王琛柱团队发现小菜蛾感受植物激素油菜素内酯的味觉受体

  植物的代谢产物形形色色,构成了每种植物独有的味道。植食性昆虫主要利用其发达的味觉系统来检测植物化合物,从而识别要取食的组织和产卵的场所。味觉感器多在昆虫的口器、足、触角上分布,其中表达的味觉受体(GR)决定昆虫的味觉感受特性。在植食性昆虫的味觉受体中,苦味受体的种类最多,然而到目前对它们功能的了解却非常有限。

  2020年12月11日,中国科学院动物研究所王琛柱团队在eLife发表了题为“A gustatory receptor tuned to the steroid plant hormone brassinolide in Plutella xylostella (Lepidoptera: Plutellidae)” 的研究论文(https://elifesciences.org/articles/64114)。该研究发现了小菜蛾感受植物激素油菜素内酯的味觉受体。

图1 发表论文网页截图

  小菜蛾(Plutella xylostella)是一种世界性的大害虫,专门危害十字花科蔬菜。为揭开小菜蛾专食十字花科植物之谜,中国科学院动物研究所王琛柱团队把研究的重点放在小菜蛾苦味受体的功能分析上。他们发现,在小菜蛾众多的GR基因中,有一个苦味受体基因PxylGr34在小菜蛾四龄幼虫的头部及成虫的触角中高表达,由此猜测这个基因可能具有重要的味觉感受功能。通过爪蛙卵母细胞表达和双电极电压钳记录实验,发现表达该基因的细胞对于植物激素油菜素内酯及其类似物24-表油菜素内酯的刺激很敏感;接着,以这两种植物激素刺激幼虫口器上的味觉感器,确认二者均可诱发口器下颚叶上中栓锥感器的电生理反应。为了明确油菜素内酯对小菜蛾的行为影响,他们进一步设计了一系列的昆虫取食选择和产卵选择实验:当在植物叶片上涂抹油菜素内酯后,小菜蛾幼虫的取食面积明显减小;当在产卵介质上涂抹油菜素内酯后,小菜蛾成虫在其上的产卵量也显著变少,这表明油菜素内酯对小菜蛾幼虫的取食及成虫的产卵均有抑制作用。最后,他们利用RNA干扰的方法降低该受体基因在幼虫的表达后,发现幼虫口器下颚叶上中栓锥感器的电生理反应明显降低,油菜素内酯对幼虫也不再有显著的取食抑制作用,证实PxylGr34的表达介导了小菜蛾对油菜素内酯的厌恶行为反应。

图2 小菜蛾对油菜素内酯的味觉感受和行为反应

  以上研究表明,植食性昆虫可利用苦味受体来探测特定的植物化合物,从而判断是否在该种植物上取食或产卵。这一成果不仅有助于设计以味觉受体为潜在靶标的害虫绿色防控技术,还为开发以植物激素为基础的昆虫行为调节剂提供了新思路。

  行为生理与神经遗传学研究组博士后杨科为论文的第一作者,王琛柱研究员为通讯作者,公信霖、李国成、黄玲巧、宁超共同参与了该项研究。这一研究得到国家重点研发计划(2017YFD0200400)、国家自然科学基金(31830088)、中国博士后科学基金(2019M660792)的资助。

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