中国科学院动物研究所
王琛柱研究组在eLife等发表论文揭示蛾类化学通信的分子机制
文章来源:农业虫害鼠害综合治理研究国...     发布时间:2017-10-27

  蛾类昆虫具有十分灵敏的嗅觉,用来识别同种异性释放的性信息素和寄主植物释放的气味物质。近缘种棉铃虫和烟青虫是我国重要的农业害虫,前者取食30余科200多种植物,后者只取食茄科的少数几种植物。二种昆虫均以顺11-十六碳烯醛(Z11-16:Ald)和顺9-十六碳烯醛(Z9-16:Ald)构成二元性信息素,但比例正好相反,分别为97:37:93。王琛柱研究组以这两个近缘种研究系统,综合运用生物信息学、分子生物学、电生理学和行为学等技术与方法,系统地揭示了昆虫上述特点背后的生理、生化和分子生物学基础。 

  为揭示两种昆虫的雌性性信息素比例差异的分子基础,该组博士生李睿婷等通过分析昆虫性信息素腺体的转录组,比较性信息素生物合成通路中相关酶基因的表达模式,发现催化11位脱饱和作用的脱饱和酶基因LPAQ在棉铃虫腺体中的表达量是烟青虫中的70倍, 而另一个催化9位脱饱和作用的脱饱和酶基因NPVE则刚好相反,在烟青虫腺体中的表达量是棉铃虫腺体中的60倍。 在对两种昆虫进行种间杂交的基础上,他们成功地获得了杂交代与烟青虫雌虫的回交后代,接着检测了在单个腺体中相关基因的表达量和两种组分的含量,明确在回交个体中,LPAQ的表达水平与Z11-16:Ald的含量呈正相关,而NPVE的表达水平与Z9-16:Ald的含量呈正相关。综合研究结果表明,两种昆虫性信息素比例的差异是由LPAQ NPVE的表达分歧所决定。该研究成果以“Expressional divergences of two desaturase genes determine the opposite ratios of two sex pheromone components in Helicoverpa armigera and Helicoverpa assulta为题在线发表在昆虫学顶级期刊Insect Biochemistry and Molecular Biology上(论文链接)。 

  那么两种蛾的雄性是如何识别比例相反的性信息素的呢?信息素受体在其中发挥着关键性的作用。前期的研究对调谐Z11-16:Ald的信息素受体基因已鉴定,分别为HassOr13HarmOr13,但调谐Z9-16:Ald的信息素受体一直是个谜。该组博士生杨科等利用爪蛙卵母细胞表达系统和双电极电压钳技术,首次鉴定HassOr14b是调谐烟青虫最主要的性信息素组分Z9-16:Ald的信息素受体基因。通过双色原位杂交实验,明确HassOr14bHassOr6HassOr16共定位于烟青虫触角的C型毛形感器中,但在不同的嗅觉感受神经元表达。作为烟青虫的直系同源基因,棉铃虫的HarmOr14b却调谐顺9-十四碳烯醛(Z9-14:Ald)。为了探明这对直系同源基因功能差异的原因,他们制备了一系列HassOr14b突变体,用HarmOr14局部和单位点的氨基酸序列取代HassOr14b的相应序列,结果发现,位于受体细胞膜内区域的两个氨基酸位点,即F232I T355I,共同决定了这一对信息素受体在配体选择性上的差异。由此认为,这两种近缘种昆虫信息素受体功能的特化可来自于少数几个氨基酸位点的替换,这为近缘种昆虫的演化提供了新的思路。该项研究成果以“Two single-point mutations shift the ligand selectivity of a pheromone receptor between two closely related moth species” 为题,于20171025在线发表在国际著名期刊eLife上(论文链接)。 

  针对棉铃虫幼虫食性广的特点,该研究组还研究了棉铃虫幼虫嗅觉感受的分子机制。博士生底畅等通过对棉铃虫幼虫的主要嗅觉感受器官——触角和下颚的转录组进行测序,共鉴定得到17个嗅觉受体基因,获得了其中11个嗅觉受体的完整的开放阅读框。通过对这11个嗅觉受体进行功能分析,共得到其中7个嗅觉受体的化合物调谐谱。根据幼虫嗅受体的调谐谱和植物气味化合物在不同度下虫幼虫的吸引作用,通过一系列行为学检测发现,四元分混合物MJAP棉铃虫幼虫的吸引力最强,其吸引力甚至高于寄主植物青椒的汁液。进一步的行为学实验证实,顺式茉莉酮和1-戊醇是MJAP中的关键组分。通过荧光原位杂交实验明确,调谐顺式茉莉酮和1-戊醇的气味受体Or41Or52在幼虫触角的同一个神经元中表达。该研究首次根据气味受体基因的表达位置和其最有效配体设计混合物,最终找到了能够强烈吸引棉铃虫幼虫的混合物,为寻找治理棉铃虫新方法提供了新的思路。该研究成果以Designing larval chemical attractants based on odorant response spectra of olfactory receptors in cotton bollworm为题,也发表在近期的Insect Biochemistry and Molecular Biology上(论文链接)。 

  上述研究得到中国科学院战略性先导科技专项(B类)(XDB11010300)、国家自然科学基金委员会重点项目(31130050)、国家重点研发计划(2017YFD0200400)、国家重点基础研究发展规划(973)项目(2013CB127600)等的资助。

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