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我院董双林教授团队研究发现小菜蛾利用植物“防御物质”识别寄主植物的分子机制

发布时间:2020-09-15    点击量:

北京时间 2020 年 9 月 10 日,南京农业大学董双林教授团队与德国马普化学生态研究 所、中国科学院动物研究所合作,在生物学著名期刊《Current Biology》发表了题为“The molecular basis of host selection in a crucifer-specialized moth”的研究论文,揭 示了十字花科植物专食性重要农业害虫小菜蛾利用植物防御物质异硫氰酸酯 (Isothiocyanate, ITC)作为嗅觉信号,来定位寄主植物进行产卵的分子机制(图 1)。

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图 1. 嗅觉受体 Or35 和 Or49 介导了小菜蛾对十字花科植物的识别

芥子油苷(Glucosinolate, GS),是一类含氮、硫的植物次生代谢产物,是十字花科植 物的标志性次生物质,GS 及其 ITC 等水解产物在植物与昆虫相互作用中行使多种生态和生 物学功能,成为研究植物-昆虫间“防御及反防御”协同进化的重要模式系统。

GS 本身对昆虫无毒或毒性很低,且与黑芥子酶(植物体内的 GS 降解酶)在空间上是隔 离的,因此田间自然情况下植物由于农事操作、风雨作用及害虫取食等机械损伤仅释放微量 的ITC及腈类化合物,但当植物组织被咀嚼式害虫取食进入虫体后,黑芥子酶和芥子油苷充 分接触并发生水解反应,大量生成 ITC 等有毒降解产物,从而对害虫发生毒害作用;同时, 害虫的取食也可以通过茉莉酸等信号途径,启动植物的防御系统,进一步促进 GS 的合成及


黑芥子酶的活性,提高植物的防御水平。

经过长期的进化选择,一些害虫形成了多种多样的 GS 应对策略,包括行为避害、解毒 代谢、储存代谢等。就小菜蛾而言,其幼虫消化道内存在一种特殊的硫酸酯酶(Sulfatas), 可在食物被摄入后很快将 GS 脱硫,形成既无毒性又不能被黑芥子酶降解的去硫芥子油苷, 由此逐渐演化为专门取食十字花科植物,被称为十字花科植物专食性害虫(Crucifer specialist)。除小菜蛾外,菜粉蝶、黄曲条跳甲等重要农业害虫也属于十字花科植物专食 性害虫。更为有趣的是,这类昆虫的雌成虫可以利用 GS 的挥发性降解产物(主要是 ITC 物 质)作为嗅觉信号,来识别、定位进而产卵于十字花科植物,然而其中的分子机制至今仍不 清楚。

为了揭示十字花科专食性昆虫对寄主识别的嗅觉分子机制,课题组以小菜蛾为对象展开 一系列研究。首先,利用触角电位(EAG)技术和行为测定技术对 14 种代表性 ITC 化合物进 行测定,发现其中的 3 种 ITC(苯乙基异硫氰酸酯、4-戊烯基异硫氰酸酯和 3-甲硫基丙基异 硫氰酸酯)可以引起雌蛾显著的EAG反应和产卵选择性,证实ITC物质是吸引小菜蛾雌蛾产 卵的重要嗅觉信号。

然后,为了揭示小菜蛾感受 ITC 类气味的受体基因(Odorant receptor, OR),课题组 在对小菜蛾所有已报道的 OR 基因进行序列比对、克隆验证并结合转录组测序分析的基础上, 进行OR基因的性别和组织表达差异分析,发现其中的12个OR为雌虫触角高表达(雌/雄≥


2.00),因此将它们作为候选 ITC 受体基因。在获得 12 个候选 ITC 受体基因后,课题组利用 蛙卵-双电极电压钳系统,逐一测定它们对常见的 13 种 ITC 物质、25 种植物挥发气味和 11 种昆虫性信息素组分的电生理反应。结果发现,只有 2 个 OR(OR35 和 OR49)均对 7 种 ITC 物质具有电生理反应,其中对3-甲硫基丙基和4-戊烯基异硫氰酸酯的反应最强,但OR35的 反应敏感性明显高于 OR49。2 个 OR 对被测植物挥发气味和昆虫性信息素组分均没有反应, 说明 2 个 OR 对 ITC 物质为特异性感受(图 2)。

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为了进一步证实这 2 个 OR 在小菜蛾对 ITC 物质感受中的作用,课题组利用 CRISPR/Cas9 基因编辑技术,分别获得OR35和OR49基因的单敲除和双敲除小菜蛾突变品系,然后和野生 型小菜蛾品系相比较,通过对 EAG 反应和产卵选择性测定,活体证实了这 2 个 OR 基因在 ITC 物质感受中的功能。2 个 OR 基因单敲除品系的小菜蛾雌蛾对 3 种关键 ITC 气味的 EAG 反应 和产卵选择性显著降低,双基因敲除品系的雌蛾则完全丧失了上述反应。同时,利用拟南芥 GS 敲除品系(不产生 ITC 物质)和野生拟南芥进行比较,也获得了相同的结果:OR49 和 OR35 单敲除雌虫对野生拟南芥植株的产卵选择性显著降低,而双基因敲除品系丧失了对野生拟南 芥的产卵选择性,进一步说明这 2 个 OR 是拟南芥吸引小菜蛾产卵的必要和充分条件(图 3)。

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综上,本研究鉴定了吸引小菜蛾产卵的3种关键的十字花科植物ITC气味物质,明确了 特异性感受这些活性 ITC 物质的受体基因,从嗅觉角度揭示了十字花科植物专食性昆虫的 寄主适应机制,即小菜蛾利用 2 个专门的 OR 对十字花科植物的标志性 ITC 气味进行感受, 从而使雌蛾有效地识别并定位产卵寄主。研究结果对于深入理解昆虫的寄主适应和食性分化 机制具有重要意义,同时考虑十字花科植物在蔬菜和油料生产中的重要地位,该研究也为开 发基于嗅觉调控的十字花科植物专食性昆虫的新型防治技术提供了新思路和新靶标,具有重 要的潜在应用价值。

文章第一作者为南京农业大学博士生刘晓龙和马普化学生态所博士后张进,通讯作者为 南京农业大学董双林教授和马普化学生态所 Markus Knaden 研究员,南京农业大学闫祺副 教授、徐顥副教授和研究生苗春丽、韩伟康、侯雯、彭英传和郭金梦、以及马普化学生态所 Bill S. Hansson 教授、中国科学院动物研究所王琛柱研究员和杨科博士参与了研究。本研 究由国家自然科学基金项目(31672350)、南京农业大学国际合作培育项目(2018-EU-08)和 江苏省博士生科研创新计划(KYCX18_0668)资助。

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.cub.2020.08.047 


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