两型飞蝗对群聚信息素编码处理的神经机制

The migratory locust (Locusta migratoria), an important agricultural pest distributed in the world, shows the striking aggregative behavior, which results in the plague. The pivotal step in the large locust aggregation is the initial shift from mutual repulsion of solitarious individuals to attraction to each other in gregarious ones. Previous study has shown that the key genes in the antenna of the migratory locust, such as chemosensory proteins (CSPs), takeout, and olfactory receptors (ORs) mediate the olfactory perception in the gregarious and solitarious locusts. However, how does the central nervous system integrate, transmit, and process the external information, and what neural mechanisms underlie these processes remained to be elucidated. Thus, the present study aims to comprehensively utilize various kinds of neural recording methods, clarify the key components and proportion of the aggregation pheromone, explore the global response patterns to olfactory stimuli in the antennal lobe, determine the neuron types and their response patterns, and systematically reveal the neural mechanisms underlying the olfactory behaviors in Locusta migratoria. These results will enrich and expand the theory system of locust phase change, and provide new insights for better understanding neurophysiological mechanisms underlying behavioral plasticity during animal aggregation. Moreover, this study will provide technical support for inhibiting locust aggregation and plague.

飞蝗是世界性的重大农业害虫，其大规模群聚是导致蝗灾的重要因子。而飞蝗大规模群聚的最关键步骤是从散居型的互相排斥向群居型的彼此吸引的转变。前期研究发现，外周系统触角中的化学感受蛋白、嗅觉受体等重要基因介导了两型飞蝗的嗅觉感知差异。然而，飞蝗的中枢神经系统是如何整合，传递，处理外界信息以及此过程中的调控机制目前还不清楚。因此，本项目旨在综合利用多种神经记录分析手段，鉴定引起两型飞蝗嗅觉行为差异的信息素的关键组分与配比，明确两型飞蝗触角叶对嗅觉刺激的总体反应模式，阐明参与飞蝗差异嗅觉行为调控的神经元类型及其在飞蝗嗅觉行为中的调控模式，从而揭示两型飞蝗中枢系统对外界刺激的反应差异及其神经调控机制。这些结果不仅可以丰富和拓展蝗虫型变的理论体系，为我们深入理解动物的表型可塑性以及大规模群聚的发生机制提供重要的理论基础；同时还可以为抑制蝗虫群聚发生提供技术支撑。

飞蝗的大规模群聚是蝗灾形成的重要因子，而此过程的关键步骤是由散居型互相排斥向群居型彼此吸引的行为转变。群居型飞蝗的体表挥发物是诱导群散飞蝗差异行为的刺激因子，然而其中能够诱导群散飞蝗差异行为的关键成分以及内在的神经编码机制目前还不清楚。我们通过群散飞蝗体表挥发物重要成分的定量分析发现6种化合物包括苯乙腈，苯乙醛，4-乙烯基苯甲醚，苯乙醇，苯甲醚与2,5-二甲基吡嗪在群居型中显著上调，2种化合物包括愈创木酚与己酸在散居型中更高，4种化合物包括苯酚，苯甲醛，戊酸与藜芦醇在群散飞蝗之间没有差异。触角电生理反应检测表明飞蝗对12种气味均有明显的电生理反应，其中引起群散飞蝗反应差异的包括苯乙腈，苯乙醇，苯酚，苯甲醚，4-乙烯基苯甲醚，戊酸，己酸。此外，通过行为双选实验我们发现飞蝗只对其中3种化合物产生嗅觉偏好反应，包括苯乙腈与愈创木酚诱导的排斥反应，以及4-乙烯基苯甲醚诱导的吸引反应。群散飞蝗对不同浓度苯乙腈的行为检测结果表明群居型飞蝗对低浓度苯乙腈就开始产生排斥反应，而散居型在相同浓度下没有明显偏好，群居型飞蝗较散居型飞蝗对苯乙腈更为敏感。不仅如此，我们发现群居型飞蝗触角叶神经元对苯乙腈的反应类型与数量更多，其神经元总体反应模式也强于散居型。这些结果表明苯乙腈是诱导群散飞蝗行为差异的关键组分，这种行为差异可能是中枢系统触角叶神经元的反应差异介导的。这些结果为我们进一步揭示群散飞蝗对关键气味的行为与神经可塑性提供了明确的线索和坚实的基础。