郭予元院士在棉花害蟲(chóng)天敵化學(xué)通訊研究中的學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)
——紀(jì)念郭予元院士誕辰90周年

單 雙, 張 帥, 于惠林, 王桂榮,3, 張永軍*

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所,植物病蟲(chóng)害生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100193; 2.揚(yáng)州大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院, 揚(yáng)州 225009; 3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所, 深圳 518120)

棉鈴蟲(chóng)Helicoverpaarmigera(Hübner)是亞洲、歐洲、非洲和大洋洲的許多國(guó)家農(nóng)作物上的重要害蟲(chóng),因其具有寄主范圍廣、繁殖潛能大、種群能遠(yuǎn)距離遷移和對(duì)環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)等特點(diǎn),條件適宜時(shí)常大面積暴發(fā)成災(zāi),造成棉花、玉米、花生、豆類(lèi)、蔬菜、花卉的嚴(yán)重?fù)p失,其中以棉花遭受的損失最大。我國(guó)是世界植棉大國(guó),植棉業(yè)是農(nóng)業(yè)支柱性產(chǎn)業(yè),對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要。1990年以來(lái),棉鈴蟲(chóng)在黃河和長(zhǎng)江流域等我國(guó)主要棉區(qū)連續(xù)4年大發(fā)生。特別是1992年,在山東、河北、河南等重災(zāi)區(qū),棉花因棉鈴蟲(chóng)減產(chǎn)達(dá)50%以上,全國(guó)棉花總產(chǎn)減少1/3[1]。棉鈴蟲(chóng)的空前猖獗,受到黨和政府的高度重視,亟須植物保護(hù)工作者提出控制棉鈴蟲(chóng)災(zāi)害的有效辦法,以保證我國(guó)棉花產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展。郭予元院士帶領(lǐng)課題組研究人員,通過(guò)多年努力、協(xié)同攻關(guān),掌握了棉鈴蟲(chóng)在不同棉花生態(tài)區(qū)的發(fā)生特點(diǎn),組建了適用于不同生態(tài)區(qū)的棉鈴蟲(chóng)綜合防治體系和配套關(guān)鍵防治技術(shù)。該套棉鈴蟲(chóng)綜合防治關(guān)鍵技術(shù)在1993年、1994年全國(guó)性控制棉鈴蟲(chóng)災(zāi)、保證棉花豐收的防治戰(zhàn)役中發(fā)揮了重要作用,1993年后在全國(guó)棉鈴蟲(chóng)防治中成功推廣應(yīng)用,并被列為國(guó)家“八五”科技攻關(guān)重大成果[1]。

郭予元院士認(rèn)為,為了使防治棉鈴蟲(chóng)工作有足夠的后勁和可持續(xù)性,在開(kāi)展棉鈴蟲(chóng)防治技術(shù)研究的同時(shí),還應(yīng)加強(qiáng)棉鈴蟲(chóng)發(fā)生規(guī)律和防治對(duì)策的基礎(chǔ)性研究,他帶領(lǐng)課題組成員,用有限的經(jīng)費(fèi)努力改進(jìn)研究條件,跟蹤國(guó)際前沿,綜合運(yùn)用生態(tài)學(xué)、生物化學(xué)、分子生物學(xué)和電生理學(xué)等先進(jìn)技術(shù),在棉鈴蟲(chóng)遷飛及地理區(qū)劃、常規(guī)和轉(zhuǎn)基因棉花抗蟲(chóng)性的生理、生化及遺傳機(jī)制、棉鈴蟲(chóng)抗藥性機(jī)制和害蟲(chóng)-寄主化學(xué)通訊等方面取得突破性進(jìn)展,對(duì)我國(guó)兼性遷飛性害蟲(chóng)基礎(chǔ)研究的發(fā)展有重要促進(jìn)作用,研究成果得到了國(guó)內(nèi)外同行的高度評(píng)價(jià)和重視,并獲得農(nóng)業(yè)部和國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)等榮譽(yù)。

“化學(xué)通訊是生命的基本屬性”,郭予元院士生前經(jīng)常這樣講,現(xiàn)在接續(xù)團(tuán)隊(duì)也時(shí)時(shí)傳承這個(gè)理念。研究植物-害蟲(chóng)-天敵三重營(yíng)養(yǎng)關(guān)系的化學(xué)通訊,對(duì)解析植物揮發(fā)性信息分子的基因調(diào)控、氣味信息化合物在寄主植物、植食性害蟲(chóng)和天敵間的調(diào)控作用、昆蟲(chóng)化學(xué)感受以及行為響應(yīng)等機(jī)制都具有重要指導(dǎo)意義。郭予元院士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成員開(kāi)展了棉花-棉鈴蟲(chóng)-側(cè)溝繭蜂三級(jí)營(yíng)養(yǎng)間化學(xué)通訊機(jī)制引領(lǐng)性研究。采用微量樣品采集、氣相色譜-昆蟲(chóng)觸角電位測(cè)量系統(tǒng)(gas chromatography-electroantennographic detection, GC-EAD)和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(gas chromatography-mass spectrometry, GC-MS)等先進(jìn)技術(shù)鑒定了不同棉花品種和棉鈴蟲(chóng)為害后等不同處理棉花釋放揮發(fā)性物質(zhì)的組分和含量,分析了棉鈴蟲(chóng)及其寄生天敵中紅側(cè)溝繭蜂Microplitismediator(Haliday)對(duì)揮發(fā)性信息化合物的行為反應(yīng),篩選和設(shè)計(jì)了對(duì)棉鈴蟲(chóng)及側(cè)溝繭蜂具有誘控作用的揮發(fā)物的成分和比例;率先開(kāi)展了棉鈴蟲(chóng)和中紅側(cè)溝繭蜂化學(xué)感受系統(tǒng)的嗅覺(jué)識(shí)別機(jī)制研究,克隆了各類(lèi)化學(xué)感受相關(guān)蛋白,闡明了相關(guān)蛋白的化學(xué)感受功能特性,構(gòu)建了基于植物與昆蟲(chóng)化學(xué)通訊鏈條的昆蟲(chóng)行為定向調(diào)控探索和實(shí)踐體系,這些研究成果為棉花害蟲(chóng)的綠色防控開(kāi)辟了新的道路。本文綜述了郭予元院士在棉花-棉鈴蟲(chóng)-側(cè)溝繭蜂三級(jí)營(yíng)養(yǎng)間通訊機(jī)制研究中的學(xué)術(shù)貢獻(xiàn),以期更好地開(kāi)展相關(guān)基礎(chǔ)研究和害蟲(chóng)綠色防控應(yīng)用策略創(chuàng)新,確保國(guó)家農(nóng)業(yè)安全、經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展。

1 解析棉花三級(jí)營(yíng)養(yǎng)化學(xué)通訊,開(kāi)創(chuàng)棉花害蟲(chóng)防控研究新篇章

害蟲(chóng)在尋找寄主植物的過(guò)程中,寄主植物釋放的信息化合物發(fā)揮關(guān)鍵作用。不同世代棉鈴蟲(chóng)具有在不同作物間遷移為害的習(xí)性,楊樹(shù)枝把、玉米、花生、胡蘿卜花等對(duì)棉鈴蟲(chóng)具有較強(qiáng)的誘集作用,棉田間作油菜、玉米可減輕棉鈴蟲(chóng)對(duì)棉花的為害。鑒于對(duì)棉鈴蟲(chóng)遷移取食為害習(xí)性的化學(xué)生態(tài)學(xué)機(jī)制以及棉鈴蟲(chóng)感知寄主植物揮發(fā)物的嗅覺(jué)行為缺乏系統(tǒng)研究,1995年起,郭予元院士帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)始了對(duì)寄主植物信息化合物與害蟲(chóng)行為關(guān)系的探索[2]。1997年,測(cè)定了棉鈴蟲(chóng)成蟲(chóng)對(duì)不同寄主植物不同組織器官揮發(fā)油的觸角電生理及行為趨向反應(yīng),發(fā)現(xiàn)在花生、玉米花絲及棉花頂尖揮發(fā)油中含有可刺激棉鈴蟲(chóng)選擇性產(chǎn)卵的信息化合物,棉蕾、棉花葉、玉米花絲、花生的揮發(fā)油均具有一定的誘蛾活性[3],該研究為將寄主植物揮發(fā)性信息物納入棉鈴蟲(chóng)綜合治理框架奠定了基礎(chǔ)。

為了進(jìn)一步明確棉花中哪些揮發(fā)性化合物在吸引棉鈴蟲(chóng)過(guò)程中發(fā)揮重要作用,郭予元院士率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)采用GC-MS、電子鼻等技術(shù),先后對(duì)室內(nèi)和田間條件下不同處理棉花及轉(zhuǎn)基因Bt棉的揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行了鑒定。發(fā)現(xiàn)棉花植株現(xiàn)蕾期前,葉片中揮發(fā)性物質(zhì)以α-蒎烯為主,而現(xiàn)蕾后,蕾、花和鈴中主要以β-月桂烯為主,這種主成分比例的變化可能是造成棉鈴蟲(chóng)逐漸向棉田轉(zhuǎn)移為害的原因之一。被棉鈴蟲(chóng)為害后,棉花部分萜類(lèi)化合物如α-蒎烯、β-蒎烯和β-月桂烯釋放量明顯增高,還會(huì)釋放特異的蟲(chóng)害誘導(dǎo)揮發(fā)物3,7-二甲基-1,3,6-辛三烯等。另外發(fā)現(xiàn)外源Bt殺蟲(chóng)蛋白表達(dá)對(duì)棉花自身主要揮發(fā)性物質(zhì)的生物合成不會(huì)造成不利影響,因此轉(zhuǎn)基因Bt棉對(duì)植物-害蟲(chóng)-天敵間的化學(xué)信息傳遞潛在負(fù)面影響較小[4-6]。上述研究為科學(xué)運(yùn)用植物化學(xué)信息物質(zhì)進(jìn)行棉田害蟲(chóng)的綜合治理提供了理論依據(jù)。

中紅側(cè)溝繭蜂M.mediator是一種寄主范圍非常廣泛的內(nèi)寄生蜂,是棉鈴蟲(chóng)的重要天敵,田間對(duì)棉鈴蟲(chóng)的平均寄生率可達(dá)22.9%以上,在棉鈴蟲(chóng)生物防治中扮演非常重要的角色[7]。植物揮發(fā)性信息化合物等寄主相關(guān)信號(hào)在寄生性天敵定位寄主棲境、搜尋寄主以及產(chǎn)卵等行為中具有重要作用。為了明確寄主植物揮發(fā)物在棉花-棉鈴蟲(chóng)-中紅側(cè)溝繭蜂三級(jí)營(yíng)養(yǎng)間的調(diào)控功能,郭予元院士團(tuán)隊(duì)研究了棉鈴蟲(chóng)幼蟲(chóng)取食為害、水楊酸誘導(dǎo)、機(jī)械損傷等不同處理棉花植株揮發(fā)物的變化以及對(duì)中紅側(cè)溝繭蜂寄主搜尋行為的影響,發(fā)現(xiàn)棉鈴蟲(chóng)取食為害和水楊酸誘導(dǎo)處理的棉花對(duì)中紅側(cè)溝繭蜂具有顯著的引誘作用,而這些棉花中的萜類(lèi)化合物α-蒎烯、β-蒎烯和β-月桂烯含量明顯增加,該研究為提高天敵的利用效率和設(shè)計(jì)棉花害蟲(chóng)綜合治理新策略提供了理論支撐[5]。為了回答引誘中紅側(cè)溝繭蜂的具體活性組分是什么,郭予元院士團(tuán)隊(duì)通過(guò)GC-EAD測(cè)試發(fā)現(xiàn),蟲(chóng)害誘導(dǎo)處理棉花釋放的7種化合物組分可引起中紅側(cè)溝繭蜂觸角強(qiáng)烈的電生理反應(yīng),其中3,7-二甲基-1,3,6-辛三烯和(Z)-3-己烯乙酸酯是含量最高的組分。室內(nèi)行為測(cè)試表明,3,7-二甲基-1,3,6-辛三烯、(Z)-3-己烯乙酸酯和壬醛對(duì)中紅側(cè)溝繭蜂具有吸引作用。在田間條件下,設(shè)置3,7-二甲基-1,3,6-辛三烯誘芯的田塊較未處理田塊,棉鈴蟲(chóng)幼蟲(chóng)被中紅側(cè)溝繭蜂寄生率提高20.22%,這些活性化合物在天敵保育利用的綜合防治策略中具有十分重要的應(yīng)用潛力[8]。此外還發(fā)現(xiàn),1～2齡棉鈴蟲(chóng)幼蟲(chóng)對(duì)中紅側(cè)溝繭蜂有顯著的引誘作用,而不同齡期棉鈴蟲(chóng)幼蟲(chóng)為害處理棉株對(duì)中紅側(cè)溝繭蜂引誘作用的相對(duì)順序?yàn)?5齡為害植株 > 2、4齡為害植株>1、3齡為害植株,這些研究結(jié)果可為中紅側(cè)溝繭蜂在生物防治中的適時(shí)應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和實(shí)踐依據(jù)[9]。

郭予元院士團(tuán)隊(duì)前期發(fā)現(xiàn)棉花被棉鈴蟲(chóng)幼蟲(chóng)取食為害后會(huì)被誘導(dǎo)釋放以萜烯類(lèi)物質(zhì)為主的揮發(fā)物,這些揮發(fā)物對(duì)棉鈴蟲(chóng)天敵中紅側(cè)溝繭蜂具有顯著的引誘作用,而活性揮發(fā)物在棉花植株內(nèi)的生物合成及調(diào)控是決定其釋放量的重要因素。因此,2011年起,郭予元院士團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了對(duì)棉花萜烯類(lèi)化合物關(guān)鍵合成酶的鑒定和功能研究[10-11]。早期測(cè)定到棉花被棉鈴蟲(chóng)取食不同時(shí)間后有1 969個(gè)轉(zhuǎn)錄本表達(dá)量發(fā)生變化,其中與間接防御和茉莉酸途徑相關(guān)的基因明顯增多,且誘導(dǎo)前后,脂氧合酶衍生的綠葉揮發(fā)物和一些萜類(lèi)揮發(fā)物釋放量和種類(lèi)存在顯著差異，表明為了防御棉鈴蟲(chóng)的侵?jǐn)_,棉花植株相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平以及釋放揮發(fā)物的種類(lèi)和含量都發(fā)生了巨大變化[12]。隨后,郭予元院士團(tuán)隊(duì)鑒定到了棉花內(nèi)重要的萜烯類(lèi)化合物合成酶GhTPS1～14,并明確了GhTPS1/2/4/5/6/10/11/12/14/15是合成棉花重要蟲(chóng)害誘導(dǎo)揮發(fā)物(E)-β-石竹烯、α-蒎烯、β-蒎烯、β-月桂烯和芳樟醇等的關(guān)鍵合成酶[13-15]。另外體外表達(dá)及功能表征了棉花中催化重要蟲(chóng)害誘導(dǎo)揮發(fā)物(E)-4,8-二甲基-1,3,7-壬三烯(DMNT)和(E,E)-4,8,12-三甲基-1,3,7,11-十三碳四烯(TMTT)合成的2個(gè)P450蛋白,GhCYP82L1和GhCYP82L2,并且發(fā)現(xiàn)DMNT和TMTT對(duì)中紅側(cè)溝繭蜂和紅頸常室繭蜂Peristenusspretus具有電生理活性,行為研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)兩種寄生蜂雌蟲(chóng)都可被DMNT和TMTT吸引[16]。以上研究揭示了棉花中萜烯類(lèi)化合物的合成機(jī)制以及這些化合物對(duì)天敵行為的潛在影響,同時(shí)為探索利用轉(zhuǎn)基因植物進(jìn)行功能揮發(fā)物的合成調(diào)控在農(nóng)業(yè)害蟲(chóng)綠色防控中的實(shí)踐應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。

2 構(gòu)建昆蟲(chóng)化學(xué)感受分子通訊網(wǎng)絡(luò),布局棉花害蟲(chóng)化學(xué)通訊研究新高地

昆蟲(chóng)依靠其靈敏的嗅覺(jué)系統(tǒng)識(shí)別環(huán)境中的化學(xué)信號(hào)以定位棲息地及食物源、識(shí)別交配對(duì)象和產(chǎn)卵地點(diǎn)、躲避天敵等。在植物-害蟲(chóng)-天敵三重營(yíng)養(yǎng)關(guān)系的化學(xué)通訊中,昆蟲(chóng)嗅覺(jué)識(shí)別是十分重要的環(huán)節(jié)。觸角是昆蟲(chóng)最主要的化學(xué)感受器官,觸角化學(xué)感器內(nèi)的各類(lèi)化學(xué)感受相關(guān)蛋白如氣味結(jié)合蛋白(odorant-binding proteins, OBPs)、化學(xué)感受蛋白(chemosensory proteins, CSPs)、感覺(jué)神經(jīng)元膜蛋白(sensory neuron membrane proteins, SNMPs)、氣味受體(odorant receptors, ORs)和離子型受體(ionotropic receptors, IRs)等在昆蟲(chóng)識(shí)別環(huán)境中的信息化合物過(guò)程中發(fā)揮重要作用,明確昆蟲(chóng)嗅覺(jué)識(shí)別的分子機(jī)制,將為開(kāi)發(fā)以昆蟲(chóng)化學(xué)感受為靶標(biāo)的害蟲(chóng)防治新策略提供基礎(chǔ)支撐。棉花-棉鈴蟲(chóng)-側(cè)溝繭蜂三級(jí)營(yíng)養(yǎng)關(guān)系化學(xué)通訊中,棉鈴蟲(chóng)和側(cè)溝繭蜂對(duì)相關(guān)揮發(fā)物的嗅覺(jué)識(shí)別,是三級(jí)營(yíng)養(yǎng)關(guān)系間化學(xué)信息交流的關(guān)鍵環(huán)節(jié),也是對(duì)植食性害蟲(chóng)和天敵昆蟲(chóng)進(jìn)行行為調(diào)控的重要方向。鑒于此,郭予元院士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)基于反向化學(xué)生態(tài)學(xué)理念,對(duì)棉鈴蟲(chóng)、中紅側(cè)溝繭蜂等昆蟲(chóng)的嗅覺(jué)分子機(jī)制開(kāi)展了系統(tǒng)研究。

在棉鈴蟲(chóng)嗅覺(jué)機(jī)制研究方面,通過(guò)掃描電鏡技術(shù)觀察了棉鈴蟲(chóng)觸角的超微結(jié)構(gòu)[2,17-18]。2001年采用cDNA末端快速擴(kuò)增(rapid-amplification of cDNA ends, RACE)技術(shù),成功克隆到棉鈴蟲(chóng)觸角中第一個(gè)氣味結(jié)合蛋GOBP1[19]。此后,又先后從棉鈴蟲(chóng)觸角cDNA文庫(kù)中克隆到了15個(gè)OBPs、7 個(gè)CSPs、11個(gè)ORs、1個(gè)SNMP和1個(gè)鳥(niǎo)嘌呤核苷酸結(jié)合蛋白(G蛋白),并采用反轉(zhuǎn)錄-聚合酶鏈反應(yīng)(reverse transcription-polymerase chain reaction, RT-PCR)、免疫定位等技術(shù)對(duì)上述基因的時(shí)空表達(dá)特性和感器定位進(jìn)行了詳細(xì)研究,發(fā)現(xiàn)多數(shù)基因?yàn)橛|角特異表達(dá)或顯著高表達(dá)[20-30]。用克隆的Gq蛋白α亞基做誘餌進(jìn)行酵母雙雜交篩選,共鑒定到了43個(gè)與其有相互作用的陽(yáng)性克隆,其中包括性外激素結(jié)合蛋白、與分解氣味分子有關(guān)的細(xì)胞色素氧化酶COⅠ、COⅡ,以及與分泌性外激素有關(guān)的促咽側(cè)體素神經(jīng)肽前體等,為Gq蛋白α亞基參與氣味信號(hào)傳導(dǎo)與降解提供了證據(jù)[31]。在大腸桿菌系統(tǒng)中成功表達(dá)了3個(gè)性信息素結(jié)合蛋白PBP1～PBP3、2個(gè)普通氣味結(jié)合蛋白OBP2和OBP5、2個(gè)化學(xué)感受蛋白CSP5和CSP6及1個(gè)感覺(jué)神經(jīng)元膜蛋白SNMP[20,24,26,28-29,32-33]。熒光競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合試驗(yàn)表明, PBP1～PBP3對(duì)棉鈴蟲(chóng)性信息素Z11-16:Ald、Z9-16:Ald等組分具有結(jié)合作用，OBP5可識(shí)別(E)-β-法尼烯、丁酸乙酯等植物揮發(fā)物,CSP5參與識(shí)別棉花揮發(fā)物而CSP6對(duì)醛類(lèi)及萜烯類(lèi)等氣味小分子具有較強(qiáng)的結(jié)合能力[29,32-33]。通過(guò)蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)和分子對(duì)接,確定了PBP1、PBP2和OBP5識(shí)別靶標(biāo)棉鈴蟲(chóng)性信息素和相應(yīng)配體的關(guān)鍵結(jié)合位點(diǎn)[34]。隨著二代測(cè)序技術(shù)的發(fā)展,團(tuán)隊(duì)從棉鈴蟲(chóng)觸角轉(zhuǎn)錄本中挖掘到了更多化學(xué)感受相關(guān)基因,共鑒定出了47個(gè)ORs、12個(gè)IRs、26個(gè)OBPs、12個(gè)CSPs[35]。使用RNA干擾技術(shù)結(jié)合電生理和行為學(xué)試驗(yàn)進(jìn)一步在活體內(nèi)證明了性信息素結(jié)合蛋白PBP1和PBP2對(duì)主要性信息素組分Z11-16:Ald的識(shí)別作用[36]。上述研究結(jié)果為明確棉鈴蟲(chóng)化學(xué)感受相關(guān)蛋白功能、闡明棉鈴蟲(chóng)識(shí)別棉花等寄主的嗅覺(jué)機(jī)制以及研發(fā)基于嗅覺(jué)相關(guān)蛋白為靶標(biāo)的高效誘殺劑和驅(qū)避劑提供了研究基礎(chǔ)。

在中紅側(cè)溝繭蜂嗅覺(jué)機(jī)制研究方面,通過(guò)掃描電鏡和透射電鏡技術(shù)觀察了中紅側(cè)溝繭蜂觸角感器內(nèi)、外部超微結(jié)構(gòu)[37]。2009年-2014年,從中紅側(cè)溝繭蜂觸角文庫(kù)中鑒定、分離出10個(gè)OBPs、14個(gè)ORs、1個(gè)CSP和1個(gè)Gq蛋白β亞基,其中以觸角高表達(dá)基因居多[38-43]。熒光競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合試驗(yàn)表明,CSP1參與中紅側(cè)溝繭蜂對(duì)水楊酸甲酯、戊烷、羅勒烯和葉醇等植物揮發(fā)物的識(shí)別過(guò)程[44];中紅側(cè)溝繭蜂OBP1～OBP10都可結(jié)合β-紫羅蘭酮,OBP2對(duì)芳香化合物具有較強(qiáng)親和力,OBP4和OBP6可結(jié)合萜類(lèi)化合物,OBP8～OBP10可結(jié)合壬烷、法尼醇、橙花醇、壬醛、乙酸乙酯和法尼烯等植物揮發(fā)物,且上述揮發(fā)物除橙花醇和乙酸乙酯外對(duì)中紅側(cè)溝繭蜂成蟲(chóng)均具有行為活性[42,45]。2015年后,結(jié)合兩次觸角轉(zhuǎn)錄組測(cè)序數(shù)據(jù)和生物信息學(xué)分析,在中紅側(cè)溝繭蜂觸角中又鑒定到了大量的化學(xué)感受相關(guān)新蛋白,包括155個(gè)ORs、17個(gè)IRs,2個(gè)GRs、10個(gè)OBPs、2個(gè)CSPs和2個(gè)Niemann-Pick C2型(NPC2)蛋白[46-50]。通過(guò)熒光原位雜交和免疫組化技術(shù)明確了IR8a、OR“R”亞家族中的6個(gè)成員(OR98,OR124,OR125,OR126,OR131和OR155)、CSP3、NPC2a在觸角中的分布特點(diǎn)和共表達(dá)情況[47-50]。熒光競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果顯示,CSP1可結(jié)合綠葉氣味、萜烯類(lèi)和雜環(huán)類(lèi)氣味如葉醇、羅勒烯和3,4-二甲基苯甲醛等,CSP2主要結(jié)合反-2-己烯醛、檸檬醛、3,4-二甲基苯甲醛、苯甲醛和水楊酸甲酯等植物揮發(fā)物, CSP3在結(jié)合TMTT、DMNT、丁酸乙酯、水楊酸甲酯、油酸和棕櫚酸等植物揮發(fā)物和低揮發(fā)性物質(zhì)的同時(shí)還對(duì)3種夜蛾科昆蟲(chóng)性信息素(Z11-16:OH,Z11-16:Ald,E11-14:Ac)有很強(qiáng)的親和能力,NPC2a可結(jié)合 4-乙基苯甲醛、3,4-二甲基苯甲醛、β-紫羅蘭酮和芳樟醇等7種棉花揮發(fā)物組分[44,49-50]。此外,還發(fā)現(xiàn)中紅側(cè)溝繭蜂足部高表達(dá)的OBP19對(duì)非揮發(fā)性植物次生物質(zhì)包括棉酚、硫酸小檗堿、槲皮素和單寧等具有較強(qiáng)的結(jié)合能力,推測(cè)OBP19主要參與中紅側(cè)溝繭蜂足部的味覺(jué)識(shí)別過(guò)程[51]。上述研究結(jié)果為全面揭示中紅側(cè)溝繭蜂化學(xué)感受相關(guān)蛋白功能、明確其識(shí)別寄主相關(guān)信息化合物的嗅覺(jué)機(jī)制、研發(fā)天敵保育利用新策略提供了理論依據(jù)。

3 設(shè)計(jì)昆蟲(chóng)化學(xué)通訊行為調(diào)控新技術(shù),謀劃棉花害蟲(chóng)綠色防控新方向

在研究棉花-棉鈴蟲(chóng)-側(cè)溝繭蜂三級(jí)營(yíng)養(yǎng)間化學(xué)通訊機(jī)制過(guò)程中,郭予元院士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了對(duì)植物氣味化合物合成調(diào)控、昆蟲(chóng)化學(xué)感受蛋白定向敲除和昆蟲(chóng)行為調(diào)控劑靶向設(shè)計(jì)等昆蟲(chóng)化學(xué)通訊行為調(diào)控技術(shù)的研究,這些新技術(shù)和新產(chǎn)品為棉花害蟲(chóng)的高效綠色防控提供了堅(jiān)實(shí)條件保障。

在植物揮發(fā)物基因調(diào)控方面,郭予元院士團(tuán)隊(duì)成功克隆并功能驗(yàn)證了棉花內(nèi)大量參與萜烯類(lèi)物質(zhì)合成的關(guān)鍵基因,選取芳樟醇合成酶基因GhTPS12轉(zhuǎn)入煙草中,成功獲得了超表達(dá)GhTPS12的轉(zhuǎn)基因煙草。轉(zhuǎn)基因植株可釋放大量的芳樟醇,棉鈴蟲(chóng)雌蟲(chóng)在轉(zhuǎn)基因植株上的產(chǎn)卵量?jī)H為在常規(guī)植株產(chǎn)卵量的51.5%,而蚜蟲(chóng)也更偏向取食野生型植株葉片。如今,芳樟醇合成酶基因GhTPS12已經(jīng)成功轉(zhuǎn)入棉花并獲得高揮發(fā)芳樟醇種質(zhì)材料。通過(guò)基因調(diào)控或轉(zhuǎn)基因技術(shù)選育萜烯類(lèi)高揮發(fā)的作物種質(zhì)材料,將有助于多措并舉協(xié)調(diào)利用提升害蟲(chóng)和天敵的生態(tài)調(diào)控作用[13-16]。

在昆蟲(chóng)化學(xué)感受調(diào)控方面,郭予元院士團(tuán)隊(duì)選取氣味受體共受體基因Orco為靶標(biāo),向中紅側(cè)溝繭蜂腹部注射Orco的dsRNA片段,當(dāng)Orco基因表達(dá)下調(diào)后,處理組中紅側(cè)溝繭蜂對(duì)壬醛和法尼烯這兩種植物揮發(fā)物的電生理反應(yīng)顯著減小、行為趨性和選擇速度顯著降低[52]。信息素結(jié)合蛋白PBPs在昆蟲(chóng)性信息素識(shí)別中起關(guān)鍵作用,棉鈴蟲(chóng)性信息素結(jié)合蛋白PBP1和PBP2可識(shí)別其主要性信息素組分Z11-16:Ald,當(dāng)通過(guò)RNA干擾(RNA interference, RNAi)將PBP1和PBP2基因表達(dá)水平同時(shí)下調(diào),與對(duì)照組相比,干擾后的雄蛾對(duì)Z11-16:Ald的電生理反應(yīng)和行為趨向均降低了50%左右[36]。上述實(shí)踐證明了RNAi技術(shù)在中紅側(cè)溝繭蜂和棉鈴蟲(chóng)化學(xué)通訊行為調(diào)控中的可行性,同時(shí)也為設(shè)計(jì)中紅側(cè)溝繭蜂行為調(diào)控劑和棉鈴蟲(chóng)性信息素識(shí)別RNAi阻斷劑提供了分子靶標(biāo)。

在昆蟲(chóng)行為調(diào)控劑研發(fā)方面,郭予元院士團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),在田間設(shè)置蟲(chóng)害誘導(dǎo)揮發(fā)物3,7-二甲基-1,3,6-辛三烯誘芯的田塊較未處理田塊棉鈴蟲(chóng)幼蟲(chóng)被中紅側(cè)溝繭蜂寄生率提高20.22%[8]。通過(guò)行為學(xué)試驗(yàn)大規(guī)模測(cè)試了60種揮發(fā)性氣味物質(zhì)對(duì)中紅側(cè)溝繭蜂的行為活性,最終篩選出3,7-二甲基-1,3,6-辛三烯和(Z)-3-己烯乙酸酯兩種組分對(duì)中紅側(cè)溝繭蜂的引誘活性最高[53],基于此,研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了中紅側(cè)溝繭蜂、紅頸常室繭蜂等天敵保育引誘劑,并獲得專(zhuān)利授權(quán)。研究團(tuán)隊(duì)還在田間測(cè)試了7種蟲(chóng)害誘導(dǎo)揮發(fā)物及其混合物對(duì)棉田害蟲(chóng)以及7種主要天敵昆蟲(chóng)的引誘作用,發(fā)現(xiàn)如七星瓢蟲(chóng)Coccinellaseptempunctata被(Z)-3-乙酸己烯酯顯著引誘,辛醛對(duì)黑食蚜盲蝽Deraeocorispunctulatus具有明顯的吸引作用等[54]。以上昆蟲(chóng)化學(xué)通訊行為調(diào)控新技術(shù)和新產(chǎn)品的應(yīng)用實(shí)踐,開(kāi)辟了面向產(chǎn)業(yè)需求解決棉花害蟲(chóng)綠色防控課題的新路徑。

本文綜述了郭予元院士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在棉花-棉鈴蟲(chóng)-側(cè)溝繭蜂三級(jí)營(yíng)養(yǎng)間化學(xué)通訊機(jī)制研究中做出的重要貢獻(xiàn),同樣的研究方法和策略也在其他昆蟲(chóng)如綠盲蝽Apolyguslucorum、小地老虎Agrotisipsilon、草地貪夜蛾Spodopterafrugiperda以及多異瓢蟲(chóng)Hippodamiavariegata等研究中得到了廣泛運(yùn)用[55-68],這些研究在農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)中具有重要的指導(dǎo)意義。團(tuán)隊(duì)在后續(xù)研究中,繼承和發(fā)展郭予元院士學(xué)術(shù)思想,在棉花-害蟲(chóng)-天敵三級(jí)營(yíng)養(yǎng)間的化學(xué)通訊機(jī)制研究中創(chuàng)新突破,取得了一系列標(biāo)志性科研成果。接續(xù)團(tuán)隊(duì)通過(guò)轉(zhuǎn)基因策略和合成生物學(xué)技術(shù)成功培育了對(duì)棉花害蟲(chóng)和天敵嗅覺(jué)行為具有調(diào)控功能的萜烯類(lèi)高揮發(fā)作物種質(zhì)材料,利用生物信息學(xué)、體外表達(dá)、RNAi、基因編輯以及單感器記錄等電生理和行為學(xué)等技術(shù)解析了重要昆蟲(chóng)化學(xué)感受相關(guān)受體在棉花害蟲(chóng)及天敵昆蟲(chóng)化學(xué)通訊中的調(diào)控功能,設(shè)計(jì)了基于嗅覺(jué)受體為靶標(biāo)的嗅覺(jué)行為調(diào)控劑并在田間進(jìn)行了大量應(yīng)用實(shí)踐[69-87]。隨著分子生物學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、合成生物學(xué)、生物信息學(xué)以及人工智能等新型技術(shù)的迅猛發(fā)展,昆蟲(chóng)化學(xué)通訊的研究與其他學(xué)科交叉融合日趨深入,其實(shí)踐應(yīng)用也正朝著鏈條設(shè)計(jì)、靶標(biāo)控制、精準(zhǔn)行為等方向穩(wěn)步發(fā)展,我國(guó)的昆蟲(chóng)化學(xué)生態(tài)學(xué)研究水平已處于世界前列。響應(yīng)科教興國(guó)戰(zhàn)略,對(duì)標(biāo)四個(gè)面向,新時(shí)代植保工作者將繼續(xù)傳承并發(fā)揚(yáng)以郭予元院士為代表的老一輩科學(xué)家的科學(xué)精神,為國(guó)家生物安全、糧食安全、生態(tài)安全和人民生命安全做出新的更大貢獻(xiàn)。