【摘 要】
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昆虫与植物间的传粉关系对维持生态系统结构和功能的稳定至关重要。昆虫嗅觉对植物挥发物的精准识别是传粉关系建立的关键环节。昆虫嗅觉的复杂性和植物挥发物的多样性使得探究传粉关系中昆虫对植物挥发物的特异性识别充满挑战。作为强制性互惠共生体系,榕属植物仅依靠专性传粉小蜂为其授粉,且传粉小蜂的幼虫仅能在寄主榕属植物的隐头花序中发育成长。传粉小蜂主要通过嗅觉感知寄主植物隐头花序释放的化学物质进行寄主识别。因此,
【基金项目】
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国家自然科学基金重点项目“榕-传粉小蜂共生体系关键生态适应的进化机制”(31630008);
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昆虫与植物间的传粉关系对维持生态系统结构和功能的稳定至关重要。昆虫嗅觉对植物挥发物的精准识别是传粉关系建立的关键环节。昆虫嗅觉的复杂性和植物挥发物的多样性使得探究传粉关系中昆虫对植物挥发物的特异性识别充满挑战。作为强制性互惠共生体系,榕属植物仅依靠专性传粉小蜂为其授粉,且传粉小蜂的幼虫仅能在寄主榕属植物的隐头花序中发育成长。传粉小蜂主要通过嗅觉感知寄主植物隐头花序释放的化学物质进行寄主识别。因此,“榕-蜂”的化学通讯是双方相互适应的关键环节,是促进双方协同进化的重要驱动因素。然而,传粉小蜂特异性识别寄主榕挥发物的分子机制尚不明确,对该机制的探索将为揭示昆虫与植物多样性的产生与维持提供重要理论指导。本研究以薜荔-薜荔小蜂为例,通过动态顶空吸附技术、气相色谱-质谱联用技术(GC-MS)、气相色谱-昆虫触角电位联用技术(GC-EAD)和Y型嗅觉仪选择分析筛选薜荔特异性吸引薜荔小蜂的化学物质。基于薜荔小蜂基因组、转录组、蛋白组测序技术,基序预测方法、原核表达以及表面等离子共振技术,获得薜荔小蜂气味结合蛋白谱和气味受体库,并从中鉴定出识别薜荔挥发物的嗅觉蛋白及其编码基因。基于薜荔小蜂嗅觉基因家族的直系同源基因聚类和选择压力分析,检测嗅觉基因的进化。主要结果和结论如下:(1)薜荔挥发物粗提物的GC-MS分析表明:接受期薜荔雌果释放51种挥发物,接受期薜荔雄果释放38种。GC-EAD分析显示:癸醛、壬醛和芳樟醇能引起薜荔小蜂的电生理响应。Y型嗅觉仪选择分析表明:3种电生理活性成分中的癸醛能够引起薜荔小蜂的趋向行为。癸醛在接受期薜荔雌雄果挥发物总谱中相对含量分别为1.44%和1.10%,而接受前期薜荔雌雄果挥发物总谱中不含癸醛。上述结果表明,接受期薜荔通过癸醛吸引其专性传粉小蜂。(2)基于二代、三代基因组测序方法获得了薜荔小蜂高质量基因组(contig N50达10.9 Mb),并采用Hi-C技术将小蜂基因组组装到了假染色体水平。使用BLASTP、TBLASTN和气味结合蛋白的特征从薜荔小蜂基因组中鉴定出了12个气味结合蛋白。基于基序结构预测和亲和力实验验证,薜荔小蜂12个气味结合蛋白中特异性识别癸醛的主要是WpumOBP2。转录组和蛋白组分析结果表明,WpumOBP2基因是12个OBPs基因中表达量最高的基因。薜荔小蜂、对叶榕小蜂、小叶榕小蜂和粗叶榕小蜂气味结合蛋白谱的聚类分析表明:4种榕小蜂的气味结合蛋白谱差异不大,WpumOBP2基因也不是物种特异性的基因。直系同源基因的选择压力结果表明:相对于另3种榕小蜂,薜荔小蜂中的WpumOBP2基因受到了更强的选择约束,因而其编码的蛋白WpumOBP2功能高度保守,不易出现功能冗余。上述结果表明,WpumOBP2是薜荔小蜂特异性识别接受期薜荔的主要气味结合蛋白。(3)采用BLASTP、TBLASTN和气味受体的结构域特征从薜荔小蜂基因组上鉴定出了67个薜荔小蜂气味受体。系统发育分析和基序结构分析预测出:67个薜荔小蜂气味受体中的WpumOR65具有癸醛识别功能。系统发育分析表明WpumOR16是薜荔小蜂的气味受体伴侣蛋白。转录组分析结果表明:WpumOR65基因和WpumOR16基因是薜荔小蜂气味受体库中极少数表达量较高的气味受体基因。薜荔小蜂、对叶榕小蜂、小叶榕小蜂和粗叶榕小蜂气味受体库聚类分析结果表明:4种榕小蜂气味受体库差异巨大,这为4种小蜂的嗅觉偏好差异提供了分子基础;WpumOR65基因则仅在小叶榕小蜂中有一个直系同源基因Ever OR1。选择压力分析显示:WpumOR65基因受到选择约束作用,其编码蛋白功能保守。上述结果表明,WpumOR65薜荔小蜂特异性识别接受期薜荔的气味受体蛋白,薜荔小蜂的气味受体伴侣蛋白是WpumOR16。综上,本研究表明癸醛是具有吸引传粉者作用的薜荔挥发物,WpumOBP2、WpumOR16和WpumOR65是薜荔小蜂特异性识别接受期薜荔的嗅觉蛋白。这项工作为理解强制性互惠共生关系建立与维持的分子机制提供了范例,也拓展了“昆虫-植物”互作关系形成机制的前沿。
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