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)。
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，**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)。
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)。
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、南京农业大学国际合作培育项目和江苏省博士生科研创新计划资助。
相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.cub.2020.08.047