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以蚊治蚊学术辩论:奚志勇团队《Nature 》发文正面回复质疑者挑战

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背景

2019年7月17日,由奚志勇教授领导的包括中山大学、国际原子能机构(IAEA)、广州威佰昆生物科技有限公司、广州大学和美国密歇根州立大学等组成的国际团队在Nature 发表题为“Incompatible and sterile insect techniques combinedeliminate mosquitoes”的研究论文,该研究详细介绍通过结合昆虫不相容技术(Incompatible Insect Technique,简称IIT)和射线绝育技术(Sterile Insect Technique,简称SIT),即Combined IIT-SIT,在广州控制白纹伊蚊种群历经四年的实地应用试验,证明通过使用该技术可以基本清除靶标区域内的白纹伊蚊种群,从而保护人类免受蚊虫叮咬并阻断蚊媒病毒的传播

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该文章一经发表便在学术界和蚊媒控制领域引起轰动:时至今日,该文章已被同行引用高达160次,被Web of Science一直标记为高引文章(Highly cited paper)和热点文章(Hotpaper),并被国内外新闻媒体广泛报导。

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基于Wolbachia 诱导的胞质不相容(Cytoplasmic Incompatibility,简称CI)现象,昆虫不相容技术(IIT)通过向田间长期大量释放新型Wolbachia转染的雄蚊(雄蚊不产生叮咬)来实现蚊媒种群压制。然而在白纹伊蚊的大规模生产体系中无法对其雌雄进行精确分离,在雄蚊释放过程中会有微量雌蚊逃逸(平均混雌率<0.3%)。这些逃逸的雌蚊如果可以在野外生存繁殖,加之CI现象对其赋予的生殖优势,理论上野外的白纹伊蚊种群可能会逐渐全部携带该新型Wolbachia,即发生“种群替换”,从而造成种群压制失效(释放的雄蚊与这些雌蚊交配之后,雌蚊不再绝育)。

因此,在该研究中作者使用Combined IIT-SIT技术:在释放Wolbachia转染的雄蚊之前,对混有少量雌性的蚊蛹进行45Gy剂量的X射线照射。由于雌性对射线更为敏感,该剂量在不显著影响雄蚊活力的情况下可以使得雌蚊几乎完全绝育,即便其逃逸也不能在野外正常生殖,从而使发生种群替换的风险大幅降低甚至完全杜绝。另外,相比于单纯使用SIT,Combined IIT-SIT还有一项明显的优势:Wolbachia 转染的蚊株具有对蚊媒病原体的高度抗性,即带菌雌蚊的传播病原体能力被大幅降低甚至阻断。

质疑

2021年2月3日,来自意大利国家新技术、能源和可持续经济发展局(ENEA),生物技术和农业工业司(Biotechnology and Agroindustry Division)的Riccardo Moretti和Maurizio Calvitti博士在Nature 发文对奚志勇教授团队的研究提出质疑。他们认为,“作者没有对这一领域的现状进行详尽的描述,他们的结果显示了该策略(Combined IIT-SIT)在实践上的一些不足”。

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质疑一。原文中释放的白纹伊蚊为Wolbachia三重感染蚊株(命名为HC株),HC株与野生蚊株交配产生单向CI(UnidirectionalCI,Uni-CI),即HC雄蚊与野生雌蚊交配可以完全绝育,但野生雄蚊与HC雌蚊交配可以正常生殖并产生Wolbachia三重感染的后代。因此,Moretti等认为诱导Uni-CI的蚊株具有高度的入侵性,即容易发生种群替换。Moretti等提出,对于天然携带Wolbachia的白纹伊蚊来实施基于IIT的种群压制,使用可以诱导双向CI(Bidirectional CI,Bi-CI)的蚊株更合适,因为诱导Bi-CI的蚊株其雌蚊在与野生白纹伊蚊雄蚊交配后也产生绝育效果。此外,Moretti等宣称,根据理论模型,Uni-CI和Bi-CI发生种群替换的不稳定平衡的临界值(criticalvalue of unstable equilibrium)分别为>0%(略高于0%即可发生种群替换)和50%。Moretti进一步引用他们最近在意大利的一个现场研究(发表在奚志勇教授等的Nature文章后)的结果,提出释放诱导Bi-CI的蚊株在种群压制时比诱导Uni-CI的蚊株更具优势,可以降低种群替换发生的风险且可以不必结合SIT。

质疑二。原文作者在进行小规模Combined IIT-SIT试验时,使用28Gy的剂量可以实现对雌蚊的完全绝育。而在大规模田间释放试验时,使用的绝育剂量为45Gy。Moretti等提出,因为40Gy就可以高度绝育(>99%绝育率)白纹伊蚊雄蚊,所以原文中的田间试验即便单纯使用SIT也可以进行种群压制,而完全不需要结合IIT。此外,在该田间试验中仍然可以发现HC雌蚊的后代,意味着HC雌蚊没有被100%绝育而存在种群替换的风险,同时雄蚊的交配竞争能力也因为辐射而下降将近一半。因此,Moretti等质疑IIT技术在此次CombinedIIT-SIT田间试验中的价值可以完全被SIT所取代。

质疑三。原文里的研究结果表明正常的HC株白纹伊蚊雌蚊传播登革热病毒和寨卡病毒的可能性非常小。但是Moretti等质疑当HC蚊株经过45Gy剂量射线照射之后,它们体内的Wolbachia密度可能会发生改变,HC雌蚊的抗病能力可能也随之发生变化。

回应

同一天,奚志勇教授联合广州威佰昆生物科技有限公司和广州大学等来自6个国家、8个研究单位的作者在Nature 正面反驳了上述质疑,说明IIT在蚊媒种群压制实际应用中的优势及其结合SIT的必要性。

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回应一。在单独的IIT策略中,释放诱导Bi-CI的蚊株也不能避免种群替换的发生。原因如下:(1)在雄蚊释放之前,少量混杂的雌蚊与大量性成熟的雄蚊在蚊笼中共存过夜,此时雌蚊会被携带相同菌株的雄蚊交配(因雌蚊一生只交配一次,故野外的雄蚊失去了对其的交配权);(2)在IIT的实际应用过程中,为了快速达到良好的种群压制效果,大量的Wolbachia转染雄蚊会被释放至野外以维持较高的释放比例(Wolbachia转染雄蚊和野生雄蚊的数量比例)。在这种情况下,微量混杂的Wolbachia转染雌蚊即使未在笼内交配,也将大概率与Wolbachia转染雄蚊(而非野生雄蚊)交配,并在野外产生携带该Wolbachia的可育后代;(3)种群压制后期,当野生种群被压制到非常低的水平时,不经意释放的Wolbachia转染雌蚊将占据种群中雌蚊的绝大多数(甚至全部),此时Moretti等宣称的Bi-CI的不稳定平衡临界值已不起任何作用。

另一方面,Combined IIT-SIT可以很好的解决以上所有环节的问题:(1)微量混杂的HC雌蚊被射线辐射导致不育;(2)HC雄蚊也因为射线照射产生>80%的绝育效果,即当辐射过的HC雄蚊与正常HC雌蚊交配时,它们只能产生20%数量的后代。考虑到HC雌蚊与辐射过的HC雄蚊交配的可能性更大,二者交配导致的HC雌蚊不育为避免种群替换提供了第二道保护。

奚志勇教授等人回复中指出,Moretti 夸大了Bi-CI在预防种群替换中的作用,所引用的小规模现场试验(因缺乏射线处理,其释放量受限于生产工艺中需要人工检查和去除混杂的雌蚊)缺乏现场监测雌蚊的数据,并且其压制效果太低(该压制效果很难达到蚊媒病控制的目的)使其远未到Wolbachia侵入的临界值。另外来自Uni-CI现场的真实数据表明其不稳定平衡的临界值在20-30%,远高于Moretti引用的理论模型数据0%。

回应二。在Combined IIT-SIT的实践应用中,射线绝育剂量随实验条件的变化而变,故不能象Moretti那样将不同的实验结果直接比较。影响射线剂量的因素非常多,比如环境温度、剂量率、辐射规模、容器形状、蚊子的生命周期阶段、年龄、遗传背景和生长条件等。2019年7月发表的《Nature》文章中表明,虽然在小规模(<100只蚊蛹放置于平皿上)辐射试验中28Gy的剂量确实可以完全绝育HC雌蚊,但在大规模(约130,000只蚊蛹放置于一个辐射杯内)应用时,产生了蚊蛹密度制约的辐射绝育问题:大量蚊蛹快速消耗水中的溶氧,而缺氧的环境产生强烈的辐射保护作用。此时需要更高的剂量才能绝育雌蛹。在比较了多个剂量之后,综合考虑绝育效果和对雄蚊交配竞争力的影响,作者最终选择45Gy作为常规使用的辐射剂量(如下表所示)。持续六年的野外监测没有发现种群替换的证据表明该剂量辐射对HC雌蚊绝育的有效。由于雄蚊需要更高剂量的辐射才能绝育,45Gy剂量辐射的HC雄蚊(SIT)的绝育效果仅为84.6% (远低于国际原子能机构和世界卫生组织指南对SIT绝育必须超过99%的要求),而HC雄蚊(不论经过辐射与否)与野生雌蚊交配时(IIT)的绝育效果为100%。因此,在原文试验中,SIT不能替代IIT的绝育效果。

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回应三。辐射并没有改变Wolbachia的在身体组织及卵巢中的密度(如下图1a),也没有对HC雌蚊的抗登革病毒能力产生显著影响(如下图1b)。相反的,由于雌蚊对辐射敏感,辐射过的雌蚊的寿命更短(如下图1c),同时其吸血率和活力都可能下降,这都将进一步降低HC作为媒介传播病原体的能力。

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奚志勇教授等人最后的回复总结,在目前缺乏有100%效率的雌雄分离技术前提下,Combined IIT-SIT 解决了以下四大挑战:(1)防止种群替换的发生;(2)通过降低辐射的射线剂量保护了雄蚊的竞争力;(3)通过Wolbachia诱导的抑制病毒效果降低混杂雌蚊的传病能力;(4)通过去除了人工去雌从而提高了大规模生产雄蚊的能力。

参考消息:

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1407-9

https://www.nature.com/articles/s41586-020-03164-w

https://www.nature.com/articles/s41586-020-03165-9

编者按:本文转载自微信公众号:iNature(ID:Plant_ihuman)


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