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          揭秘菜粉蝶感受甘藍中黑芥子苷的味覺分子基礎

            植物中數量龐大且結構復雜的次生物質構成每種植物獨特的味道。這些次生物質大多對植食性昆蟲有防御作用,阻礙昆蟲的取食。然而有的昆蟲非但不受其影響,反而把它們作為識別寄主植物的標志刺激物。取食十字花科植物的多種專食性昆蟲就是如此。

            菜粉蝶(Pieris rapae)是一種世界性的重要農業害蟲,嗜食百姓日常食用的甘藍、花椰菜、油菜、白菜、蘿卜等十字花科蔬菜。其主要原因是菜粉蝶對這些植物中特有的一類次生物質—芥子油苷(glucosinolates)取食成癮。該類物質可以激發菜粉蝶幼蟲口器和成蟲跗節上特別的味覺感受細胞產生神經放電,刺激幼蟲取食和成蟲產卵。這些味覺感受細胞中表達的味覺受體(gustatory receptor, Gr),對特異性識別不同種類的芥子油苷起關鍵作用??茖W家為揭開菜粉蝶對芥子油苷味覺成癮之謎做了大量工作,但對感受芥子油苷的味覺受體的了解一直處于空白。

            2021年7月15日,中國科學院動物研究所王琛柱團隊在PLoS Genetics發表題為“Identification of a gustatory receptor tuned to sinigrin in the cabbage butterfly Pieris rapae”的研究論文,首次揭示了菜粉蝶感受一種重要的芥子油苷----黑芥子苷(sinigrin)的味覺受體。

            該團隊利用行為、電生理、細胞生物學和分子生物學、組學等技術和方法,從行為、細胞、分子三個水平上研究了菜粉蝶對芥子油苷成癮的味覺感受機制。他們發現,甘藍中5種代表性的芥子油苷均可顯著刺激菜粉蝶幼蟲取食。在菜粉蝶幼蟲口器和成蟲前足跗節上,鑒定到兩類味覺感器,一類對5種測試芥子油苷都敏感,而另一類只對其中的一種或兩種芥子油苷敏感。由此推斷,菜粉蝶中對芥子油苷的味覺感受細胞可以分為廣譜和窄譜兩種。

            那么,這些味覺感受細胞上表達的受體是如何調諧不同種類的芥子油苷的呢?他們接著利用轉錄組測序和熒光定量PCR檢測,從菜粉蝶雌性成蟲味覺器官中篩選到兩個高表達的苦味受體基因,PrapGr28PrapGr15,推測其可能參與芥子油苷的感受。進一步通過爪蟾卵母細胞和雙電極電壓鉗實驗,發現只有表達苦味受體基因PrapGr28的卵母細胞對黑芥子苷刺激敏感。為驗證這一結果,他們又將該受體基因異源表達在果蠅L-型感器的糖受體Gr5a味覺感受細胞中,成功地賦予了果蠅L-型感器對黑芥子苷的敏感性。最后,他們利用RNA干擾的方法降低菜粉蝶PrapGr28的表達,發現成蟲前足跗節味覺感器對黑芥子苷刺激的電生理反應明顯降低,證實苦味受體PrapGr28是菜粉蝶中調諧黑芥子苷的味覺受體。

            中國科學院動物研究所博士后楊軍為該論文的第一作者,王琛柱研究員為通訊作者,郭浩、江南紀、唐睿、李國成、黃玲巧,以及瓦赫寧根大學Joop J. A. van Loon教授參與該課題的研究。這項成果的取得,獲益于傳統電生理技術與現代組學和分子生物學手段相結合,為昆蟲與植物協同進化理論提供了有力的證據。該研究得到中國科學院先導專項培育項目和國家自然科學基金項目的資助。

            與此同時,PLoS Genetics同期發表了美國加州大學伯克利分校Noah K. Whiteman 和Julianne N. Peláez教授對該研究的前瞻性評述,認為這項研究是在植食性昆蟲的神經行為學和感覺生態學領域取得的重要進展,對全面揭示十字花科專食性昆蟲對芥子油苷成癮的味覺分子基礎,以及植食性昆蟲復雜的味覺系統的秘密邁出了堅實的一步。

            論文鏈接:https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1009527;評論文章的鏈接:https://journals.plos.org/plosgenetics/article?id=10.1371/journal.pgen.1009616

          圖1 菜粉蝶成蟲和幼蟲識別寄主植物次生物質芥子油苷的味覺感受機制。圖片引自Whiteman和Peláez (2021)。

          圖2 菜粉蝶感受黑芥子苷的味覺受體鑒定。

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