PLoS Genetics | 中科院动物所王琛柱团队在昆虫对芥子油苷类化合物感受的味觉受体鉴定上取得重要突破!

PLoS Genetics | 中科院动物所王琛柱团队在昆虫对芥子油苷类化合物感受的味觉受体鉴定上取得重要突破!

Administrator 7 2021-07-23

PLoS Genetics | 中科院动物所王琛柱团队在昆虫对芥子油苷类化合物感受的味觉受体鉴定上取得重要突破！

​ 2021年7月15, PLoS Genetics 在线发表中科院动物所农业虫害鼠害综合治理国家重点实验室王琛柱团队的题为Identification of a gustatory receptor tuned to sinigrin in the cabbage butterfly Pieris rapae的研究论文。该研究鉴定PrapGr28是菜粉蝶感受黑芥子苷(sinigrin)的味觉受体，黑芥子苷是十字花科植物中最常见和最丰富的芥子油苷类化合物，且是一种强有力的幼虫取食刺激物。

Identification of a gustatory receptor tuned to sinigrin in the cabbage butterfly Pieris rapae

​ 芥子油苷类化合物(glucosinolates)是许多十字花科专食性昆虫选择宿主的标志性刺激物，但是这些昆虫选择宿主的分子基础仍然是未知的。我们通过行为学、电生理学和分子生物学方法的结合，研究菜粉蝶中芥子油苷类化合物的受体。黑芥子苷(sinigrin)作为一种强有力取食刺激物，能引起菜粉蝶幼虫外颚叶上的侧栓锥感器以及成虫前足跗节lateral感器的电生理反应。两个菜粉蝶味觉受体基因PrapGr28和PrapGr15在雌性跗节中高表达，随后的功能分析表明，仅表达PrapGr28的非洲爪蟾卵母细胞对sinigrin有特异性反应；将PrapGr28异位表达在果蝇糖感受神经元中时，PrapGr28赋予了这些神经元对sinigrin的敏感性。RNA干扰实验进一步表明，敲除PrapGr28降低了成虫前足跗节medial感器对sinigrin的敏感性。综上所述。我们得出的结论是，PrapGr28是菜粉蝶感受黑芥子苷的味觉受体，该研究为揭示十字花科植物和它们的专食性昆虫之间关系的分子基础开辟了新的道路。

Whiteman NK, Peláez JN (2021) Taste-testing tarsi: Gustatory receptors for glucosinolates in cabbage butterflies.

​ 菜粉蝶是十字花科植物的专食性昆虫，这些植物产生多种多样的防御性的前体化合物，称为芥子油苷类化合物，在组织损伤时分解为有毒的ITC。产卵的雌蛾和食叶的幼虫都受到整个植物组织的芥子油苷类化合物成分和丰度的影响。芥子油苷类化合物可以被分为3个类别：脂肪族、吲哚类和芳香族。

芥子油苷类化合物对菜粉蝶幼虫取食的刺激作用

  • 甘蓝（Brassica oleracea）是菜粉蝶的主要宿主植物之一，含有五种主要的芥子油苷类化合物。其中Sinigrin、gluconapin和glucoiberin属于脂肪族，glucobrassicin和gluconasturtiin分别是吲哚类和芳香类化合物。

  • 通过一系列叶碟双向取食选择实验(使用非寄主植物豇豆)，实验表明上述五种芥子油苷类化合物都能引起菜粉蝶幼虫的取食偏好反应，但不同化合物的影响程度不同。

Fig 1. Feeding preference of the fifth instar larvae of P. rapae to glucosinolates.

菜粉蝶幼虫和成虫味觉感受器对芥子油苷类化合物的选择性和敏感性

  • Tip-recording(顶端记录)电生理实验表明，菜粉蝶幼虫侧栓锥感器的单个神经元对sinigrin、gluconapin、glucoiberin、glucobrassicin和gluconasturtiin的反应频率相同(浓度为10mM时)，而中栓锥感器内的一个神经元特异的对glucobrassicin有电生理反应，且这些化合物都有明显的剂量反应。

Fig 2. Response properties of sensilla styloconica on larval maxilla of P. rapae to glucosinolates.

  • 成虫前足跗节lateral感器对glucobrassicin 和 gluconasturtiin有电生理反应，而对sinigrin, gluconapin 和 glucoiberin没有反应。
  • 成虫前足跗节medial感器对五种芥子油苷类化合物都有电生理反应，其中对 gluconasturtiin反应更强。
  • 剂量反应曲线显示，只有较小振幅的spike的频率随着芥子油苷浓度的增加而增加。

Fig 3. Response properties of taste sensilla on the fifth foreleg-tarsi of female P. rapae to glucosinolates.

基于上述结果，幼虫的侧栓锥感器和成虫的medial感器对sinigrin和其他四种芥子油苷类化合物的反应是没有区别的，而幼虫的中栓锥感器只对glucobrassicin有反应，而且前足跗节lateral感器也只对glucobrassicin有反应。显然，在菜粉蝶中，多个GRN参与感受芥子油苷类化合物。

菜粉蝶味觉受体在味觉器官中的表达模式

  • 通过对多个化感器官的转录组测序，我们鉴定了33个味觉受体(GRs)，其中包括二氧化碳受体、糖受体以及苦味受体，由于芥子油苷类化合物是植物次生物质，所以它们最有可能是通过昆虫的苦味受体进行识别。
  • 成虫前足跗节GRs的种类和表达量普遍高于幼虫口器中的GRs。候选GRs的TPM值显示，这与成虫前足跗节较高数量的与芥子油苷反应的味觉感器的数量高于幼虫口器相一致。
  • 鉴于PrapGr28和PrapGr15在成虫前足跗节和幼虫口器中的高表达的一致性，以及在这些味觉组织中发现的显著的芥子油苷敏感性。我们推测，苦味受体PrapGr28和PrapGr15可能参与了对芥子油苷类化合物的化学感受。

Fig 5. Phylogenetic relationships and tissue expression patterns of GR genes in P. rapae.

爪蟾卵母细胞表达系统的GR功能分析

  • 为了确定PrapGr28和PrapGr15的功能特征，我们将它们单独或组合表达在Xenopus卵母细胞中。然后通过双电极电压钳记录对一系列化学刺激的反应，包括五种芥子油苷类化合物。我们发现表达PrapGr28的卵母细胞对sinigrin有特异性的反应，而注水的卵母细胞则对1mM sinigrin没有反应。
  • 表达PrapGr15的卵母细胞对任何1 mM的刺激均无明显反应，并且没有表现出剂量依赖反应，直到对浓度为50mM的sinigrin产生一个微弱反应。

Fig 6. Functional analysis of PrapGrs in Xenopus oocytes.

果蝇表达系统的GR功能分析

  • 为了进一步确认PrapGr28的功能，我们通过Gr5a-GAL4将PrapGr28异位表达到果蝇糖感受GRNs中，这些GRNs对苦味化合物电生理上通常是没有反应的。Gr5a的GRNs主要分布果蝇唇瓣上的L型感器，这使得这些GRNs表达的PrapGr28更容易通过单感器记录(SSR)记录电生理反应。
  • 只有表达Gr5a-GAL4;UAS-PrapGr28果蝇的L型感器对sinigrin有特异性反应，这与卵母细胞中表达的PrapGr28的反应情况相似，而且反应呈剂量依赖性。

Fig 7. The presence of PrapGr28 confer sinigrin sensitivity to D. melanogaster sweet neuron.

GRs在成虫前足跗节中的表达位置

  • 通过原位杂交，我们观察到了雌性和雄性前足跗节中表达PrapGr28的细胞，但未能检测到表达PrapGr15的细胞，这可能是由于PrapGr15在前足跗节的表达水平较低。

敲除PrapGr28的成虫味觉感器对芥子油苷类反应敏感性的影响

  • 为了进一步验证PrapGr28在体内的功能，我们将PrapGr28的dsRNA注入到雌性蛹中，证实了PrapGr28在羽化后被敲除，以及味觉感器对芥子油苷反应敏感性下降。
  • 然而，在RNAi干扰后，只有在较高的浓度（10mM）下才会明显减少。此外，PrapGr28的敲除的成虫的lateral跗节感器对glucobrassicin 和 gluconasturtiin 刺激的spike频率没有影响。

Fig 8. RNA interference of PrapGr28 suppresses the response to glucosinolates in female butterflies.

该项目得到中国科学院战略重点研究计划以及国家自然科学基金的资助。博士后杨军为该论文的第一作者，王琛柱研究员为通讯作者，郭浩、江南纪、唐睿、李国成、黄玲巧以及Joop J. A. van Loon共同参与了该项研究。

参考

Yang J, Guo H, Jiang N-J, Tang R, Li G-C, Huang L-Q, et al. (2021) Identification of a gustatory receptor tuned to sinigrin in the cabbage butterfly Pieris rapae. PLoS Genet 17(7): e1009527. https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1009527.

Whiteman NK, Pela ez JN (2021) Tastetesting tarsi: Gustatory receptors for glucosinolates in cabbage butterflies. PLoS Genet 17(7): e1009616. https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1009616.

昆虫 化学感受