近日，西南大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院王進(jìn)軍教授團(tuán)隊(duì)在橘小實(shí)蠅交配和覓食行為調(diào)控機(jī)制研究方面取得新進(jìn)展，研究發(fā)現(xiàn)神經(jīng)肽Sulfakinin（Sk）激活其特異性受體Sulfakinin Receptor1（SkR1）重塑外周嗅覺調(diào)控覓食和交配行為之間的轉(zhuǎn)換。相關(guān)研究內(nèi)容以“The Neuropeptide Sulfakinin, a peripheral regulator of insect behavioral switch between mating and foraging”為題在線發(fā)表于生物學(xué)知名期刊eLife。

橘小實(shí)蠅是一種嚴(yán)重威脅果蔬產(chǎn)業(yè)的入侵害蟲，其生態(tài)適應(yīng)性和行為可塑性極強(qiáng)。昆蟲的覓食和交配行為對其資源分配、種群繁衍至關(guān)重要。闡明覓食和交配行為轉(zhuǎn)換的調(diào)控機(jī)制對研發(fā)新型害蟲行為控制策略具有重要意義。該團(tuán)隊(duì)前期研究發(fā)現(xiàn)，饑餓能夠促進(jìn)橘小實(shí)蠅從交配行為向覓食行為轉(zhuǎn)換。并且隨饑餓時(shí)間增加，橘小實(shí)蠅覓食成功率顯著增加，但求偶和交配率均顯著降低。EAG測定結(jié)果表明，覓食和交配之間的行為轉(zhuǎn)換與橘小實(shí)蠅觸角嗅覺敏感性的變化有關(guān)。饑餓試蟲對食物氣味更加敏感，同時(shí)抑制了對異性信息素的反應(yīng)。

圖1. 饑餓誘導(dǎo)橘小實(shí)蠅覓食和交配行為轉(zhuǎn)換

為了明確覓食和交配行為轉(zhuǎn)換的調(diào)控因子，該研究團(tuán)隊(duì)比較了飽腹和饑餓橘小實(shí)蠅觸角中神經(jīng)肽信號的表達(dá)譜，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Sulfakinin神經(jīng)肽信號系統(tǒng)在饑餓試蟲觸角中上調(diào)倍數(shù)最大。采用CRISPR技術(shù)敲除神經(jīng)肽Sulfakinin或受體SkR1后，饑餓處理突變體12小時(shí)既不能增強(qiáng)覓食行為，也無法抑制交配行為。這表明，Sk-SkR1信號系統(tǒng)促進(jìn)覓食的同時(shí)抑制交配，是饑餓誘導(dǎo)橘小實(shí)蠅從交配行為轉(zhuǎn)換至覓食行為所必需的。

圖2. Sk-SkR1信號系統(tǒng)是饑餓誘導(dǎo)橘小實(shí)蠅觸角嗅覺敏感性和行為轉(zhuǎn)換所必需的

經(jīng)突變體與野生型試蟲觸角的比較轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)3個(gè)氣味受體（OR）基因表達(dá)量上調(diào)、2個(gè)OR基因下調(diào)。利用基于哺乳動物細(xì)胞鈣離子成像技術(shù)對差異表達(dá)OR基因進(jìn)行功能表征，結(jié)果表明OR7a.4、OR7a.8和OR10a與寄主揮發(fā)物感受有關(guān)，OR49a和OR63a與性信息素感受有關(guān)。進(jìn)一步利用免疫組化技術(shù)分析表明，SKR1廣泛分布于觸角感器下的神經(jīng)元中，并與嗅覺神經(jīng)元高度重疊。據(jù)此，我們推斷Sk-SkR1信號系統(tǒng)直接抑制了觸角嗅覺神經(jīng)元中負(fù)責(zé)性信息素受體基因的表達(dá)，同時(shí)增強(qiáng)了食物揮發(fā)物受體基因的表達(dá)。

圖3. 橘小實(shí)蠅嗅覺反應(yīng)的轉(zhuǎn)變與Sk-SkR1信號系統(tǒng)在觸角嗅覺神經(jīng)元中調(diào)控不同OR的表達(dá)有關(guān)

至此，研究小組提出一個(gè)由神經(jīng)肽Sulfakinin及其受體在外周嗅覺系統(tǒng)調(diào)控昆蟲覓食和交配行為轉(zhuǎn)換的新機(jī)制。如下圖所示，饑餓會增加觸角嗅覺神經(jīng)元中SkR1的表達(dá)豐度，增強(qiáng)的Sk-SkR1信號系統(tǒng)直接抑制了觸角嗅覺神經(jīng)元中性信息素受體基因的表達(dá)，同時(shí)增強(qiáng)了食物揮發(fā)物受體基因的表達(dá)，最終驅(qū)動覓食和交配的行為轉(zhuǎn)換。

圖4. SK-SKR1在觸角嗅覺神經(jīng)元中重塑橘小實(shí)蠅嗅覺的機(jī)制圖

博士生栗洪飛為第一作者，Yoonseong Park教授，王進(jìn)軍教授和蔣紅波教授為共同通訊作者，西南大學(xué)為第一完成單位，博士生董寶、彭媛媛、碩士生羅浩月、歐小蘭和本科生任證霖參與本研究工作。該研究項(xiàng)目得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系和重慶市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目的資助。

論文鏈接： https://doi.org/10.7554/eLife.100870.1

王進(jìn)軍教授團(tuán)隊(duì)長期從事害蟲生物生態(tài)學(xué)、生理生化、分子生態(tài)學(xué)和防控技術(shù)研究，取得了一系列研究進(jìn)展，部分成果已先后在PNAS、BMC Biology、Communications Biology、PLoS Genetics、Current Opinion in Biotechnology等高水平刊物上發(fā)表論文多篇，為推動學(xué)科建設(shè)及人才培養(yǎng)積極貢獻(xiàn)力量。