蛾類昆蟲具有十分靈敏的嗅覺，用來識別同種異性釋放的性信息素和寄主植物釋放的氣味物質。近緣種棉鈴蟲和煙青蟲是我國重要的農業害蟲，前者取食30餘科200多種植物，後者隻取食茄科的少數幾種植物。二種昆蟲均以順11-十六碳烯醛（Z11-16:Ald）和順9-十六碳烯醛（Z9-16:Ald）構成二元性信息素，但比例正好相反，分別為97:3和7:93。王琛柱研究組以這兩個近緣種研究係統，綜合運用生物信息學、分子生物學、電生理學和行為學等技術與方法，係統地揭示了昆蟲上述特點背後的生理、生化和分子生物學基礎。 

　　為揭示兩種昆蟲的雌性性信息素比例差異的分子基礎，該組博士生李睿婷等通過分析昆蟲性信息素腺體的轉錄組，比較性信息素生物合成通路中相關酶基因的表達模式，發現催化11位脫飽和作用的脫飽和酶基因LPAQ在棉鈴蟲腺體中的表達量是煙青蟲中的70倍， 而另一個催化9位脫飽和作用的脫飽和酶基因NPVE則剛好相反，在煙青蟲腺體中的表達量是棉鈴蟲腺體中的60倍。 在對兩種昆蟲進行種間雜交的基礎上，他們成功地獲得了雜交代與煙青蟲雌蟲的回交後代，接著檢測了在單個腺體中相關基因的表達量和兩種組分的含量，明確在回交個體中，LPAQ的表達水平與Z11-16:Ald的含量呈正相關，而NPVE的表達水平與Z9-16:Ald的含量呈正相關。綜合研究結果表明，兩種昆蟲性信息素比例的差異是由LPAQ 和NPVE的表達分歧所決定。該研究成果以“Expressional divergences of two desaturase genes determine the opposite ratios of two sex pheromone components in Helicoverpa armigera and Helicoverpa assulta”為題，在線發表在昆蟲學頂級期刊Insect Biochemistry and Molecular Biology上（論文鏈接）。 

　　那麼兩種蛾的雄性是如何識別比例相反的性信息素的呢？信息素受體在其中發揮著關鍵性的作用。前期的研究對調諧Z11-16:Ald的信息素受體基因已鑒定，分別為HassOr13和HarmOr13，但調諧Z9-16:Ald的信息素受體一直是個謎。該組博士生楊科等利用爪蛙卵母細胞表達係統和雙電極電壓鉗技術，首次鑒定HassOr14b是調諧煙青蟲最主要的性信息素組分Z9-16:Ald的信息素受體基因。通過雙色原位雜交實驗，明確HassOr14b與HassOr6或HassOr16共定位於煙青蟲觸角的C型毛形感器中，但在不同的嗅覺感受神經元表達。作為煙青蟲的直係同源基因，棉鈴蟲的HarmOr14b卻調諧順9-十四碳烯醛（Z9-14:Ald）。為了探明這對直係同源基因功能差異的原因，他們製備了一係列HassOr14b突變體，用HarmOr14局部和單位點的氨基酸序列取代HassOr14b的相應序列，結果發現，位於受體細胞膜內區域的兩個氨基酸位點，即F232I和 T355I，共同決定了這一對信息素受體在配體選擇性上的差異。由此認為，這兩種近緣種昆蟲信息素受體功能的特化可來自於少數幾個氨基酸位點的替換，這為近緣種昆蟲的演化提供了新的思路。該項研究成果以“Two single-point mutations shift the ligand selectivity of a pheromone receptor between two closely related moth species” 為題，於2017年10月25日在線發表在國際著名期刊eLife上（論文鏈接）。 

　　針對棉鈴蟲幼蟲食性廣的特點，該研究組還研究了棉鈴蟲幼蟲嗅覺感受的分子機製。博士生底暢等通過對棉鈴蟲幼蟲的主要嗅覺感受器官——觸角和下顎的轉錄組進行測序，共鑒定得到17個嗅覺受體基因，獲得了其中11個嗅覺受體的完整的開放閱讀框。通過對這11個嗅覺受體進行功能分析，共得到其中7個嗅覺受體的化合物調諧譜。根據幼蟲嗅覺受體的調諧譜和植物氣味化合物在不同濃度下對棉鈴蟲幼蟲的吸引作用，通過一係列行為學檢測發現，四元組分混合物MJAP對棉鈴蟲幼蟲的吸引力最強，其吸引力甚至高於寄主植物青椒的汁液。進一步的行為學實驗證實，順式茉莉酮和1-戊醇是MJAP中的關鍵組分。通過熒光原位雜交實驗明確，調諧順式茉莉酮和1-戊醇的氣味受體Or41和Or52在幼蟲觸角的同一個神經元中表達。該研究首次根據氣味受體基因的表達位置和其最有效配體設計混合物，最終找到了能夠強烈吸引棉鈴蟲幼蟲的混合物，為尋找治理棉鈴蟲新方法提供了新的思路。該研究成果以“Designing larval chemical attractants based on odorant response spectra of olfactory receptors in cotton bollworm”為題，也發表在近期的Insect Biochemistry and Molecular Biology上（論文鏈接）。 

　　上述研究得到中國科學院戰略性先導科技專項（B類）(XDB11010300)、國家自然科學基金委員會重點項目(31130050)、國家重點研發計劃(2017YFD0200400)、國家重點基礎研究發展規劃(973)項目(2013CB127600)等的資助。