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为了灭蚊,他们连无人机都出动了

时间: 2020年07月01日 | 作者: 闫雪珊 | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
近期的两项研究表明,从基因层面侵入蚊子种群,让其只产雄蚊,最终导致种群崩溃;配上无人机的协助,有望使蚊子大面积地灭绝!


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一只埃及伊蚊。图片来源:DYLAN BECKSHOLT,Science


夏天有冷饮和西瓜,也有不胜其烦的蚊子。如何有效地杀灭蚊子,也成了大家所关心的事情。


撰文丨闫雪珊

编辑丨杨心舟


科学家长期以来一直在寻找能消灭蚊子的方法,比如今年5月,来自伦敦帝国理工学院的Andrea Crisanti研究团队设计了基于基因驱动的灭蚊技术,该技术可以使疟蚊种群仅产生雄性后代,造成种群崩溃瓦解。与此同时,另一批科学家开发出了新型自动释放无人机用于释放改造的蚊子。这两者能否“强强联合”,彻底消灭令人头疼的蚊子呢?



蚊媒疾病的祸首


根据世界卫生组织(WHO)的资料,以蚊子为媒介传播的疾病每年造成的死亡人数超过100万。这些疾病和病毒包括:疟疾、淋巴丝虫病、登革热、黄热病和寨卡病毒等。在一些发展落后的热带地区,每年仍有数十万人饱受疟疾之苦。科研工作者们为了根除这种祸害了人类几千年的疾病,一方面坚持不懈地研制抗疟药物,另一方面也将目标瞄准了传播疟疾的媒介——蚊子。

 

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蚊媒疾病主要区域地图。每年约有一百万人死于蚊媒疾病,32亿人处于疟疾危险之中。蓝色:疟疾、黄色:西尼罗河病毒、红色:黄热病、灰色:登革热、绿色:多种疾病交汇的热点地区。(图片来源:rentokil.com)


在基因工程技术发展之初,科学家就一直在利用其进行灭蚊尝试。起初,科学家只是针对蚊子的个别基因进行改造,希望改造后的蚊子获得新特征(如:减少疟原虫、后代高致死率、后代不育等)并占据种群主导地位便于传播这些特征。


但释放大量经过改造的蚊子,又会引发新的问题:因为雌蚊会吸血并且传播疾病,为了防止放出的改造蚊子叮咬人类,科学家释放被改造的雄蚊才是最优的策略。如何只放出被改造的雄蚊呢?



高端灭蚊方法


在大多数物种中,雄性(XY型)的个体产生相同数量的X和Y配子,两种配子与来自雌性(XX型)的X配子结合产生后代,因此导致雄性和雌性后代的数量大致相等,有利于种群延续并维持稳定。


然而,在某些物种中,一小部分个体产生性别比例高度不平衡的后代。雄性个体不平等地传递两种配子,从而导致后代性别比例失衡。早期研究发现,X和Y配子的不均等大多是由在细胞减数分裂时的性染色体驱动(Sex chromosome drive)引起的。在此过程中起作用的基因通常与一个性染色体相关联,并能够阻止或干扰带有另一个性染色体的配子的产生,这些“自私的”基因便被称为性染色体驱动因子(Sex chromosome drivers)或减数分裂驱动因子(Meiotic drivers)。


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来自父亲与母亲的性染色体如何控制后代性别:正常情况下,来自父亲的X、Y染色体经过减数分裂平均分配到2种(4个)配子中,再与来自母方含有X染色体的配子结合形成XY(雄性)或XX(雌性)(图源:researchgate.net)


性染色体驱动又可以分为X染色体驱动与Y染色体驱动。X染色体驱动能阻止带有Y染色体的配子产生,导致后代中雌性远多于雄性。尽管X染色体驱动更为常见,但Y染色体驱动对于蚊媒控制更有吸引力,因为它们可以逐渐减少雌性的数量。


对于发生有性生殖的种群,性染色体驱动不仅可能使得种群中后代性别比例失衡,引发种群灭绝,还可能导致某些性状被一代代传递并扩大化。基于天然存在的性染色体驱动,结合时下流行的基因编辑CRISPR/Cas9技术,一种控制害虫的新手段——基因驱动(Gene Drive)诞生了。


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 传统突变与运用基因驱动系统突变的传播示意图(引自Akbari等)


通过基因驱动技术,“我们可以改变进化的轨迹,也可以导致物种灭绝”,来自伦敦帝国理工学院的生物学家 Andrea Crisanti说。Crisanti和他的团队一直致力于利用基因编辑技术对疟疾的传播载体——冈比亚按蚊进行性别改造以减少该物种并消灭疟疾,也参与了很多前文提到的“蚊子改造”的研究。


早在2014年,Crisanti和他的团队就开发出了用于控制疟蚊的性别比例扭转系统,初步实现了对于蚊子种群性别比例的调控。在该研究中,团队利用一种切割DNA的酶I-PpoI的切割特异性,构建了一个能够扭转蚊子性别比例的系统,该系统能够选择性地切割位于雄蚊X染色体上的基因序列,导致父系X染色体被切碎,无法传播给下一代。如此一来,在来自雄蚊的配子中,只有含有Y染色体的配子是可育的,所以后代中的雌性(XX型)将会大大减少。


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性别比例扭转系统的主要策略(引自Galizi等)


在今年5月发表在《自然-生物技术》杂志上的最新研究成果中,Crisanti研究团队在上一策略的基础上,设计出了性别扭转系统的升级版——具有雄性偏好的性别扭转基因驱动(sex-distorter gene drive, 简称SDGD)系统。该系统除了I-PpoI酶外,还增加了与其相连的“基因剪刀”CRISPR/Cas9系统,其能将SDGD系统被插入到常染色体上的保守基因序列中。因此,SDGD系统能随着繁殖被传递到后代中。


相比于此前的研究,该系统的厉害之处在于:SDGD系统能够使亲本产生的配子全部都携带该系统,从而连续传递“雄性配子的X染色体被切割”这一性状,使种群后代的性别比例迅速偏向雄性。经过改造的蚊子一代代繁衍,可以使种群产生95%以上的雄性后代。


在针对实验室种群的实验中,SDGD系统使得种群的性别比例逐渐偏向雄性,根据计算机模型预测,这些蚊子在10~14代左右就将会产生仅有雄性的种群。这最终会导致蚊子种群崩溃——个体大规模死亡,种群数量迅速下降。


尽管最新开发的基因驱动系统有望成为强大的灭蚊工具,但尚未做好在广阔地区大规模释放的准备,如何省时省力地将这些基因改造过的蚊子广泛地释放到野生环境中去呢?



无人机助力灭蚊


6月15日,来自欧洲多国的科学家联合巴西Moscamed项目在《科学-机器人》杂志上发表了他们开发的一种用于释放基因改造后的成年不育雄性伊蚊的全自动释放系统,该系统依托无人飞行器(Uncrewed aerial vehicle, UAV),即我们通常所说的无人机执行释放功能。


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无人机全自动释放系统结构。(A)释放装置的右前视图(技术设计图)。(B)释放装置的半截面构造(技术设计图)。(C)装载了50000只被标记蚊子的“蚊子集装箱”,用于安放在全自动释放系统内。(D)完全组装后,安装在DJI M600型无人机的空中蚊子释放系统。(引自Bouyer等)


为了不使释放的蚊子受到伤害,科学家们设计了一款包括压实、冷却和输送功能的装置,以允许每架无人机能堆叠足够数量的蚊子,并控制释放流速防止对蚊子造成伤害。释放系统还包括摄像头和多种传感器,以控制和监视设备及蚊子状态。研究团队甚至还开发了一个基于Android的应用程序,以控制蚊子释放无人机的自主运行,这确实使得释放的规划和开展高效了不少。


研究人员在巴西的野外测试了无人机技术。测试结果显示,相比于从地面释放的、大多都集中在一处的蚊子,利用无人机在高空释放的蚊子能更多地分散到试验空间的各个区域,而这些改造过的“不育”雄蚊扩散得越远,意味着越多的蚊子种群走向灭绝。更引人注目的是,通过设置特定参数,无人机每公顷可以释放约5000只蚊子,只需大约12分钟便可让蚊子覆盖20公顷,而这一速度还可以提升,相比之下的人力释放速度恐怕是望尘莫及了。


也许在不久的将来,制造蚊子性别比例失调系统的Andrea Crisanti团队会与发明无人机自动释放系统的研究人员展开合作,齐心合力将疟疾及其他蚊媒疾病扼杀在传播的路上。