飞蝗感知促成熟信息素的神经分子机制

During the processes of locust swarming formation, gregarious locusts usually display high developmental synchrony to keep collective activity in large aggregation. Previous studies have suggested that chemical communication plays important roles in developmental synchrony of the locusts. However, the detailed mechanisms remain largely unknown. To reveal the neural and molecular mechanisms underlying the regulation of maturation-accelerating pheromone in developmental synchrony of female locust adults, we will carry out our experiments involved in multiple levels including signal, behavior, neuron, and gene through using integrative techniques, such as ethology, chemical ecology, neurobiology, ‘-mics’ and so on. We will investigate the olfactory pathway mediating locust developmental synchrony through identifying key compounds of maturation-accelerating pheromones, resolving neural circuitry of olfactory perception and coding, and uncovering related molecular pathways. This project will provide insight into understanding the mechanisms of locust swarming and help us to look for novel control techniques and strategies of locust plagues.

在大规模蝗群的形成和蝗灾发生过程中，群居型飞蝗个体往往表现出较高的发育成熟整齐度，来保证群体活动的同步性。化学通讯在飞蝗维持发育整齐度的作用已有报道，但其具体机制仍待深入阐释。基于前期研究，我们拟综合运用行为学、化学生态学、神经生物学和‘组学’技术，从嗅觉信号-行为-神经-基因等多个层次水平上，通过鉴定信息素关键组分、解析信号感受和编码的神经环路以及明确相关的分子通路，来揭示飞蝗促成熟信息素的嗅觉感知和神经分子机制。本项目的实施将深化对飞蝗聚群和发育同步性的理解，为寻找新的蝗灾治理策略和方法提供理论依据。

发育同步性是飞蝗聚群和大规模集群迁飞的重要生物学基础。基于任务书的内容，本项目顺利完成既定目标，解析了群居飞蝗雌性性成熟同步性的外周感知和神经内分泌机制。通过对群散两型产卵及性成熟度比较分析，明确了群居飞蝗成虫雌性具有更高的性成熟一致性，而散居飞蝗雌性和嗅觉受体共受体Orco突变体雌性产卵及性成熟一致性较差。性别控制实验结果显示，群居雄性飞蝗体表挥发物对雌性性成熟具有显著的加速效应。进一步的气味消减实验验证发现群居雄性飞蝗高挥发的4-乙烯基苯甲醚（4-VA）具有显著的促成熟效应，但该效应在OR35突变中缺失。我们发现4-VA通过促进羽化后3-4天的雌性个体性成熟度提高群居飞蝗雌性发育的同步性。转录组分析及后续分子生物学验证结果显示，保幼激素信号通路介导了4-VA对雌性飞蝗的促成熟作用。这一工作揭示了嗅觉信号在飞蝗性成熟同步性的作用和调控机制。通过CRISPR/CAS9技术进行基因敲除实验，我们发现了OR35移码插入缺失可以通过影响mRNA前体的剪切，诱导部分或者全部的外显子跳跃现象。此外，我们鉴定了17个气味结合蛋白的编码基因，并分析了这些基因在群散两型飞蝗中的表达差异。这些研究为揭示群散飞蝗生殖一致性差异机理研究奠定了基础，本项目共发表SCI论文7篇。培养博士研究生3名，硕士研究生2名。