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          王琛柱研究團隊揭示Orco基因缺失導致重要農業害蟲棉鈴蟲嚴重的嗅覺功能障礙

            昆蟲生活在一個具有各種氣味的復雜多變的環境中,因此嗅覺對其生命活動至關重要。昆蟲的嗅覺受體蛋白主要有三種類型:(1)氣味受體(odorant receptor,OR),(2)離子型受體(ionotropic receptor, IR),(3)部分味覺受體(gustatory receptor, GR)。其中,以對OR的研究最為突出。每個OR由負責結合配體的氣味受體Or與氣味受體共受體(Orco)結合形成異源多聚體而發揮作用。在一種昆蟲中Or多種多樣,但Orco只有一種,因此Orco是研究昆蟲氣味受體總體功能的最重要的靶標基因。

            2022年9月30日,中國科學院動物研究所王琛柱研究團隊在BMC Biology雜志上發表題為“Mutagenesis of the odorant receptor co-receptor (Orco) reveals severe olfactory defects in the crop pest moth Helicoverpa armigera”的研究論文,揭示了Orco介導的嗅覺通路在棉鈴蟲生殖、產卵選擇、性信息素交流,以及幼蟲趨化等行為過程中起至關重要的作用。

            王琛柱研究團隊一直致力于探索我國重要農業害蟲的化學通信機制。棉鈴蟲是一種典型的多食性昆蟲,在我國和-世界各地廣泛分布,危害很多農作物包括小麥、棉花、玉米、番茄、大豆、花生、青椒等,常年造成巨大的經濟損失。該團隊在國家自然科學基金重點項目支持下,試圖通過調控昆蟲的嗅覺來尋找防治這種昆蟲的新途徑。棉鈴蟲的嗅覺受體功能仍存在著很大的未知,在其主要嗅覺器官觸角中,表達有60多個Or,到目前只有為數不多的Or的配體得到鑒定。該項研究的目的是想澄清Orco介導的嗅覺通路在棉鈴蟲行為和生殖過程中所起的作用。

            該團隊采用基因編輯技術CRISPR/Cas9系統在棉鈴蟲中成功地構建并獲得了Orco-/-純合突變體。研究發現該突變體的自交以及突變體雄性與野生型雌性雜交均無法產生子代,而突變體雌性與野生型雄性交配可以獲得正常的后代。觸角轉錄組實驗結果表明,在Orco-/-純合突變體的觸角中,雖然一些性信息素受體(pheromone receptor, PR)基因的表達發現明顯變化,但其他多數Or,Ir,Gr以及其他相關嗅覺通路相關基因的表達模式變化不顯著。對成蟲腦內初級嗅覺處理中心觸角葉的組織化學實驗發現, Orco缺失對編碼氣味信號的神經纖維球的結構和數目均沒有明顯影響。研究人員利用觸角電位(EAG)技術檢測了Orco-/-純合突變體成蟲觸角對27種不同類型的重要氣味化合物的電生理反應,發現Orco缺失導致了成蟲觸角對絕大多數檢測化合物的反應顯著降低;進一步利用單感器記錄(SSR)技術發現,突變體雄性觸角上的三類感受性信息素的毛型感器對6種性信息素相關組分的電生理反應均明顯降低。在風洞行為實驗中,幾乎所有突變體雄性喪失了對性信息素源的趨向、降落和交配等行為。產卵行為實驗結果表明,突變體雌蟲則喪失了對寄主植物-青椒的產卵偏好性;同時,幼蟲的趨化行為實驗表明,突變體幼蟲也喪失了對青椒的趨化性。在此研究中,研究人員從遺傳學、組學、組織化學、電生理學、行為學等多角度、多層次地探索了棉鈴蟲中Orco介導的嗅覺通路的功能,為通過調控氣味物質調控棉鈴蟲的行為提供了充分的證據(圖1)。

            嗅覺是動物界最古老的感覺方式。昆蟲的嗅覺系統與其他動物包括人等都有共同之處。哺乳動物和人主要通過Orco介導的嗅覺受體來感受環境中的氣味物質,一直以來也備受關注。這項研究的結果對于其他動物嗅覺和人類嗅覺的研究也具有參考價值。

            該論文的第一作者范曉斌博士是中國科學院動物研究所博士后,合作導師為王琛柱研究員。該團隊中黃玲巧、郭浩、莫寶童、李國成、公信霖參與了該項研究工作。

            論文鏈接: https://bmcbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12915-022-01411-2

          圖1. Orco基因缺失導致棉鈴蟲產生的嗅覺功能障礙

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