国科大博士生导师王琛柱团队揭秘菜粉蝶感受甘蓝中黑芥子苷的味觉分子基础

  • 文图/王琛柱研究组 (中国科学院动物研究所)
  • 创建于 2021-07-27
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  植物中数量庞大且结构复杂的次生物质构成每种植物独特的味道。这些次生物质大多对植食性昆虫有防御作用,阻碍昆虫的取食。然而有的昆虫非但不受其影响,反而把它们作为识别寄主植物的标志刺激物。取食十字花科植物的多种专食性昆虫就是如此。

  菜粉蝶(Pieris rapae)是一种世界性的重要农业害虫,嗜食百姓日常食用的甘蓝、花椰菜、油菜、白菜、萝卜等十字花科蔬菜。其主要原因是菜粉蝶对这些植物中特有的一类次生物质—芥子油苷(glucosinolates)取食成瘾。该类物质可以激发菜粉蝶幼虫口器和成虫跗节上特别的味觉感受细胞产生神经放电,刺激幼虫取食和成虫产卵。这些味觉感受细胞中表达的味觉受体(gustatory receptor, Gr),对特异性识别不同种类的芥子油苷起关键作用。科学家为揭开菜粉蝶对芥子油苷味觉成瘾之谜做了大量工作,但对感受芥子油苷的味觉受体的了解一直处于空白。

  2021年7月15日,中国科学院大学博士生导师、中国科学院动物研究所王琛柱团队在PLoS Genetics发表题为“Identification of a gustatory receptor tuned to sinigrin in the cabbage butterfly Pieris rapae”的研究论文,首次揭示了菜粉蝶感受一种重要的芥子油苷----黑芥子苷(sinigrin)的味觉受体。

  该团队利用行为、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。他们发现,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?他们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,PrapGr28PrapGr15,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,他们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,他们利用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。

  中国科学院动物研究所博士后杨军为该论文的第一作者,王琛柱研究员为通讯作者,郭浩、江南纪、唐睿、李国成、黄玲巧,以及瓦赫宁根大学Joop J. A. van Loon教授参与该课题的研究。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。该研究得到中国科学院先导专项培育项目和国家自然科学基金项目的资助。

  与此同时,PLoS Genetics同期发表了美国加州大学伯克利分校Noah K. Whiteman 和Julianne N. Peláez教授对该研究的前瞻性评述,认为这项研究是在植食性昆虫的神经行为学和感觉生态学领域取得的重要进展,对全面揭示十字花科专食性昆虫对芥子油苷成瘾的味觉分子基础,以及植食性昆虫复杂的味觉系统的秘密迈出了坚实的一步。

  论文链接:https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1009527;评论文章的链接:https://journals.plos.org/plosgenetics/article?id=10.1371/journal.pgen.1009616

图1 菜粉蝶成虫和幼虫识别寄主植物次生物质芥子油苷的味觉感受机制。图片引自Whiteman和Peláez (2021)。

图2 菜粉蝶感受黑芥子苷的味觉受体鉴定。

责任编辑:高塬