烟青虫产卵器上嗅觉受体参与感受植物挥发物

大家好，好久没有更新了，看这标题，我老UC了。前几天室里举办了研究生评优答辩，感觉和大家的差距还是蛮大的，无论是工作量还是思路上，我觉得自己还是要抓住生物学问题，而不是针对数据本身，如何找到一个好的科学问题，似乎是解开一切问题最关键的地方。

好的，下面进入正题，今天分享的文献是我们组李睿婷师姐刚刚发表在eLife上的文章^[1]，首先恭喜师姐，接下来我将尽可能详尽的介绍这篇文章，文章的专业性可能比较强，大家可以按需浏览。

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烟青虫属于鳞翅目夜蛾科铃夜蛾属昆虫，主要取食烟草，辣椒等少数茄科植物，是我国的主要农业害虫本文主要研究烟青虫雌性产卵器上嗅觉受体的表达以及帮助雌蛾寻找产卵寄主植物。

Abstract：

通过对烟青虫性信息素腺体-产卵器(PG-OV)进行转录组测序，分析得到HassOR31高表达。
通过爪蟾卵母细胞结合双电极电压钳的方式，共注射HassOR31和HassORco，此嗅觉受体对所测试化合物中的12种有反应，其中顺-3-己烯丁酸酯(Z-3-hexenyl butyrate)反应最强。
这些反应的化合物可以通过对产卵器进行单感器记录得到电生理反应。
通过原位杂交实验，HassOR31和HassORco在产卵器感器中存在共定位现象。
通过产卵实验，雌蛾在缺少触角的情况下也会偏好于植物气味化合物，这表明HassOR31可以帮助烟青虫定位产卵位置。

Introduction

昆虫的嗅觉系统可以帮助其进行取食，产卵，交配，寻找寄主植物等。触角是昆虫最主要的嗅觉感器，下唇须和喙上也有嗅觉感器，近几年发现昆虫的产卵器上也有嗅觉感器的分布。嗅觉感器是一种多孔型的毛状结构，嗅觉受体神经元(OSN)的树突延伸到感器的端部，而嗅觉受体(OR)就是一种位于树突膜上的膜蛋白。OR是一种非典型的GPCR蛋白，OR要发挥功能需要和ORco结合成异源二聚体，从而形成一个离子通道蛋白，来感受气味化合物。下面是关于昆虫嗅觉感器内部的一个示意图^[2]。

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Results

Transcriptome sequencing and identification of chemosensory receptors in pheromone gland - ovipositor of Helicoverpa assulta

通过转录组测序，得到22 ORs, 6 GRs, 13 IRs, and 9 iGluRs。其中HassOR31 and HassiGluR7表达量都很高，而HassORco表达量偏低。

Tissue expression pattern of HassOR31

通过对雌雄触角，雌性头(去触角)，胸，腹，前足，翅膀以及性信息素腺体-产卵器进行qRT-PCR验证，结果可以验证转录组数据的可靠性。

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Localization of HassOR31 and HassORco in the ovipositor

通过原位杂交实验(双标)，红色地高辛标记HassOR31，绿色生物素标记HassORco，可以看到OR31与ORco确实存在共定位现象，但是大多数情况下，是分开表达的。

==Z-stacking== (also known as focus stacking) is a digital image processing method which combines multiple images taken at different focal distances to provide a composite image with a greater depth of field (i.e. the thickness of the plane of focus) than any of the individual source images.

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Functional analysis of HassOR31 by Xenopus laevis oocytes

通过爪哇卵母细胞结合双电极电压钳实验，筛选51种铃夜蛾对其有行为或电生理反应的化合物谱，主要包括绿叶气味化合物(GLV)，萜类，脂肪族和芳香族化合物。最后有12种气味化合物的反应，其中顺-3-己烯丁酸酯，顺-3-己烯乙酸酯，月桂烯，柠檬醛反应较强。单独的HassOR31或者HassiGluR7则没有反应。

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测试化合物：

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Scanning electron micrographs (SEM) of the ovipositor of H. assulta and its associated sensilla

扫描电镜的结果显示，产卵器上的感觉毛大致可以分为四类(A和B为整体图)：

C和D：感器长，尖端，表面光滑无毛，可能属于机械感受毛
E和F：感器短，基部内陷到凹槽中，表面无孔，可能行使属于机械功能
G和H：感器长度与F，F差不多，表面和顶部有孔，外形类似触角上的毛型感器，可能司味觉和嗅觉功能，主要分布在产卵器中部。
I和J：表面和顶部有孔，顶部孔大，外形类似触角上的锥型感器，可能司味觉和嗅觉功能。

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Single sensillum recordings (SSR) of putative chemosensory sensilla

通过SSR来验证这些感器是否起嗅觉作用，选取17种HassOR31有反应以及烟青虫性信息素化合物进行测试，可以看到大多数化合物都与石蜡油，也就是反应基线一致，而顺-3-己烯丁酸酯则有明显反应，且呈剂量梯度。

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Oviposition preference of H. assulta female

总共有两个产卵实验，一个是图A，将辣椒对称放在一张金属丝网的上面，分别将完整的和切掉触角的交配后雌蛾放入笼子中，看雌蛾的产卵情况，图C和D展现的是完整的和切掉触角雌蛾的产卵分布情况。另一个实验是图B，将顺-3-己烯丁酸酯溶于石蜡油中并放入一个橡胶头中，再以石蜡油为对照放入另一个橡胶头中，将这两种橡胶头分别放在假花的叶子上。

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器官完整的，交配后的雌蛾对寄主植物辣椒的产卵偏好性高，去掉触角后的雌蛾仍然对辣椒有产卵偏好性。将辣椒换成顺-3-己烯丁酸酯，则雌蛾对顺-3-己烯丁酸酯有产卵偏好性，但完整和去掉触角后的雌蛾在产卵偏好指数上没有了差异。感受混合植物挥发物需要触角和产卵器，而感受顺-3-己烯丁酸酯则只需要产卵器。

Oviposition preference of the antennae amputated and intact mated females of H. assulta.

Discussion

The function of HassOR31 expressed in the ovipositor

HassOR31的最佳配体是顺-3-己烯丁酸酯，而HarmOR31最佳配体是月桂烯(myrcene)^[3]。2012年孙亚兰师姐发表的文章^[4]介绍了烟草顶空收集的化合物通过GC-EAD和GC-MS鉴定到了(E)-β-ocimene, octanal, (Z)-3-hexenyl acetate, (Z)-3-hexen-1-ol, nonanal, (Z)-3-hexenyl-2-methyl butyrate, decanal, linalool, and (E)-β-caryophyllene。

A gravid female moth takes ==two steps to find an oviposition site==: firstly, she smells the plant volatiles mainly by using antennae to search for a host plant, and secondly when she comes near to or land on the host plant, she integrates the information from olfactory sensilla as well as mechanical and contact chemosensory sensilla on the ovipositor to determine the precise oviposition sites on the host plants.

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Large difference in expression of HassOR31 and HassORco in the ovipositor

在SSR反应中，对顺-3-己烯丁酸酯反应的感器较少，这可能反应HassORco的表达量在产卵器中较低，但却无法解释HassOR31表达量很高的原因，其可能发挥除嗅觉外的其他功能。除了OR，GR和IR也在产卵器中有表达。

The features of chemosensory sensilla on the ovipositor

产卵器上的感器存在类似触角毛形感器和锥形感器，但顶端的孔较大，符合味觉感器的特征，可能同时起到嗅觉和味觉的作用。但这些感器的SSR反应却比较弱。

Conclusion

本实验通过转录组，qRT-PCR，原位杂交，爪蟾卵母细胞功能鉴定，扫描电镜，单感器记录以及产卵实验，从组学数据，分子实验，形态学，电生理学，行为学等方面揭示烟青虫产卵器上的HassOR31参与到嗅觉感受中，并影响其产卵行为。

未来的研究可以通过破坏产卵器上的相关感器看是否影响昆虫行为以及通过CRISPR-Cas9敲除掉HassOR31来验证其功能。HassOR31/HassORco所表达的嗅觉受体神经元投射到terminal abdominal ganglion，HassOR31在产卵行为上也需要进一步研究。

Reference

[1] Li, R.-T., Huang, L.-Q., Dong, J.-F., Wang, C.-Z., 2020. A moth odorant receptor highly expressed in the ovipositor is involved in detecting host-plant volatiles [WWW Document]. eLife. https://doi.org/10.7554/eLife.53706

[2] Pask, G.M., Ray, A., 2016. Chapter 6 - Insect Olfactory Receptors: An Interface between Chemistry and Biology, in: Zufall, F., Munger, S.D. (Eds.), Chemosensory Transduction. Academic Press, pp. 101–122. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-801694-7.00006-8

[3] Di, C., Ning, C., Huang, L.-Q., Wang, C.-Z., 2017. Design of larval chemical attractants based on odorant response spectra of odorant receptors in the cotton bollworm. Insect Biochemistry and Molecular Biology 84, 48–62. https://doi.org/10/gbgwd3

[4] Sun, J.-G., Huang, L.-Q., Wang, C.-Z., 2012. Electrophysiological and behavioral responses of Helicoverpa assulta (Lepidoptera: Noctuidae) to tobacco volatiles. Arthropod-Plant Interactions. https://doi.org/10/ggwzp2