項目文章｜單細胞測序揭秘美洲大蠊的“愛(ài)情密碼”

2024年3月，華南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院昆蟲(chóng)科學(xué)與技術(shù)研究所李勝教授團隊在Science China Life Sciences期刊在線(xiàn)發(fā)表題為“Two sex pheromone receptors for sexual communication in the American cockroach”的研究論文。他們以美洲大蠊為研究對象，通過(guò)行為測定、性別-年齡特異性轉錄組、熒光原位雜交（FISH）和單細胞測序等技術(shù)，揭示了雌蟲(chóng)兩種性信息素成分 (PB和PA) 通過(guò)兩種嗅覺(jué)受體 (OR53和OR100) 共同調控雄蟲(chóng)求偶交配行為的嗅覺(jué)分子機制。

文章標題：Two sex pheromone receptors for sexual communication in the?American cockroach

期刊名稱(chēng)：Science China Life Sciences

研究對象：美洲大蠊觸角

研究方法：行為測定、性別-年齡特異性轉錄組、熒光原位雜交（FISH）和單細胞核測序；下游實(shí)驗：昆蟲(chóng)電生理學(xué)、果蠅遺傳學(xué)、RNAi實(shí)驗

百邁客生物為該研究提供了轉錄組和單細胞核轉錄組測序分析服務(wù)。

研究背景

性信息素在昆蟲(chóng)求偶交配行為的化學(xué)通訊中發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。美洲大蠊（Periplaneta americana）雌蟲(chóng)主要釋放兩種揮發(fā)性性信息素periplanone-A（PA）和periplanone-B（PB），以往研究表明PB是主要的性信息素成分，而PA和PB的相互作用以及兩者在雄蟲(chóng)求偶交配行為中的調控機制尚不清楚。

實(shí)驗材料

SnRNA-seq：羽化后（DAE）9天的美洲大蠊雄蟲(chóng)觸角（n=1）；

Bulk RNA-seq：1、3、5、7、9 DAE的美洲大蠊雄蟲(chóng)觸角（n=4），雄蟲(chóng)（觸角、前足、頭部、口器、精巢和翅），雌蟲(chóng)觸角（n=4）。

研究結果

1.PB能吸引性成熟的雄性，而PA能抵消PB的功能

研究團隊使用Y型管嗅覺(jué)儀對不同日齡的雄蟲(chóng)進(jìn)行了行為學(xué)測試，以觀(guān)察它們對PB和PA的反應。此外，通過(guò)視頻記錄和分析，評估了雄蟲(chóng)的交配行為。交配率在5 DAE時(shí)增加到近50%，6 DAE時(shí)增加到60%以上，此后緩慢而穩定地積累（圖1A）。雄蟲(chóng)對PB和PA的偏好測試結果反應，PB是主要的性信息素成分，能夠顯著(zhù)吸引雄蟲(chóng)。而PA雖然單獨存在時(shí)不吸引雄蟲(chóng)，但其存在能夠減弱PB的吸引作用（圖1B-D），表明PA可能在調節性行為中起到平衡作用。

通過(guò)單感器記錄（SSR）技術(shù)，研究人員探索了雄蟲(chóng)對兩種性信息素成分PA和PB的響應（圖1E-F）。研究人員，發(fā)現了兩種類(lèi)型的感受器對PA和PB的響應模式：類(lèi)型1：對PA和PB兩者都有明顯的響應，即產(chǎn)生了強烈的電生理動(dòng)作電位。類(lèi)型2：僅對PB有強烈的響應，而對PA的響應較弱或沒(méi)有明顯響應。結果表明，PA和PB可能作用于至少兩種不同的嗅覺(jué)受體神經(jīng)元（ORNs）或者在至少兩種類(lèi)型的感器中共享嗅覺(jué)受體，以調節雄蟲(chóng)的求偶交配行為。

2.OR53和OR100主要在性成熟雄性的觸角中表達

研究人員利用Bulk RNA測序技術(shù)分析了雄蟲(chóng)不同組織中嗅覺(jué)受體基因的表達情況，并通過(guò)果蠅遺傳學(xué)方法，將美洲大蠊的嗅覺(jué)受體基因在果蠅中表達，以鑒定PA和PB的受體。通過(guò)RNA測序分析得到的嗅覺(jué)受體基因在不同組織（雄蟲(chóng)觸角-MA、雌蟲(chóng)觸角-FA、雄蟲(chóng)前足-MF、雄蟲(chóng)頭部-MH、雄蟲(chóng)口器-MM、雄蟲(chóng)精巢-MT和雄蟲(chóng)翅-MW）和不同日齡中的表達水平（圖2A、2B），以及通過(guò)qPCR驗證的OR53、OR100和ORco基因在雄蟲(chóng)觸角中敲除fru或dsx基因后的表達水平（圖2C），以及經(jīng)過(guò)營(yíng)養信號通路抑制劑處理后的表達水平變化（圖2D）。研究鑒定出OR53和OR100為PA/PB和PA的受體，并發(fā)現它們在雄蟲(chóng)觸角中的表達模式與行為測定結果相吻合，證實(shí)了這兩種受體在性信息素感知中的關(guān)鍵作用。

3.OR53和OR100分別是PB/PA和PA受體

研究人員利用UAS-OR53和UAS-OR100轉基因果蠅品系，通過(guò)RNAi實(shí)驗敲除了美洲大蠊中的OR53和OR100基因，進(jìn)而研究這些嗅覺(jué)受體在求偶交配行為中的作用。敲除這些基因后對PA和PB反應的SSR測試結果，敲低OR53的表達顯著(zhù)削弱了ORN對PB的反應，但對ORN對PA的反應只有輕微的影響（圖3B）。OR53和OR100基因敲除對雄蟲(chóng)行為選擇和交配率的影響（圖3D、3E）。敲除實(shí)驗證實(shí)了OR53和OR100在性信息素感知和行為調控中的關(guān)鍵作用，特別是OR53在PB誘導的求偶交配行為中的重要性。OR100的敲除則表明PA可能通過(guò)OR100發(fā)揮調節作用。

4.OR53和OR100定位于兩種錐形感受器

研究人員利用FISH技術(shù)，觀(guān)察到OR53、OR100和ORco經(jīng)常在同一個(gè)感受器中表達，說(shuō)明大多數基本感受器同時(shí)含有OR53和OR100的ORN。為了更系統地研究OR基因的表達，研究人員使用性成熟雄蟲(chóng)的觸角進(jìn)行了單細胞測序。測定每簇細胞的基因表達水平，鑒定出Cluster 2為ORco高表達的ORN(圖4B)。進(jìn)一步分析Cluster 2細胞得到12個(gè)亞型(圖4C)。其中大部分感受器同時(shí)具有OR53和OR100兩種OR53 ORNs，而少數感受器僅具有OR53?ORNs。12個(gè)亞型中有4個(gè)同時(shí)表達OR53和OR100，可能對應于主要的1-型感受器的ORNs。在2-亞型中，還發(fā)現了OR53的顯著(zhù)表達亞型，可能對應2型感受器的ORNs，也可能只有少量的感受器OR100?ORNs(圖4D)。這些結果進(jìn)一步支持了性成熟雄蟲(chóng)觸角中至少存在兩種錐形感受器。

研究

研究結果表明，PB作為主要的性信息素成分，通過(guò)激活OR53受體來(lái)誘導雄蟲(chóng)的求偶交配行為。而PA雖然單獨存在時(shí)不吸引雄蟲(chóng)，但其存在能夠通過(guò)兩種可能的途徑減弱PB的吸引作用：一是PA與PB競爭激活相同的受體OR53，二是PA通過(guò)激活其特定的受體OR100來(lái)抑制性行為。該研究確定了兩種性信息素嗅覺(jué)受體以及可能調控雄蟲(chóng)特異性和年齡依賴(lài)性求偶交配行為的分子機制，有助于發(fā)展綠色防蟑技術(shù)及害蟲(chóng)綜合管理策略。

參考文獻：

Li N, Dong R, Zeng H, et al. Two sex pheromone receptors for sexual communication in the American cockroach[J].?Sci China Life Sci, 2024,67(7):1455-1467.