王琛柱團隊在我國重大農業害蟲東方粘蟲的嗅覺機制研究方面取得系列進展

  東方粘蟲(Oriental armyworm,Mythinma separata)又名行軍蟲、剃枝蟲,是我國重大農作物病蟲之一,主要危害小麥、水稻、玉米、谷子、高粱、糜子等禾谷類作物。因為它有季節性遷飛習性,農民稱之為“來去無蹤,神出鬼沒”的“神蟲”。利用昆蟲的嗅覺反應特點,準確監測害蟲種群動態是有效防治東方粘蟲的前提。性信息素對東方粘蟲雄蛾具有很強的吸引作用,糖醋酒液也對東方粘蟲具有很好的引誘效果,均可作為引誘劑在田間有效監測東方粘蟲的種群發生和數量。近期,中國科學院動物研究所王琛柱團隊在昆蟲學期刊Insect Biochemistry and Molecular Biology先后發表3篇論文,系統地闡述了東方粘蟲對性信息素和糖醋酒液的嗅覺感受機制,為東方粘蟲的田間監測和防治提供了重要依據。三篇論文的題目分別為(1)Dissecting sex pheromone communication of Mythimna separata (Walker) in North China from receptor molecules and antennal lobes to behavior;(2)Olfactory coding of intra- and interspecific pheromonal messages by the male Mythimna separata in North China;(3)The olfactory reception of acetic acid and ionotropic receptors in the Oriental armyworm, Mythimna separata Walker。

  東方粘蟲的性信息素的組分和比例過去就有報道,但結果存在矛盾,有人認為其性信息素主要組分為Z11-16:Ac,也有人認為是Z11-16:Ald。該團隊利用化學分析、行為、電生理和分子生物學多種技術,系統地研究了東方粘蟲華北種群的性信息素和雄蛾對其的嗅覺編碼機制。首先,利用GC-EAD和GC-MS對雌蛾信息素腺體提取物進行了化學成分分析,找出了具有觸角電位活性的組分;其次,在風洞中檢測了一系列的不同組分、比例的信息素混合物對雄蛾的引誘效果;第三,利用SSR技術鑒定了雄蛾觸角上的長毛型感器對信息素組分及其相關化合物的反應,明確了雄蛾觸角上感受性信息素感器的種類和豐度;第四,利用活體腦成像和觸角葉解剖分析,確定了雄蛾觸角葉MGC區域對各組分的感受特性;最后,通過對成蟲觸角轉錄組的生物信息學分析,鑒定了與信息素感受相關的氣味受體,并利用爪蟾卵母細胞表達系統和雙電極電壓鉗技術,解析了信息素受體MsepOR3和MsepOR2的功能。獲得以下主要研究結果:(1)東方粘蟲華北種群的基本性信息素成分為Z11-16:Ald,單雌腺體中含量為16.2 ± 6.1 ng,單獨配成性引誘劑即可有效引誘雄蛾;(2)觸角感受性信息素的感器分兩類:A類感受Z11-16:Ald和Z9-14:Ald,B類主要感受Z9-14:Ald,還感受Z11-16:OH、Z11-16:Ac、Z9-16:Ald;兩類感器的比例為66.2: 33.8;(3)雄蛾觸角葉中的MGC區域包含三個神經纖維球,分別為云狀體(CU)、背前體(DA)、背后體(DP),Z11-16:Ald激活CU,Z9-14:Ald在低劑量下激活DA而在高劑量下可以同時激活DA和CU,Z11-16:OH激活DA,Z11-16:Ac激活DP, Z9-16:Ald激活常規纖維球OG1;(4)MsepOR3和MsepOR2分別是調諧Z11-16:Ald和Z9-14:Ald的氣味受體;(5)Z9-14:Ald是東方粘蟲性引誘的強拮抗劑,在維持種間生殖隔離中起重要作用(圖1)。

圖1 東方粘蟲雄蛾對性信息素和行為拮抗素的嗅覺編碼模式

  糖醋酒液對東方粘蟲有較強的引誘活性,而其嗅覺機制被首次報道。該項研究的主要發現包括:(1)乙酸是糖醋液揮發性混合物中必不可少的生物活性成分;(2)有4種類型(as1、as2、as3和as4)的感器參與觸角上的乙酸感受;(3)中低劑量的乙酸激活一個普通神經纖維球(DC3),高劑量乙酸還激活觸角葉中另外兩個神經纖維球DC1和AC1;(4)中低劑量乙酸對粘蟲雌蟲具有吸引力并能誘發喙伸長反應;(5)在東方粘蟲觸角轉錄組中注釋得到氣味受體(OR)基因67個及離子受體(IR)基因19個,其中Ir8aIr64aIr75q1Ir75q2在觸角中具有共定位現象,表明東方粘蟲的Ir8a很可能是其IR介導嗅覺系統的共受體之一(圖2)。

  這些研究結果顯示,在我國華北地區發生的東方粘蟲與日本發生的東方粘蟲可能不是一個物種;含單一Z11-16:Ald的誘芯可用于田間監測和防治東方粘蟲,這樣可大大節約成本但不影響誘蟲效果,與此同時,還應注意不可與含有Z9-14:Ald的性引誘劑合用,與棉鈴蟲的性引誘劑也應分別使用。

圖2 東方粘蟲雌蛾對乙酸的嗅覺編碼模式

  中國科學院動物研究所博士生江南紀、博士后唐睿分別為該系列論文的第一作者,王琛柱研究員為通訊作者。研究得到國家自然科學基金委員會和中國科學院的資助。

  發表論文:

  Jiang NJ, Tang R, Guo H, Ning C, Li JC, Wu H, Huang LQ & Wang CZ (2020) Olfactory coding of intra- and interspecific pheromonal messages by the male Mythimna separata in North China. Insect Biochem Mol Biol 103439. https://doi.org/10.1016/j.ibmb.2020.103439

  Tang R, Jiang N-J, Ning C, Li G-C, Huang L-Q & Wang C-Z (2020) The olfactory reception of acetic acid and ionotropic receptors in the Oriental armyworm, Mythimna separata Walker. Insect Biochem Mol Biol 118: 103312. https://doi.org/10.1016/j.ibmb.2019.103312

  Jiang NJ, Tang R, Wu H, Xu M, Ning C, Huang LQ & Wang CZ (2019) Dissecting sex pheromone communication of Mythimna separata (Walker) in North China from receptor molecules and antennal lobes to behavior. Insect Biochem Mol Biol 111: 103176. https://doi.org/10.1016/j.ibmb.2019.103176

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