气味结合蛋白在棉铃虫生殖系统中的功能研究

Olfaction plays a crucial role in survival and reproduction of moths, and in particular odorant-binding protein (OBP) is an essential element for noctuid sensation and recognition. Previous studies from noctuid species were primarily focused on functions of the OBPs predominantly expressed in important chemosensory organs like antennae, and on the contrary, their functional studies have been rarely conducted in reproduction-associated non-olfactory organs. For this project we will focus on Helicoverpa armigera, an important pest in agriculture and forestry. In our previous work, five OBP genes were specifically and highly expressed in male reproductive system but no detection in females. Here in vitro and in vivo the techniques of PCR, proteomics and CRISPR-Cas9 will be employed to investigate the expression profiles of these OBPs in different tissues of both sexes, transfer of these OBPs after mating as well as these OBPs-mediating female reproductive and behavioral responses after purified OBPs are injected into virgin females or mutant-OBP males mate with wild females. Further, these OBP functions will be addressed in male reproductive system and mated females. The expected results cannot only elucidate OBP physiological functions in male reproduction of H. armigera and other noctuid species, but also provide a theoretical support for the design and development of related technologies based on sexual selection and female and male sterility.

蛾类昆虫的嗅觉在其生存和繁衍中起着重要的作用，其中气味结合蛋白（OBP）在夜蛾科昆虫的嗅觉感受和识别中更是必不可少。以往研究较多地关注夜蛾科昆虫触角等重要化感器官中OBP的功能，而对于其OBP在生殖系统等非嗅觉器官中的功能研究甚少。本项目拟以重要农林害虫棉铃虫为对象，在我们前期鉴定出5个在雄虫生殖系统有表达，但在雌虫生殖系统未检测到表达的OBP基因的基础上，进一步利用PCR、蛋白组学、CRISPR-Cas9等体外和体内研究技术分别研究该类OBP在雌雄不同组织的表达谱、雌雄交配后该类OBP的转移情况、以及注射纯化OBP至处女雌虫或敲除OBP的雄虫与野生型雌虫交配后对雌虫生殖和行为影响，综合探讨棉铃虫雄虫生殖系统中OBP的功能及其在雌虫生殖和行为中的重要作用。研究结果不仅可以阐明棉铃虫和其他夜蛾科昆虫雄虫生殖系统中OBP的生理功能，而且为基于性选择、雌雄不育等技术的设计和开发提供理论指导。

棉铃虫是一种重要的世界性农林害虫，其幼虫具有食性杂、寄主范围广等特点，雌虫具有多次交配现象。以往关于棉铃虫气味结合蛋白（OBP）基因的研究主要集中在嗅觉方面，其在生殖生理中的作用研究甚少。本研究基于棉铃虫的基因组和转录组数据，采用生物信息学、分子生物学、行为学等技术研究了以下主要内容：1）重新注释和鉴定了棉铃虫的OBP基因；2）比较了多食性棉铃虫与寡食性和单食性鳞翅目昆虫OBP基因的数量差异；3）研究了棉铃虫等鳞翅目昆虫OBP基因的进化及功能；4）研究了棉铃虫雄虫生殖系统特异或高表达OBP基因及其交配转移机制、交配转移后对雌虫生殖的调控机制。研究取得的重要结果包括：1）棉铃虫一共有61个OBP基因，新鉴定到21个基因；2）基因结构和进化分析表明，棉铃虫同一亚家族OBP基因结构具有保守性，且在染色体上呈聚类分布，可能通过基因的复制而产生；3）棉铃虫等夜蛾科多食性昆虫在Plus-C OBPs和ABP I亚家族具有明显的基因扩增现象，而蝶类寡食性或单食性昆虫则主要在Minus-C OBPs亚家族存在基因的扩增现象，暗示鳞翅目昆虫OBP基因的数量大小与其寄主多样性有关； 4）从45个鳞翅目昆虫中一共鉴定到2193个OBP基因，首次对鳞翅目昆虫的OBP基因进行了大规模的注释和进化分析；5）棉铃虫的HarmPBP4、OBP21、OBP26和OBP30存在交配转移现象，可能参与调控雌虫生殖相关的行为。研究结果不仅明确了棉铃虫的OBP基因在雌虫生殖调控中具有重要作用，而且阐明了鳞翅目昆虫OBP基因的数量大小与其寄主范围具有相关性。因此，结果对于鳞翅目昆虫OBP基因的进化研究具有重要参考价值，同时为基于性选择或昆虫不育技术的研发提供理论指导。