王琛柱研究团队揭示Orco基因缺失导致重要农业害虫棉铃虫严重的嗅觉功能障碍

  昆虫生活在一个具有各种气味的复杂多变的环境中,因此嗅觉对其生命活动至关重要。昆虫的嗅觉受体蛋白主要有三种类型:(1)气味受体(odorant receptor,OR),(2)离子型受体(ionotropic receptor, IR),(3)部分味觉受体(gustatory receptor, GR)。其中,以对OR的研究最为突出。每个OR由负责结合配体的气味受体Or与气味受体共受体(Orco)结合形成异源多聚体而发挥作用。在一种昆虫中Or多种多样,但Orco只有一种,因此Orco是研究昆虫气味受体总体功能的最重要的靶标基因。

  2022年9月30日,js6666金沙安全下载王琛柱研究团队在BMC Biology杂志上发表题为“Mutagenesis of the odorant receptor co-receptor (Orco) reveals severe olfactory defects in the crop pest moth Helicoverpa armigera”的研究论文,揭示了Orco介导的嗅觉通路在棉铃虫生殖、产卵选择、性信息素交流,以及幼虫趋化等行为过程中起至关重要的作用。

  王琛柱研究团队一直致力于探索我国重要农业害虫的化学通信机制。棉铃虫是一种典型的多食性昆虫,在我国和-世界各地广泛分布,危害很多农作物包括小麦、棉花、玉米、番茄、大豆、花生、青椒等,常年造成巨大的经济损失。该团队在国家自然科学基金重点项目支持下,试图通过调控昆虫的嗅觉来寻找防治这种昆虫的新途径。棉铃虫的嗅觉受体功能仍存在着很大的未知,在其主要嗅觉器官触角中,表达有60多个Or,到目前只有为数不多的Or的配体得到鉴定。该项研究的目的是想澄清Orco介导的嗅觉通路在棉铃虫行为和生殖过程中所起的作用。

  该团队采用基因编辑技术CRISPR/Cas9系统在棉铃虫中成功地构建并获得了Orco-/-纯合突变体。研究发现该突变体的自交以及突变体雄性与野生型雌性杂交均无法产生子代,而突变体雌性与野生型雄性交配可以获得正常的后代。触角转录组实验结果表明,在Orco-/-纯合突变体的触角中,虽然一些性信息素受体(pheromone receptor, PR)基因的表达发现明显变化,但其他多数OrIrGr以及其他相关嗅觉通路相关基因的表达模式变化不显著。对成虫脑内初级嗅觉处理中心触角叶的组织化学实验发现, Orco缺失对编码气味信号的神经纤维球的结构和数目均没有明显影响。研究人员利用触角电位(EAG)技术检测了Orco-/-纯合突变体成虫触角对27种不同类型的重要气味化合物的电生理反应,发现Orco缺失导致了成虫触角对绝大多数检测化合物的反应显著降低;进一步利用单感器记录(SSR)技术发现,突变体雄性触角上的三类感受性信息素的毛型感器对6种性信息素相关组分的电生理反应均明显降低。在风洞行为实验中,几乎所有突变体雄性丧失了对性信息素源的趋向、降落和交配等行为。产卵行为实验结果表明,突变体雌虫则丧失了对寄主植物-青椒的产卵偏好性;同时,幼虫的趋化行为实验表明,突变体幼虫也丧失了对青椒的趋化性。在此研究中,研究人员从遗传学、组学、组织化学、电生理学、行为学等多角度、多层次地探索了棉铃虫中Orco介导的嗅觉通路的功能,为通过调控气味物质调控棉铃虫的行为提供了充分的证据(图1)。

  嗅觉是动物界最古老的感觉方式。昆虫的嗅觉系统与其他动物包括人等都有共同之处。哺乳动物和人主要通过Orco介导的嗅觉受体来感受环境中的气味物质,一直以来也备受关注。这项研究的结果对于其他动物嗅觉和人类嗅觉的研究也具有参考价值。

  该论文的第一作者范晓斌博士是js6666金沙安全下载博士后,合作导师为王琛柱研究员。该团队中黄玲巧、郭浩、莫宝童、李国成、公信霖参与了该项研究工作。

  论文链接: https://bmcbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12915-022-01411-2

图1. Orco基因缺失导致棉铃虫产生的嗅觉功能障碍

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