Fruit flies’ courtship song may hold key to controlling mosquitoes

In a new study, University of Iowa researchers found a gene that orchestrates the antenna movements of female fruit flies, which is central for them to detect the unique sound produced by prospective male mates. That gene, the Iowa researchers say, is present in mosquitoes and can be silenced, which in theory would lessen the chances of mating, and thus limit mosquitoes’ population growth.

Mosquitoes are well-known vectors for a host of diseases that affect human health. In the United States, those diseases include West Nile virus, Eastern equine encephalitis, and Zika. Female mosquitoes spread those diseases among animals and humans when biting them, extracting blood contaminated with a disease germ that then can be transmitted to others in subsequent bites.

“Mosquitoes actually have a very similar mechanism to fruit flies of a type of active tuning, which could have implications for deterring the spread of so many diseases,” says Daniel Eberl, professor in the Department of Biology at Iowa and the study’s corresponding author. “So, understanding how fruit flies and mosquitoes not only mate but also how they hear could have important considerations for human health.”

The researchers used tiny microphones to pick up sound when a species of male fruit fly flaps its wings. It’s those vibrations, or pulses, in the air from the beating of the wings that are picked by the antennae of the female fruit flies, signaling that a male mate is present. You can think of a female fruit fly’s antenna as a sensory organ, which “hears” the vibrations similarly to the human ear.

What is interesting is that not every courtship song is the same.

“I think a key point for us is that the songs that they sing are a little bit different in closely related species,” Eberl says. “The spacing between the pulses is distinct for each species. And that’s why it’s important, because they want to mate with a mate from their own species. So, the song helps them give that recognition of same species.”

Biologists have known female flies tune their antennae to a frequency similar to the range of sound emanating from a male of a similar species. What they didn’t know is how exactly that fine-tuning took place, and specifically where.

Shal gene

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The Iowa researchers examined the hearing in Drosophila melanogaster, a well-known and long-studied species of fruit fly. In particular, they studied the fly’s Johnston’s organ, located in the antenna, and the place where sound is detected. Within the Johnston’s organ, they found and studied a pathway called a potassium ion channel, which energizes neurons involved in the fly’s hearing. Investigating further, they learned that a gene, called Shal, is the gatekeeper of sorts for the ion channel, dictating when outside sounds or movements are converted to electrical signals that are then passed along between neurons. That cascade of events, managed by the Shal gene, seemed essential for the fly to hear.

The researchers then canceled the Shal gene to confirm its role in a female fly’s antenna tuning, and thus, its hearing.

“Without the Shal gene, it loses that ability to tune,” says Eli Gregory, an undergraduate human physiology major from Cedar Rapids who carried out the gene-canceling experiments. “The female loses its ability to tune that antenna to that frequency. And so, you get this lower response in mating from that female.”

Mosquitoes employ a similar method in their courtship rituals.

That means “we could conceivably knock out that gene or that potassium channel and prevent mosquitoes from being able to mate as effectively as they do, which could mean fewer mosquitoes; therefore, fewer problems for human health,” Eberl says.

• The study, “The voltage-gated potassium channel Shal (Kv4) contributes to active hearing in Drosophila,” was published online Dec. 17 in eNeuro, an open access journal of the Society for Neuroscience.

• Study co-authors include Mei-ling Joiner, assistant research scientist and adjunct assistant professor in the Department of Biology at Iowa; and YiFeng Xu, Tai-Ting Lee, Azusa Kamikouchi, and Matthew Su from Nagoya University in Japan.

• The U.S. National Science Foundation, University of Iowa Office for Undergraduate Research, JSPS Invitational Fellowships for Research in Japan, Nagoya University, and the Japan Science and Technology Agency FOREST program funded the research.

• The article Fruit flies’ courtship song may hold key to controlling mosquitoes written by Richard C. Lewis was published in Iowa’s news section.

Versión en español

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La melodía de cortejo de las moscas de la fruta podría ser la clave para controlar a los mosquitos

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El modo en que se aparean las moscas de la fruta puede ser la clave para limitar la propagación de enfermedades cuyos vectores son los mosquitos hembra.

En un nuevo estudio, investigadores de la Universidad de Iowa encontraron un gen que orquesta los movimientos de las antenas de las hembras de las moscas de la fruta, lo cual es fundamental para que detecten el sonido único producido por las posibles parejas masculinas. Ese gen, dicen los investigadores de Iowa, está presente en los mosquitos y puede ser silenciado, lo que en teoría disminuiría las posibilidades de apareamiento y, por lo tanto, limitaría el crecimiento de la población de mosquitos.

Los mosquitos son vectores bien conocidos para una serie de enfermedades que afectan la salud humana. En los Estados Unidos, esas enfermedades incluyen el virus del Nilo Occidental, la encefalitis equina oriental y el Zika. Las mosquitos hembras propagan esas enfermedades entre animales y humanos al picarles, extrayendo la sangre contaminada con un germen de enfermedad que luego puede transmitirse en las picaduras posteriores.

“En realidad, los mosquitos tienen un mecanismo muy similar al de las moscas de la fruta: un tipo de sintonización activa, lo que podría tener implicaciones para disuadir la propagación de tantas enfermedades”, dice Daniel Eberl, profesor del Departamento de Biología de Iowa y autor correspondiente del estudio. “Por lo tanto, comprender cómo las moscas de la fruta y los mosquitos no sólo se aparean sino también cómo escuchan podría tener consideraciones importantes para la salud humana”.

Los investigadores utilizaron micrófonos pequeños para captar el sonido cuando una especie de mosca de la fruta macho bate sus alas. Son esas vibraciones, o pulsos, en el aire por el movimiento de las alas las que son recogidas por las antenas de las moscas de la fruta femenina, lo que indica que un compañero masculino está presente. Puede pensarse en la antena de una mosca de fruta femenina como un órgano sensorial, que “escucha” las vibraciones de manera similar al oído humano.

Lo interesante es que no todas las canciones de cortejo son iguales

“Creo que un punto clave para nosotros es que las melodías que entonan son un poco diferentes en especies estrechamente relacionadas”, dijo Eberl. “El espacio entre los pulsos es distinto para cada especie. Y por eso es importante, porque quieren aparearse con una pareja de su propia especie. Entonces, la melodía les ayuda a reconocer la misma especie”.

Los biólogos saben que las moscas de la fruta hembras ajustan sus antenas a una frecuencia similar a la gama de sonidos que emite un macho de una especie similar. Lo que no saben es cómo se produce exactamente ese ajuste y, concretamente, dónde.

Órgano de Johnston y el gene Shal

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Los investigadores de Iowa examinaron el órgano de la audición en Drosophila Melanogaster, una especie de mosca de la fruta bien conocida y estudiada. En particular, estudiaron el órgano de Johnston de la mosca, ubicado en la antena, y el lugar donde se detecta el sonido. Dentro del órgano de Johnston, encontraron y estudiaron una vía llamada canal de iones de potasio, que energiza las neuronas involucradas en la audición de la mosca. Investigando aún más, se enteraron de que un gen, llamado Shal, es el guardián del canal iónico, dictando cuándo los sonidos o movimientos externos se convierten en señales eléctricas que luego se pasan entre las neuronas. Esa cascada de eventos, administrada por el gen Shal, parecía esencial para que la mosca escuchara.

Entonces, los investigadores cancelaron el gen Shal para confirmar su papel en el ajuste de la antena de una mosca de la fruta femenina y, por lo tanto, su audición.

“Sin el gen Shal, pierde esa capacidad de sintonía”, dijo Eli Gregory, estudiante de fisiología humana de Cedar Rapids que llevó a cabo los experimentos de cancelación de genes. “La hembra pierde la capacidad de sintonizar esa antena en esa frecuencia. Y así, se obtiene esta respuesta más baja en el apareamiento de esa hembra”.

Los mosquitos emplean un método similar en sus rituales de cortejo.

Eso significa que “podríamos bloquear ese gen o ese canal de potasio y evitar que los mosquitos puedan aparearse tan efectivamente como lo hacen, lo que podría significar menos mosquitos; por lo tanto, menos problemas para la salud humana”, según Eberl.

• El estudio, “The voltage-gated potassium channel Shal (Kv4) contributes to active hearing in Drosophila”, fue publicado en línea el 17 de diciembre en eNeuro, una revista de acceso abierto de la Society for Neuroscience.

• Los coautores del estudio incluyen a Mei-ling Joiner, científica investigadora asistente y profesora adjunta del Departamento de Biología de Iowa; YiFeng Xu, Tai-Ting Lee, Azusa Kamikouchi y Matthew Su de la Universidad de Nagoya en Japón.

• La U.S. National Science Foundation, la University of Iowa Office for Undergraduate Research, JSPS Invitational Fellowships for Research in Japan, Nagoya University, y la Japan Science and Technology Agency FOREST program financiaron la investigación.

  

• El artículo Fruit flies’ courtship song may hold key to controlling mosquitoes, escrito por Richard C. Lewis fue publicado en la sección de noticias de la Universidad de Iowa