棉铃虫和烟青虫对性信息素的嗅觉编码及其遗传基础

雄性被雌性性信息素引诱是蛾类昆虫的一种简单、高效的空间定向行为形式，非常适合研究神经活动与行为之间的关系。近缘种棉铃虫和烟青虫是我国重要农业害虫，其性信息素均由Z11-16:Ald和Z9-16:Ald组成，但比例相反，分别为97:3和7:93。本项目拟围绕两种蛾特有的性信息素嗅觉环路，从个体行为、触角外周神经编码和中枢触角叶编码三个层次，研究：1）与性信息素相关的嗅觉感受神经元（OSN）的感受特性和受体蛋白的功能；2）OSN在触角叶内神经纤维球的投射及与其相耦联的投射神经元(PN)和局部神经元（LN）的反应特征及突触连接特性，阐释昆虫如何编码处理比率不同的气味混合物的机制。利用特有的种间杂交体系，研究两种蛾性信息素编码差异的遗传基础。该项目研究结果不仅对于阐明动物对混合物的嗅觉编码及其遗传基础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。

蛾类雄虫具有十分灵敏的嗅觉系统，用来识别雌性释放的性信息素。这一特点也被人类用来有效监测和防治该类害虫的切入点。本项目以两个近缘种棉铃虫和烟青虫及其种间杂交代为材料，着眼于其高效的性信息素通讯系统，从个体行为、外周神经编码和中枢神经编码三个层次，系统地阐明了两种蛾如何感受和识别组分相同但比例截然相反的性信息素，并利用种间杂交系统揭示了两种蛾感受性信息素的遗传基础，在本领域国际重要SCI刊物发表10篇论文，圆满完成了计划任务。取得如下重要结果：（1）发现两种昆虫对相反比例信息素气味流的外周编码决定于单个神经元的放电频率及各类OSNs在触角上的相对丰度,在中枢触角叶表现为α、β和γ三个神经纤维球的活性，α、β接收性信息素组分信息，γ接受行为拮抗剂信息；（2）明确了一整套信息素受体蛋白的功能，发现信息素受体在雄性蛾性信息素识别中发挥关键作用，而信息素结合蛋白虽有重要作用但对双键位置无选择性；（3）证实感受性信息素的感器有A、B、C三型，并进一步发现B型感器还分B1，B2两个亚型，C型感器分C1，C2和C3三个亚型，表明同一型感器内表达的信息素受体可能不同；（4）揭示了Z9-14:Ald在低剂量为棉铃虫性信息素的增效剂，高剂量为行为拮抗剂；Z11-16:Ac为烟青虫性信息素的增效剂，Z9-14:Ald和Z9-16:OH为行为拮抗剂，其中性信息素组分Z11-16:Ald和Z9-16:Ald（低剂量Z9-14:Ald）信号在脑中触角叶激活α和β两个神经纤维球，行为拮抗剂均在脑中触角叶激活γ神经纤维球；（5）阐明棉铃虫和烟青虫对性信息素感受性状的遗传，棉铃虫的等位基因呈显性，但烟青虫的基因通过种间杂交渗入到子代中。研究结果不仅深入揭示了蛾类昆虫对性信息素编码的嗅觉机制，还对于利用性信息素对害虫种群的监测和防治中的应用提供了重要基础。