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        王琛柱團隊發現蛾子的產卵器能嗅到植物氣味

          在自然界中,嗅覺對于大多數動物的生存至關重要。昆蟲作為地球上數量最多的動物類群,具有發達的嗅覺系統,用它來尋找伴侶、食物和產卵場所,還能躲避天敵。觸角通常被認為是昆蟲的“鼻子”,科學家對它的研究廣泛而深入。

          昆蟲觸角依靠嗅覺感受神經元(OSNs)來感受氣味物質,在其樹突上共同表達的氣味受體(ORs)和協同氣味受體(ORco)的作用至關重要。一般認為,昆蟲在觸角輸入信號的引導下找到寄主,然后利用位于腹部末端的產卵器進行產卵。

          2020年6月22日,中國科學院動物研究所王琛柱實驗室在eLife上發表題為“A moth odorant receptor highly expressed in the ovipositor is involved in detecting host-plant volatiles”的文章(https://elifesciences.org/articles/53706),發現一個氣味受體在一種蛾的產卵器中高表達,能夠探測寄主植物散發的氣味物質,幫助這種蛾確定產卵的準確位置。此前,有研究發現有氣味受體在昆蟲產卵器中表達,但一直不知道其在產卵器中的功能。eLife還專門對該文做了題為“How a moth knows where to lay its eggs”的文摘報道(https://elifesciences.org/digests)。

          圖1 煙青蟲雌蛾產卵器具有表達氣味受體HassOR31/HassORco的嗅覺感受神經元,可以檢測寄主植物的揮發性物質,引導其確認產卵位置

          王琛柱實驗室長期以來針對我國兩種重要農業害蟲棉鈴蟲(Helicoverpa armigera)和煙青蟲(Helicoverpa assulta)的化學通信進行比較研究。這兩種害蟲是近緣種,但是寄主范圍差異很大,棉鈴蟲是典型的多食性昆蟲,可取食不同科的數量眾多的農作物,而煙青蟲只取食茄科的煙草和辣椒。近年來,該實驗室圍繞這兩種蛾的嗅覺和味覺的神經編碼機制進行了一系列研究。通過轉錄組測序,該團隊意外地發現有一個氣味受體OR31在煙青蟲雌蛾的腹部末端高表達,其表達量遠高于它在觸角中的水平,而在棉鈴蟲沒有這種情況。他們開始好奇這個氣味受體到底有什么功能,產卵器是否也能“嗅”到氣味物質?于是他們首先探究該OR在產卵器中是否與ORco共表達。利用雙色原位雜交方法,他們發現OR31和ORco在產卵器細胞中存在共表達的情況,那么該受體的配體是什么呢?接著,他們將OR31和ORco共表達于非洲爪蟾的卵母細胞中,結合雙電極電壓鉗技術,篩選出12種能夠引起明顯電流變化的配體化合物,其中順-3-己烯丁酸酯(Z-3-Hexenyl butyrate )最為有效。通過掃描電鏡觀察,發現產卵器上存在類似觸角上毛形感器的結構,它們除了有一個頂孔外,其壁上還有很多微孔,確認這些感器不僅司味覺,還具有嗅覺的功能。進一步通過單感器記錄,明確這些氣味化合物可以引起產卵器上一些毛形感器的電生理反應。

          圖2 非洲爪蟾卵母細胞和雙電極電壓鉗技術示意圖(上);表達HassOR31和HassORco的卵母細胞對配體化合物的反應(下)

          為驗證雌蛾產卵過程中不只是觸角起嗅覺作用,研究人員比較了正常雌蛾和切除觸角后的雌蛾對辣椒氣味的產卵選擇反應(圖3AB)。結果表明,切除觸角的雌蛾仍然偏好在有辣椒氣味的介質上產卵,盡管其偏好指數與正常雌蛾相比有顯著降低。另一個產卵選擇實驗則直接用順-3-己烯丁酸酯處理產卵介質(圖3CD),發現切除觸角的雌蛾和正常雌蛾都偏好在其上產卵,且二者的偏好指數沒有差異,這說明雌蛾在感受寄主植物的氣味混合物時觸角和產卵器并用,而感受順-3-己烯丁酸酯似乎主要由產卵器控制。基于以上結果,研究人員認為在產卵器中表達的OR31有助于煙青蟲在為數不多的寄主植物上準確地找到產卵位置

          圖3 正常雌蛾和切除觸角的雌蛾對辣椒氣味和順-3-己烯丁酸酯處理介質的產卵偏好

          全面系統地了解動物的嗅覺系統,無論對于基礎生物學還是實際應用都有非常重要的意義。這項工作突破了人們對嗅覺傳統認識的局限,也會激發神經生物學家探索動物頭部器官以外的嗅覺通路。煙青蟲是一種寡食性昆蟲,只害煙草和辣椒。該研究發現不僅有助于我們了解植食性昆蟲寄主范圍的演變,為農業昆蟲學家防治害蟲提供了新的思路

          中國科學院動物研究所博士生李睿婷為該文第一作者,王琛柱研究員為通訊作者,黃玲巧高級工程師和河南科技大學董鈞鋒副教授參與了該項工作。研究得到國家自然科學基金項目和國家重點研發計劃的資助。

          Li R.-T., Huang L.-Q., Dong J.-F., Wang C.-Z. 2020. A moth odorant receptor highly expressed in the ovipositor is involved in detecting host-plant volatiles. eLife 9, e53706. DOI: 10.7554/eLife.53706

          原文見:https://elifesciences.org/articles/53706

          eLife文摘: https://elifesciences.org/digests/53706/how-a-moth-knows-where-to-lay-its-eggs

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