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          王琛柱研究團隊揭示棉鈴蟲感受植物苦味物質香豆素的味覺受體

            植物次生物質是植物體內經過復雜的分支代謝途徑的產物,一般沒有營養價值,但構成不同植物特有的味道,在植物防御中起關鍵作用。植食性昆蟲對植物的喜好程度往往取決于次生物質的種類和含量。我國重要農業害蟲棉鈴蟲(Helicoverpa armigera)雖然危害很多農作物,但對不同作物的喜好程度不同,危害程度也不同,其中“苦味”的次生物質的存在是決定幼蟲是否偏好取食的關鍵因素。

            2022年10月8日,中國科學院動物研究所王琛柱研究團隊在國際知名學術期刊PLoS Genetics雜志上發表題為“Functional analysis of a bitter gustatory receptor highly expressed in the larval maxillary galea of Helicoverpa armigera”的研究論文,揭示了棉鈴蟲味覺受體HarmGr180是苦味物質香豆素(coumarin)的受體,還參與幼蟲對黑芥子苷(sinigrin)和馬錢子堿(strychnine)的感受。該論文的共同第一作者陳燕和王沛超是中國科學院動物研究所、中國科學院大學博士研究生,指導老師是王琛柱研究員。陳燕的博士論文課題主要研究棉鈴蟲苦味受體的功能,王沛超的博士課題則主攻基因編輯技術在昆蟲味覺方面的利用。該實驗室的博士生張帥帥和李國成、博士后楊軍、高級工程師黃玲巧等參與了本項研究。

            該團隊前期的轉錄組分析發現,在棉鈴蟲幼蟲的口器上表達多種味覺受體(gustatory receptor, Gr),其中HarmGr180的表達量最高,于是該團隊優先把注意力放在這個受體上。當把該受體基因在爪蟾卵母細胞表達后,用雙電極電壓鉗記錄發現,表達HarmGr180的細胞特異地對香豆素有電生理反應(圖1)。接著,核實了幼蟲口器上的味覺感器是否有對香豆素反應的感器。利用頂端記錄發現,在幼蟲口器的下顎外顎葉上,一對中栓錐感器對香豆素有電生理反應,并且香豆素可以抑制另一對側栓椎感器對蔗糖的反應。

            為了深入揭示HarmGr180的在體功能,研究團隊利用CRISPR/Cas9系統成功地構建并獲得了棉鈴蟲的HarmGr180純合突變體(HarmGr180-/-)。研究發現,該突變體幼蟲中栓錐感器失去了對香豆素的反應,同時降低了對黑芥子苷和馬錢子堿的反應,但不影響香豆素對側栓椎感器的抑制作用(圖2)。進一步的行為學實驗表明,盡管香豆素、黑芥子苷和馬錢子堿對突變體幼蟲仍有一定的取食遏制作用,但取食遏制指數顯著降低。

            由此,研究人員從分子生物學、組學、電生理學、行為等多角度、多層次地揭示了棉鈴蟲苦味受體HarmGr180的功能,這對于增進對植食性昆蟲味覺感受分子基礎的了解、研發害蟲拒食劑具有重要意義。棉鈴蟲苦味受體估計有180個,其中絕大多數的功能尚未知。該研究為后續的研究工作打下了基礎,并為其它植食性昆蟲味覺研究提供了新的視角。

            論文鏈接:https://journals.plos.org/plosgenetics/article?id=10.1371/journal.pgen.1010455

            Chen Y, Wang P-C, Zhang S-S, Yang J, Li G-C, Huang L-Q & Wang C-Z (2022) Functional analysis of a bitter gustatory receptor highly expressed in the larval maxillary galea of Helicoverpa armigera. PLoS Genetics 18: e1010455. doi:10.1371/journal.pgen.1010455.

          圖1 表達HarmGr180的爪蟾卵母細胞對香豆素具有濃度依賴的電生理反應

          圖2 棉鈴蟲野生型(WT)與HarmGr180純合突變體(Gr180-/-)幼蟲下顎的中栓錐感器對香豆素、黑芥子苷和馬錢子堿的電生理反應

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