性七鳃鳗会长时间滞留在产卵场。这提示还有其他的因素有助于雌雄七鳃鳗交配聚集的行为。考虑到雄性七鳃鳗大约在一周时间内持续分泌精液,研究人员猜测雄性七鳃鳗可能通过精液中的某些分子特异性地吸引性成熟雌性七鳃鳗在产卵场交配产卵。

  本研究中,上海海洋大学与密歇根州立大学的科研团队首先发现,在雄性海七鳃鳗精液中含有高浓度的精胺,通过嗅觉电生理实验证实了精胺在极低的浓度下就能够引发雌性海七鳃鳗(10-14M)和雄性海七鳃鳗(10-13M)的嗅觉反应,并呈现剂量依赖性特征。行为学实验也进一步证实在极低浓度下,精胺能够特异性地吸引性成熟雌性七鳃鳗,而未性成熟雌性七鳃鳗和雄性七鳃鳗对精胺刺激未表现出相应的行为学偏好,表明精胺所诱发的行为反应呈现性别及性成熟度的特异性。为了找到精胺的嗅觉受体,研究人员利用HEK293T异源表达系统经过12,000次的高通量测试筛查了海七鳃鳗嗅觉受体库(26个TAAR受体,22个OR受体,3个V1R受体——目前已知脊椎动物最小的嗅觉受体库),找出合适的化合物和受体对。通过化合物——受体筛选实验发现精胺能够特异性地激活TAAR348受体,同时原位杂交实验也显示TAAR348基因分散表达于嗅觉上皮的神经元中,证实了海七鳃鳗嗅觉受体TAAR348是精胺的特异性受体。随后研究团队进一步筛查了22种精胺类似物,发现大环多胺能够特异性地抑制精胺诱导的TAAR348活性。嗅觉电生理实验也证实大环多胺处理能够显著性地降低精胺诱导的嗅觉反应,但性外激素3kPZS、亚精胺(精胺前体物质)不能诱导嗅觉反应。同时发现,去除大环多胺处理后精胺诱导的嗅觉反应恢复至正常水平。行为学实验也证实大环多胺使精胺诱导的行为反应失效,这些证据表明大环多胺是一种特异性的精胺拮抗剂,其能够在细胞、生理和行为水平上特异性地抑制精胺的作用。为了证实精胺通过嗅觉受体TAAR348发挥相应的生理行为功能,研究人员还从22中精胺类似物中发现了另一种TAAR348激动剂——1-萘基乙酰精胺。该化合物与精胺一样能够在细胞、生理和行为水平上发挥相同的作用,进一步证实了精胺通过嗅觉受体TAAR348发挥其相应的生理行为功能。

  本研究揭示了海七鳃鳗精液中的精胺作为一种雄性性外激素特异性地促进海七鳃鳗的交配行为,其很可能是通过嗅觉受体TAAR348发挥相应的功能。行为学实验发现,精液能够特异性地吸引不同性成熟阶段的雌性和雄性海七鳃鳗。已有研究发现,性成熟前的海七鳃鳗在洄游途中能够追踪性成熟雄性七鳃鳗气味信息,这提示精液中可能含有其他信息素,能够引诱雌性和雄性海七鳃鳗至产卵场。本研究的通讯作者之一李伟明教授认为,该研究结果可能激发研究人员对精液功能的兴趣,因为它是多种化学信号的丰富来源,这为了解许多动物类群中精液的其他功能奠定了理论依据。该项研究未来可应用于美国五大湖地区海七鳃鳗种群的控制与渔业资源的保护,同时也为其他动物入侵物种的防治提供了可供借鉴的方法,有利于环境保护。

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