多食性棉铃虫与寡食性烟青虫的味觉编码模式比较

Host-plant selection by phytophagous insects is the core subject in agricultural entomology. The sense of taste plays a vital role in host-plant recognition, but the differences in taste coding among polyphagous, oligophagous and monophagous insect species are still unclear. Helicoverpa armigera and H. assulta are sibling pest species but have different host ranges. H. armigera is a typical polyphagous species, while H. assulta is an oligophagous species, just feeding on several plant species in Solanaceae. In this project, we will use this ideal system to test the hypothesis about taste coding patterns of generalist and specialist herbivores we propose, reveal the gustatory coding mechanisms from peripheral and central levels. We plan to carry out this comparative study in three aspects: (1) characterizing the stimulant cells and deterrent cells in the gustatory sensilla of the two species and investigate the related behaviors; (2) identifying the important gustatory receptors and their function by using heterologous expression systems; (3) examining the neural activities in the suboesophageal ganglion of the two species by in vivo calcium imaging. The results will not only provide insights into taste coding mechanisms in phytophagous insects, but also result in new practical methods of insect pest management.

植食性昆虫如何选择寄主植物是农业昆虫学研究的核心问题。味觉在昆虫寄主选择中发挥重要作用，但广食性与专食性昆虫的味觉编码模式有何差异所知有限。近缘种棉铃虫和烟青虫是重要农业害虫，前者为多食性，后者寡食性。本项目拟以这两个近缘种为材料，在行为、外周神经编码和中枢咽下神经节编码三个层次上做比较研究，检验我们提出的"昆虫广食与专食的味觉编码模式"假设，尝试味觉中枢神经活性检测新方法。我们前期的工作已经用电生理和分子生物学技术鉴定到两个种的部分味觉细胞和受体，本项目将以此为基础，（1）全面鉴定两种昆虫感器内激味细胞和碍味细胞的生理反应特征及相关行为；（2）用异体表达系统研究重要味觉受体蛋白的特性及其功能；（3）用活体钙成像探索味觉信号在昆虫味觉中枢咽下神经节的神经活性模式。本项目研究不仅对于阐明植食性昆虫的味觉编码机制具有重要的理论意义，而且对于寻找害虫防治的新途径和新方法具有重要的实用价值。

本项目以广食性的棉铃虫和专食性的烟青虫这两个近缘种为材料，从分子、细胞和行为三个层面系统研究了两种昆虫对寄主植物的味觉感受机制，检验了我们提出的“昆虫广食与专食的味觉编码模式”假说。主要研究结果包括：（1）鉴定到棉铃虫味觉受体基因160个，烟青虫味觉受体基因111个，其中棉铃虫和烟青虫共同表达的糖受体基因有4个，棉铃虫比烟青虫还多两个，二氧化碳受体基因在二近缘种之间没有差异，均是3个（GR1, GR2,和GR3），苦味受体基因数量在二近缘种间差异很大，棉铃虫和烟青虫分别为77个和30个；（2）阐明了感受果糖和蔗糖的味觉受体功能，前者以单受体起作用，后者以多受体组合起作用；（3）确认了感受二氧化碳的两个味觉受体功能，由GR1与GR3组合发挥作用；（4）揭示了若干重要苦味受体的功能，由此解释芥子油苷和尼古丁等苦味物质对两种昆虫取食的抑制作用；（5）明确了两种昆虫对植物化学物质的味觉生理反应及相关行为，发现不同味觉器官如触角、足、喙、产卵器、口器等的味觉反应谱有差异；（6）探索了植物化学信号在两种昆虫对寄主植物选择中的作用及对其寄生蜂棉铃虫齿唇姬蜂的影响，明确法尼烯和茉莉酮可在棉铃虫生物防治中发挥作用；（7）在SCI杂志已发表8篇论文，其中在Insect Biochemistry and Molecular Biology发表4篇，Insect Molecular Biology、Scientific Reports、International Journal of Biological Sciences、Arthropod-Plant Interactions各发表一篇。结果不仅对于阐明植食性昆虫的味觉编码机制具有重要的理论意义，而且对于寻找害虫防治的新途径和新方法具有重要的实用价值。项目执行中已培养2名博士后和2名博士生。