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(1)昆虫与植物相互作用 植食性昆虫有广食性和专食性之分,这二类昆虫对寄主植物的选择行为截然不同,然而目前对其神经生物学机制了解很少。近缘种棉铃虫(Helicoverpa armigera)和烟青虫(Helicoverpa assulta)是这方面研究的典型系统:前者为广食性,寄主包括40余科200余种植物,后者是专食性,寄主仅限于茄科的烟草和辣椒,而嗅觉和味觉在二种夜蛾的寄主选择中起关键作用。我们在行为、生理和分子三个层面上,由外周到中枢系统,解析两种昆虫对寄主植物的选择机制,揭示组合编码和标记线路两种模式在寄主选择中的作用。研究结果对于阐明昆虫寄主选择行为及其生物学机制具有重要的意义,同时对于寻找害虫防治的新途径具有实用价值。 研究新进展 | 植物与昆虫的相互作用 | 王琛柱,娄永根(主编) | 科学出版社,北京 2023, 538页 | 绿色植物和昆虫在地球的生命系统中占有非常独特的位置,前者具有最大的生物量,是整个生命系统内的初级生产者;后者具有最高的物种多样性,仅植食性昆虫的物种数就多于植物的物种数,在维持全球整个生态系统的稳定中起到不可替代的作用。植物与昆虫的相互作用是当前生物学和生态学中十分活跃的研究领域,其原因有三:第一,昆虫与植物的关系中暗藏的作用机制和规律在很大程度上尚未被揭示;第二,增强作物的抗虫性和减轻农作物害虫的危害是农业生产的重大需求;第三,全球有87 种主要粮食作物依赖昆虫等动物的传粉。植物与昆虫相互作用的研究对以农业为主的国家显得尤为重要。 一般认为,植物与昆虫相互作用研究的开篇之作发表于1910 年,但研究论文真正呈指数增长是在1970 年以后。1987 年,科学出版社出版了中国科学院学部委员(院士)、中国科学院动物研究所钦俊德研究员的专著 《昆虫与植物的关系:论昆虫与植物的相互作用及其演化》,该书系统阐述了有关的基本问题和研究进展,享誉国内外,对我国在该领域的研究起到了重要的推动作用。由于当时国内这方面的研究尚处于起步阶段,书中引用的文献绝大多数来自国外。30 多年来,伴随着计算机科学、分子生物学等学科的飞速发展,以及生物工程、组学等技术和方法的不断进步,这一领域的研究已经达到一个崭新的高度,关注点由两个营养级的相互作用扩展到多个营养级的相互作用。我国从事植物与昆虫相互作用研究的科研队伍也不断壮大,取得了令人瞩目的研究成果,有的方面甚至在国际上起到了引领作用。 继钦俊德院士里程碑式著作之后,2023年出版的《植物与昆虫的相互作用》系统总结了这些年该领域的研究进展以及我国科学家在该领域的贡献。全书分4篇共16章:第一篇主题是昆虫与植物的关系及其演化,包括3章:第一章回顾了植物与昆虫关系的研究历史并作了展望,第二章阐述了昆虫与植物相互作用的自然历史,第三章介绍了传粉昆虫与植物的关系。第二篇主题是植物对昆虫的化学防御,包括5章:第四章、第五章、第六章分别针对番茄、水稻、玉米的化学防御进行了评述,第七章、第八章分别阐述了棉花倍半萜的生物合成及其抗虫作用、硅对植物抗虫性的影响及其机制。第三篇主题是昆虫对植物的选择和适应,包括4章:第九章、第十章、第十一章分别对重要农业害虫烟粉虱、棉铃虫、斑潜蝇对寄主植物的选择和适应进行了综述,第十二章阐述了棉铃虫对转基因Bt植物的抗性。第四篇主题为多营养级相互作用,包括4章:第十三章综述了芥子油苷介导的十字花科植物、害虫及其天敌的相互作用,第十四章阐述了红脂大小蠹、伴生菌、寄主植物间的相互作用,第十五章、第十六章分别论述了转基因作物、全球气候变化对作物-害虫-天敌生态关系的影响。每一章的作者均来自我国长期从事相关研究的知名团队。 | | 重要农业害虫棉铃虫和烟青虫的产卵引诱物质 | 莫宝童,郭浩,李国成,曹琳琳,公信霖,黄玲巧,王琛柱* | Journal of Agricultural and Food Chemistry 2023, doi:10.1021/acs.jafc.3c05368 | 棉铃虫Helicoverpa armigera和烟青虫Helicoverpa assulta是我国重要的农作物害虫,二者是同域发生的近缘种昆虫,共享两种性信息素组分,但比例相反。它们的形态特征和取食行为非常相似,但是寄主植物范围却有很大差异,棉铃虫取食68个科的300多种植物包括棉花、烟草、玉米、番茄等,而烟青虫只取食茄科的烟草和辣椒等几种植物。 大多数蛾类昆虫寻找配偶主要依赖于雄蛾对雌蛾产生的性信息素的探测,而选择寄主植物产卵在很大程度上依赖雌蛾对寄主植物释放的挥发性物质的嗅觉感受。目前蛾类昆虫的性信息素已经被鉴定很多,但是被鉴定的产卵引诱素还很少。论文第一作者、博士研究生莫宝童介绍:“此前我们对这两种昆虫的雌雄间的化学通讯进行了系统研究,发现其触角感受性信息素的气味受体(OR)偏雄表达。于是,我们采取反向思维的方法提出假说,推测触角上偏雌表达的OR可能与雌蛾选择产卵地有关。” 因此,作者首先以棉铃虫和烟青虫雌雄触角转录组测序结果为基础,通过分析OR在雌雄触角中的表达差异,发现棉铃虫偏雌表达的OR有2个,而烟青虫有6个;通过构建物种间OR的进化树,还找到了这些受体在另一个种的直系同源OR。 接着,他们利用果蝇T1空神经元表达系统与单感器记录技术,对这些OR进行了功能鉴定。结果表明,HassOR21-2的最有效配体是愈创木烯,HarmOR21-2的是愈创木烯、胡椒酮和氧化芳樟醇;HassOR35的是萜品醇,HarmOR35的是苄基丙酮和甲基庚烯酮;HarmOR55和HassOR55的都是乙酸壬酯和乙酸辛酯。 然后,用触角电位图(electroantennogram)技术测试了昆虫的触角对这些OR的最有效配体的电生理反应,证实烟青虫和棉铃虫的触角可以感受到这些化合物。为了进一步明确两种昆虫对这些最有效配体的行为反应,作者设计了Y型嗅觉仪行为实验,发现HassOR21-2和HarmOR21-2的最有效配体愈创木烯只可以显著吸引雌蛾,HassOR35和HarmOR35的配体苄基丙酮可以显著吸引雌蛾和雄蛾。最后,作者通过产卵选择实验确认愈创木烯和苄基丙酮是两种昆虫雌蛾的产卵引诱物质,但二者的混合物并没有增效作用。 “这些结果验证了我们最初的想法,通过研究昆虫触角中偏雌表达OR的功能,使我们找到了两种引诱物质,而出人意料的是这两种化合物对棉铃虫和烟青虫均有效”,通讯作者王琛柱教授对研究做了进一步的阐释,“棉花和野生烟草的挥发物中分别有愈创木烯和苄基丙酮,这部分解释了棉铃虫为何喜好在这些植物上产卵。但棉花并不是烟青虫的寄主植物,可能具有其它驱避烟青虫的气味物质,值得进一步研究。另外,烟青虫喜好辣椒的因素也有待揭示。”中捷四方是我国著名的生产害虫信息化合物产品的公司,对本研究十分关注。该公司董事长兼总经理崔艮中认为,“信息化学物质对环境友好,作用特异,在害虫治理中具有很大的应用潜力。我们正在着力研发昆虫的产卵引诱剂和驱避剂,这样的研究非常及时”。 | | 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 | 范晓斌,莫宝童,李国成,黄玲巧,公信霖,王琛柱* | BMC Biology 2022, 20:214 | 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。 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。 作者采用基因编辑技术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Or,Ir,Gr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。他们利用触角电位(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。 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。 | | 棉铃虫感受植物苦味物质香豆素的味觉受体的鉴定 | 陈燕#,王沛超#,张帅帅,杨军,李国成,黄玲巧,王琛柱* | PLoS Genetics 2022, 18: e1010455 | 作者前期的转录组分析发现,在棉铃虫幼虫的口器上表达多种味觉受体(gustatory receptor, Gr),其中HarmGr180的表达量最高,于是作者优先把注意力放在这个受体上。当把该受体基因在爪蟾卵母细胞表达后,用双电极电压钳记录发现,表达HarmGr180的细胞特异地对香豆素有电生理反应。接着,核实了幼虫口器上的味觉感器是否有对香豆素反应的感器。利用顶端记录发现,在幼虫口器的下颚外颚叶上,一对中栓锥感器对香豆素有电生理反应,并且香豆素可以抑制另一对侧栓椎感器对蔗糖的反应。 为了深入揭示HarmGr180的在体功能,他们利用CRISPR/Cas9系统成功地构建并获得了棉铃虫的HarmGr180纯合突变体(HarmGr180-/-)。研究发现,该突变体幼虫中栓锥感器失去了对香豆素的反应,同时降低了对黑芥子苷和马钱子碱的反应,但不影响香豆素对侧栓椎感器的抑制作用。进一步的行为学实验表明,尽管香豆素、黑芥子苷和马钱子碱对突变体幼虫仍有一定的取食遏制作用,但取食遏制指数显著降低。 由此,作者从分子生物学、组学、电生理学、行为等多角度、多层次地揭示了棉铃虫苦味受体HarmGr180的功能,这对于增进对植食性昆虫味觉感受分子基础的了解、研发害虫拒食剂具有重要意义。棉铃虫苦味受体估计有180个,其中绝大多数的功能尚未知。该研究为后续的研究工作打下了基础,并为其它植食性昆虫味觉研究提供了新的视角。 | | 在烟青虫产卵器中高表达的气味受体参与寄主植物气味的感受 | 李睿婷,黄玲巧,董钧峰,王琛柱* | eLife 2020, 9: e53706 | 触角通常被认为是昆虫的鼻子。作者对烟青虫的信息素腺体-产卵复合体的转录组进行了测序时,意外地发现有一个气味受体OR31在烟青虫雌蛾的腹部末端高表达,其表达量远高于它在触角中的水平,而在棉铃虫没有这种情况。作者开始好奇这个气味受体到底有什么功能,产卵器是否也能“嗅”到气味物质?于是作者首先探究该OR在产卵器中是否与ORco共表达。利用双色原位杂交方法,作者发现OR31和ORco在产卵器细胞中存在共表达的情况,那么该受体的配体是什么呢?接着,作者将OR31和ORco共表达于非洲爪蟾的卵母细胞中,结合双电极电压钳技术,筛选出12种能够引起明显电流变化的配体化合物,其中顺-3-己烯丁酸酯(Z-3-Hexenyl butyrate )最为有效。通过扫描电镜观察,发现产卵器上存在类似触角上毛形感器的结构,它们除了有一个顶孔外,其壁上还有很多微孔,确认这些感器不仅司味觉,还具有嗅觉的功能。进一步通过单感器记录,明确这些气味化合物可以引起产卵器上一些毛形感器的电生理反应。 为验证雌蛾产卵过程中不只是触角起嗅觉作用,作者比较了正常雌蛾和切除触角后的雌蛾对辣椒气味的产卵选择反应。结果表明,切除触角的雌蛾仍然偏好在有辣椒气味的介质上产卵,尽管其偏好指数与正常雌蛾相比有显著降低。另一个产卵选择实验则直接用顺-3-己烯丁酸酯处理产卵介质,发现切除触角的雌蛾和正常雌蛾都偏好在其上产卵,且二者的偏好指数没有差异,这说明雌蛾在感受寄主植物的气味混合物时触角和产卵器并用,而感受顺-3-己烯丁酸酯似乎主要由产卵器控制。基于以上结果,作者认为在产卵器中表达的OR31有助于烟青虫在为数不多的寄主植物上准确地找到产卵位置。 全面系统地了解动物的嗅觉系统,无论对于基础生物学还是实际应用都有非常重要的意义。这项工作突破了人们对嗅觉传统认识的局限,也会激发神经生物学家探索动物头部器官以外的嗅觉通路。烟青虫是一种寡食性昆虫,只为害烟草和辣椒。该研究发现不仅有助于我们了解植食性昆虫寄主范围的演变,还为农业昆虫学家防治害虫提供了新的思路。 | 植物次生物质是不少专食性昆虫搜寻寄主植物的线索,有的还能刺激昆虫产卵和取食。这些昆虫具有专门的感觉神经元来探测这些寄主特有的化合物,取食十字花科植物的害虫如菜粉蝶和小菜蛾就是其中的典型。十字花科植物中含有一类叫做芥子油苷(glucosinolates)的次生物质。芥子油苷可被芥子酶催化,但二者存在于植物细胞的不同位置,仅当植物被损伤时二者接触,芥子油苷被水解产生异硫氰酸醋、硫氰酸醋和睛类等不同化合物。在专食性昆虫的触角、足、口器上有非常灵敏的化学感器,用来探测芥子油苷或其水解物。我们的研究主要通过反向遗传学的路径,利用基因组和转录组信息鉴定有关的昆虫嗅觉和味觉受体基因,进一步应用异源表达体系以及RNAi 和CRISPR/Cas9基因组编辑技术研究这些基因的功能,揭示昆虫感受该类次生物质的分子基础。 研究新进展 | 菜粉蝶感受甘蓝中黑芥子苷的味觉分子基础 | 王琛柱*, Joop van Loon* | Journal of Comparative Physiology A 2023, doi:10.1007/s00359-023-01684-0 | 这篇特邀综述发表在比较生理学杂志的百年纪念专刊上。100年前,该刊由诺贝尔生理学奖得主Karl von Frisch创刊。作者从历史的角度回顾了Verschaffelt在1910年发表的具有里程碑意义的研究。这位阿姆斯特丹大学的植物学教授发现,专食十字花科植物的粉蝶幼虫把这类植物特有的次生物质----芥子油苷用作寄主标志性刺激物(token stimuli)。这一经典发现为Fraenkel (1959) 阐述植物次生物质的功能,以及Ehrlich和Raven (1964) 提出昆虫-植物共同进化假说提供了关键证据。Schoonhoven (1967) 在大菜粉蝶 (Pieris brassicae)中进一步发现了对芥子油苷高度敏感的味觉受体神经元,为阐明寄主植物特化的化学感觉基础做出了重要贡献。最近对小菜粉蝶(Pieris rapae)感受黑芥子苷的味觉受体的揭示 (Yang et al., 2021),为阐明十字花科植物专食性害虫感受芥子油苷的分子基础铺平了道路。作者最后提出了一种假设模型,用于解释专食性昆虫感受标志性刺激物的标记神经线路的演化过程。 | | 菜粉蝶感受甘蓝中黑芥子苷的味觉分子基础 | 杨军,郭浩,江南纪,唐睿,李国成,黄玲巧,Joop J. A. van Loon,王琛柱 | PLoS Genetics 2021, 17: e1009527 | 芥子油苷类化合物(glucosinolates)是许多十字花科专食性昆虫选择宿主的标志性刺激物,但是这些昆虫选择宿主的分子基础仍然是未知的。作者利用行为、电生理、细胞生物学和分子生物学、组学等技术和方法,从行为、细胞、分子三个水平上研究了菜粉蝶对芥子油苷成瘾的味觉感受机制。结果发现,甘蓝中5种代表性的芥子油苷均可显著刺激菜粉蝶幼虫取食。在菜粉蝶幼虫口器和成虫前足跗节上,鉴定到两类味觉感器,一类对5种测试芥子油苷都敏感,而另一类只对其中的一种或两种芥子油苷敏感。由此推断,菜粉蝶中对芥子油苷的味觉感受细胞可以分为广谱和窄谱两种。 那么,这些味觉感受细胞上表达的受体是如何调谐不同种类的芥子油苷的呢?作者接着利用转录组测序和荧光定量PCR检测,从菜粉蝶雌性成虫味觉器官中筛选到两个高表达的苦味受体基因,PrapGr28和PrapGr15,推测其可能参与芥子油苷的感受。进一步通过爪蟾卵母细胞和双电极电压钳实验,发现只有表达苦味受体基因PrapGr28的卵母细胞对黑芥子苷刺激敏感。为验证这一结果,作者又将该受体基因异源表达在果蝇L-型感器的糖受体Gr5a味觉感受细胞中,成功地赋予了果蝇L-型感器对黑芥子苷的敏感性。最后,作者利用RNA干扰的方法降低菜粉蝶PrapGr28的表达,发现成虫前足跗节味觉感器对黑芥子苷刺激的电生理反应明显降低,证实苦味受体PrapGr28是菜粉蝶中调谐黑芥子苷的味觉受体。 这项成果的取得,获益于传统电生理技术与现代组学和分子生物学手段相结合,为昆虫与植物协同进化理论提供了有力的证据。 | | 首次鉴定小菜蛾感受植物激素油菜素内酯的味觉受体 | 杨科,公信霖,李国成,黄玲巧,宁超,王琛柱 | eLife 2020, 9: e64114 | 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,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。作者发现,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,作者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,作者利用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。 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。 | (2)昆虫的化学通信 除了食性上的不同,棉铃虫和烟青虫的另一特点是它们均以顺11-十六碳烯醛(Z11-16:Ald)和顺9-十六碳烯醛(Z9-16:Ald)构成二元性信息素,但两组分的比例正好相反,分别为97:3和7:93。我们在室内建立了一套独到的棉铃虫和烟青虫种间杂交系统,用来研究棉铃虫与烟青虫相对性状的遗传机制。利用该系统,我们综合运用生物信息学、分子生物学、神经生物学和行为学等技术与方法,研究以下关键性问题:(1)两种昆虫雌性如何产生出比例相反的性信息素?(2)雄性如何对比例相反的性信息素进行嗅觉编码?(3)性信息素通信系统的遗传基础是什么?(4)近缘种昆虫是如何演化的?其生殖隔离机制是什么?(5)如何利用信息素通信机制调节害虫的行为,从而达到防治害虫的目的?对这些问题的研究,还延展到同域发生的其它夜蛾科物种,包括粘虫、草地贪夜蛾等。 此外,棉铃虫齿唇姬蜂寄生棉铃虫和烟青虫的低龄幼虫,是我国黄河流域和长江流域农业害虫的重要天敌昆虫。我们对该种寄生蜂的性信息素及植物招引寄生蜂的信息化学物质进行系统的鉴定,以有效调控寄生蜂选择配偶和寄主昆虫的行为,最大限度地发挥生物防治害虫的作用。 研究新进展 | 我国重要害虫天敌棉铃虫齿唇姬蜂的性信息素通信机制 | 郭浩#,莫宝童#,李国成,李梓琳,黄玲巧,孙亚兰,董钧锋,Dean Smith, 王琛柱* | Proceedings of National Academy of Sciences of the United States of America 2022,119: e2215442119 | 棉铃虫齿唇姬蜂 (Campoletis chlorideae Uchida) 属于膜翅目姬蜂科,是一种广寄生性的内寄生蜂,以棉铃虫 (Helicoverpa armigera)、烟青虫 (Helicoverpa assulta) 等30多种鳞翅目昆虫的低龄幼虫为寄主,广泛分布于我国黄河流域和长江流域,是一种有效控制鳞翅目害虫种群数量的生防因子。该研究系统地阐明了棉铃虫齿唇姬蜂的性信息素通信机制。 作者首先利用气相色谱-触角电位 (GC-EAD),触角电位 (EAG) 和气相色谱和质谱联用 (GC-MS) 技术研究了雌蜂和雄蜂的触角对两性体表提取物的电生理反应。他们发现两种雌蜂体表组分十四醛 (tetradecanal, 14:Ald) 和2-十七烷酮 (2-heptadecanone, 2-Hep) 能够引起雄蜂触角明显的电生理反应,而不能引起雌蜂触角的电生理反应。作者进一步利用Y-型管和交配行为实验证明未交配雄蜂对这两种化合物有明显的趋向反应,而雌蜂对其没有明显的行为反应。用正己烷清洗后的雌蜂失去对未交配雄蜂的吸引能力,而当把这两种化合物涂抹到被清洗过的雌蜂身体上后,雌蜂基本恢复对未交配雄蜂的吸引力。这些结果证明14:Ald和2-Hep (1:4.6) 是棉铃虫齿唇姬蜂的两种性信息素组分。 接下来作者利用果蝇T1神经元表达和单感器记录研究了6个偏雄表达的气味受体的功能,发现表达CchlOR18或者CchlOR47的果蝇T1神经元分别对14:Ald和2-Hep反应。利用RNAi在雄性寄生蜂中敲低两个受体基因中任一个的表达后,雄蜂定位雌蜂的能力明显下降;同时敲低两个受体基因的表达后,雄蜂失去定位雌蜂的能力。这些实验证明了CchlOR18和CchlOR47是分别感受14:Ald和2-Hep的气味受体 (图2)。在前期的工作中,本实验室利用反向化学生态学发现了一种对该寄生蜂雌性具有强烈吸引力的化合物——顺式-茉莉酮 (Z)-jasmone及其气味受体CchlOR62 (Sun et al., 2019)。最后作者通过选择和寄生实验证明性信息素和 (Z)-jasmone可以分别调控雄性和雌性寄生蜂的行为,能明显提高棉铃虫齿唇姬蜂对棉铃虫低龄幼虫的寄生效率。 总之,该研究揭示了棉铃虫齿唇姬蜂性信息素通信机制,鉴定了寄生蜂的首例性信息素受体,为今后系统研究寄生蜂类昆虫的信息素通信机制和物种演化打下了基础。 | | 入侵害虫草地贪夜蛾对性信息素的外周编码 | 郭浩, 公信霖,李国成,莫宝童,江南纪,黄玲巧,王琛柱 | Pest Management Science 2022, 78: 2052-2064 | 作者利用果蝇神经元表达系统、单感器记录和风洞等实验技术和方法,对草地贪夜蛾的信息素受体功能、感器分布和交配行为调控进行了系统性研究。首先,作者利用触角转录组测序在草地贪夜蛾雄性触角中发现6个信息素受体基因,分别为SfruOR6、SfruOR11、SfruOR13、SfruOR16、SfruOR56和SfruOR62。然后,作者利用果蝇OR67d-GAL4把这些受体基因表达到果蝇T1神经元中,用单感器记录研究了这些受体的功能。结果表明,表达SfruOR13的果蝇T1神经元对Z9-14:Ac和顺9,反12-十四碳烯乙酸酯 (Z9,E12-14:Ac) 有很强的反应,对顺9-十二碳烯乙酸酯 (Z9-12:Ac) 也有一定的反应,证实SfruOR13为草地贪夜蛾感受主要性信息素组分Z9-14:Ac的受体。与此同时,作者发现分别表达SfruOR56或SfruOR62的果蝇T1神经元都对次要性信息素组分Z7-12:Ac有特异性反应,但是后者的反应强度明显强于前者的反应强度,由此推测草地贪夜蛾雄性触角中有两类反应强度不同的嗅觉受体神经元对Z7-12:Ac反应。此外,作者还发现表达SfruOR6的T1神经元对Z9,E12-14:Ac有特异性反应;表达SfruOR16的果蝇T1神经元对顺9-十四碳烯醇 (Z9-14:OH)和顺9-十四碳烯醛 (Z9-14:Ald) 有反应;但是表达SfruOR11的T1神经元对30种测试化合物都没有明显的电生理反应。 接下来,作者利用单感器记录在草地贪夜蛾雄性触角上鉴定到4种感器,A、B、C和D型,占比分别为78.08%、9.59%、8.22%和4.11%,其中的B和C型均对Z7-12:Ac有反应。结合感器的电生理反应谱和信息素受体的功能,作者建立了有关信息素受体在感器中的表达模式。鉴于Z9-14:OH和Z9,E12-14:Ac既不是草地贪夜蛾的性信息素组分也不是其性信息素腺体组分,作者进一步研究了这两种化合物对草地贪夜蛾性信息素通信的影响。风洞实验结果表明,Z9-14:OH和Z9,E12-14:Ac为草地贪夜蛾性信息素通信的行为拮抗剂,在保持该物种与其近缘种的生殖隔离上起重要作用。 | | 利用果蝇表达系统对棉铃虫与烟青虫全套信息素受体的功能分析 | 郭浩,黄玲巧,公信霖,王琛柱 | Insect Biochemistry and Molecular Biology 2022, 141:103702 | 棉铃虫雄性触角中表达7个PRs (HarmOR6、HarmOR11、HarmOR13、HarmOR14、HarmOR14b、HarmOR15和HarmOR16 ),而烟青虫雄性触角中表达6个PRs (HassOR6、HassOR11、HassOR13、HassOR14、HassOR14b和HarmOR16)。虽然两种昆虫的部分PRs的功能前期已经报道,例如表达HarmOR13爪蟾卵母细胞对Z11-16:Ald反应 (Liu et al., 2013; Jiang et al., 2014),而表达HassOR14b的细胞对Z9-16:Ald反应 (Yang et al., 2017),但对两个物种全套PRs详细的功能分析尚未见报道。最近,作者利用果蝇T1神经元表达和单感器记录对棉铃虫和烟青虫的PRs的功能进行了系统性的比较研究。结果表明,用果蝇表达系统鉴定的主要配体与前期爪蟾卵母细胞的鉴定结果总体上是一致的,但有的受体在反应谱宽窄上有所不同。两个物种的OR13、OR6和OR14的功能保守,HarmOR13和HassOR13对Z11-16:Ald有特异性的反应,HarmOR6和HassOR6对Z9-16:OH反应,HarmOR14和HassOR14对Z11-16:Ac反应。相比之下,两个物种的OR16和OR14b则发生了功能分化,HarmOR16对Z9-14:Ald和Z11-16:OH反应,而HassOR16主要对Z9-14:Ald反应,丧失了对Z11-16:OH的反应;HarmOR14b对Z9-14:Ald特异性反应,而HassOR14b对Z9-16:Ald、Z9-14:Ald和Z9-16:OH反应。此外,HarmOR15对Z9-14:Ald具有很强的反应。值得一提的是,表达HarmOR11或者HassOR11的神经元对30种信息素类化合物都没有反应。通过此项研究,前期用其它方法鉴定的棉铃虫和烟青虫信息素受体的功能得到了验证,新的受体功能被发现。 | | 两个单氨基酸位点的突变引起两近缘种昆虫性信息素受体功能的改变 | 杨科, 黄玲巧,宁超,王琛柱 | eLife, 2017, 6: e29100 doi: 10.7554/eLife.29100 | 蛾类雄虫具有十分灵敏的嗅觉系统,用来识别雌虫释放的性信息素,实现了同种之间高效的识别以及异种之间的生殖隔离。在昆虫对性信息素的感受过程中,信息素受体发挥着关键性的作用。铃夜蛾属(Helicoverpa)的烟青虫和棉铃虫是我国重要的农业害虫。二者均以顺9-十六碳烯醛(Z9-16:Ald)和顺11-十六碳烯醛(Z11-16:Ald)为二元性信息素组分,但比例正好相反(分别为93:7和3:97)。其中,调谐Z11-16:Ald的信息素受体基因早已鉴定,分别为HassOr13和HarmOr13,但调谐Z9-16:Ald的信息素受体一直是个谜。作者利用爪蛙卵母细胞表达系统和双电极电压钳技术,首次鉴定HassOr14b是调谐烟青虫最主要的性信息素组分Z9-16:Ald的信息素受体基因。通过双色原位杂交实验,明确HassOr14b与HassOr6或HassOr16共定位于烟青虫触角的C型毛形感器中,但在不同的嗅觉感受神经元表达。作为烟青虫的直系同源基因,棉铃虫的HarmOr14b却调谐顺9-十四碳烯醛(Z9-14:Ald)。为了探明这对直系同源基因功能差异的原因,作者制备了一系列HassOr14b突变体,用HarmOr14的氨基酸序列局部和单个位点取代HassOr14b的相应序列。结果发现,位于受体细胞膜内区域的两个氨基酸位点,即F232I和 T355I,共同决定了这一对信息素受体在配体选择性上的差异。由此认为,这两种近缘种昆虫信息素受体功能的特化可来自于少数几个氨基酸位点的替换,这为近缘种昆虫的演化提供了新的思路。 | (3)动物生理生态与行为神经内分泌 - 啮齿动物对环境适应的行为神经内分泌及微生态生理基础
鼠类种群暴发严重危害农牧业生产和人类健康。以我国内蒙草原的重要害鼠为研究对象,实验室和野外研究相结合,采用生理学、行为学、分子生物学、神经生物学和微生态生理学相结合的技术手段,重点研究以下科学问题:(1)肠道菌群如何与宿主相互作用调控鼠类的代谢和产热?(2)鼠类季节性繁殖的神经内分泌基础是什么?(3)早期环境应激如何程序化后代的生理和行为表型?通过对上述问题的回答,揭示鼠类对环境的适应机理,为草原鼠害的生态调控提供理论依据。 研究进展 (#共同第一作者;*通讯作者) | 啮齿动物的肠道微生物群落结构特征反映宿主的系统演化关系 | 张学英#*,Saeid Khakisahneh#,刘伟,张欣怡,翟巍巍,程继龙,John Speakman*,王德华* | National Science Review 2023, 10: nwad209 | 通过研究内蒙古草原的七种啮齿动物物种的野外自然种群和室内饲养种群,不同食物和温度驯化对肠道微生物多样的影响,发现了肠道微生物相似性树与宿主的系统发育关系高度一致,即使在食物和环境温度改变时,这种关系仍然存在,表明肠道微生物结构能够反应宿主的进化特征,具有系统发育共生模式。高温(热浪)驯化引起啮齿动物物种的肠道核心菌群降低26%,荒漠物种降低的程度相对校高,而荒漠物种的代谢率受热浪的影响相对较小,导致荒漠物种代谢表型与肠道微生物之间不匹配关系。进一步分析显示啮齿动物的代谢特征和代谢差异相似性树不具有物种发育关系,表现出对栖息地环境的趋同适应。该研究从生态与进化的角度全面解析了肠道微生物与宿主物种的系统发育关系,阐明了全球日益加剧的热浪对小型哺乳动物个体生理和种群动态的潜在影响,对于理解小型哺乳动物与其肠道微生物群的协同演化关系和功能适应具有重要意义。 | | 人参提取物通过调节肠道微生物和PI3K信号通路改善节律基因表达并降低炎症 | 张学英#*,Saeid Khakisahneh#,Song-Yi Han,Eun-Ji Song,Young-Do Nam*,Hojun Kim* | npj Biofilms and Microbiomes 2024, 10: 24. | 结合“药食同源”理论与“肠道微生态”,研究了药用植物人参对体温和炎症的作用机制。人参作为一种益生元,可以调节甲状腺功能减退大鼠的肠道菌群和代谢物相关受体(如FFAR3和FXR)基因的表达,激活肠道PKA信号通路,刺激褐色脂肪组织、肝脏和肠道组织中节律基因和产热相关基因的表达;抑制LPS激活的PI3K-AKT-IKKα炎症通路,减轻与甲状腺功能减退有关的组织和全身炎症。相比之下,利用L-甲状腺素对甲状腺功能减退大鼠进行治疗,激活肠道组织LPS-TLR4和肽聚糖-Pglyrp1信号通路,导致体温过高、食欲过盛和高度炎症。进一步结合细胞水平的离体实验和药理学实验,验证了人参提取物不仅可以直接作用于小肠隐窝上皮细胞,也可以通过菌群及其代谢产物间接调节细胞的节律基因和炎症基因的表达。该研究验证了药用植物人参的“热效应”是通过激活肠道菌群的代谢产物胆汁酸受体信号通路,降低脂多糖(LPS)激活的PI3K-AKT-IKKα炎症通路发挥作用,揭示了“植物—菌群—鼠类”三者互作对体温和炎症的调控机制,从饮食干预的角度为动物和人类的体温和免疫功能调节提供依据。 | | 荒漠啮齿动物通过“菌群—肠—肾”轴介导渗透压调节 | Zahra Nouri #, 张学英#*, Saeid Khakisahneh, Allan Degen, 王德华*. | npj Biofilms and Microbiomes 2022, 8: 16. | 通过对长爪沙鼠饲喂正常鼠饲料,分别进行4%或8%的高盐饮水处理4周诱导高盐缺水模型,以研究高盐缺水引起的肾脏和肠道生理和肠道微生态的变化;另外对8%高盐摄入的动物移植正常动物来源的肠道菌群,并继续饮用8%的高盐水,以研究正常动物的肠道菌群是否能够缓解高盐摄入引起的损伤。 研究发现,高盐摄入导致动物的摄食量和饮水量明显降低,动物处于负能量平衡状态,并产生少量的高度浓缩尿;高盐动物通过提高肠道和肾脏组织上皮细胞中水通道蛋白2(AQP2)的表达增加细胞对水分的重吸收,降低α-钠通道蛋白(α-ENaC)的表达提高细胞的排钠能力。高盐摄入引起肠道菌群的多样性降低,菌群组成结构发生改变,特定细菌如理研菌属(Rikenella)和克里斯坦森氏菌(Christensenella,具有降低胆固醇功能)的相对丰度明显降低,而与炎症和结直肠癌有关的阿托波氏菌属(Atopobium)明显升高,血清炎症因子水平明显升高。菌群移植能够重塑肠道微生态,例如罗伊氏乳杆菌(Lactobacillus reuteri)明显升高,而狄氏副拟杆菌(Parabacteroides distasonis)和普雷沃氏菌属(Prevotella copri)相对丰度明显降低,这些特定细菌的变化伴随丁酸盐浓度明显升高,而乙酸盐浓度相对降低;移植正常菌群的高盐动物能量代谢、渗透调节和炎症水平等得以恢复或缓解。 该研究阐明了“菌群—肠—肾”轴对荒漠啮齿动物耐受高盐的调节机制,揭示了肠道菌群与宿主的协同进化对动物能量代谢、水盐调节的重要生理意义,为人类高盐饮食对机体危害的预防和治疗提供理论依据和可能的干预措施。 | | 肠道菌群介导抱团取暖节省能量的机制 | 张学英,Gansukh Sukhchuluun,薄亭贝,迟庆生,Jun-Jie Yang,Bin Chen,Lei Zhang,王德华* | Microbiome 2018, 6:103. | 社会性动物(包括人类)具有群居生活的习性。群居生活的益处是能够提高动物获得食物的可能性、缓解压力、降低被捕食风险,以及提高自身和群体的适合度。聚群行为(Huddling)是社会性动物在恶劣环境下为提高自身适合度进化出的一种合作适应性行为。社会性体温调节(Social thermoregulation)假说认为聚群行为可以通过减少体表面积与体积之比率以减少热量散失而节约能量。该研究从生理能量学角度揭示了小型哺乳动物的聚群行为可通过降低代谢产热和降低体温从而降低动物对能量的需求,为聚群行为调节产热提供了生理学证据,对传统的社会性体温调节假说做了更深入细致的解释。 动物的生活方式可能会对其肠道菌群产生影响。对聚群行为的进一步研究发现,动物的聚群行为能够引起肠道菌群的丰富度和多样性升高,增加有益菌而降低有害菌的相对丰度,提高代谢产物短链脂肪酸的含量,短链脂肪酸作为宿主的能量底物,从而降低能量需求;通过菌群移植实验验证了肠道菌群能够介导宿主的能量和体温调节。该研究发现了动物的聚群行为能够改善肠道微生态,提高代谢产物短链脂肪酸含量为动物提供能量,验证了低温聚群节省能量的假说并揭示了其微生态机制,阐释了宿主和肠道菌群的协同进化赋予动物行为产热的代谢益处,开拓了动物生理生态学学科一个新的方向。 | |
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