近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所抗蟲功能基因研究與利用創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)與深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所、挪威科技大學(xué)、德國馬克斯•普朗克研究所等單位聯(lián)合在《國家科學(xué)評論》（National Science Review）上在線發(fā)表研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)了二氧化碳（CO2）作為關(guān)鍵化學(xué)信號調(diào)控棉鈴蟲的產(chǎn)卵行為，并對三個(gè)味覺受體共同介導(dǎo)棉鈴蟲對二氧化碳的感知和行為響應(yīng)的分子和神經(jīng)機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，擴(kuò)展了對二氧化碳生態(tài)學(xué)意義的認(rèn)識。
自工業(yè)革命以來，大氣二氧化碳濃度已從278ppm急劇上升至420ppm（2023年），這種變化正在通過改變溫度、降水等氣候因子深刻重塑生態(tài)系統(tǒng)格局。昆蟲作為地球上多樣性最豐富的生物類群，在生態(tài)系統(tǒng)中具有不可替代的作用，其生命活動(dòng)對二氧化碳濃度變化異常敏感。多種昆蟲已進(jìn)化出特定的味覺受體來感知二氧化碳濃度變化，進(jìn)而影響其覓食、避害等行為策略。然而，二氧化碳如何調(diào)控昆蟲繁殖行為（尤其是產(chǎn)卵行為）這個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題尚未明確。
該研究發(fā)現(xiàn)，棉鈴蟲利用植物釋放的二氧化碳作為產(chǎn)卵信號，優(yōu)先選擇二氧化碳濃度較高的幼嫩葉片產(chǎn)卵。這一產(chǎn)卵策略可以顯著提升后代適應(yīng)性，表現(xiàn)為后代幼蟲生長發(fā)育速率和存活率顯著提高。
不過，當(dāng)模擬未來大氣環(huán)境將二氧化碳濃度升高至1000ppm條件時(shí)，雌蟲對幼嫩葉片的產(chǎn)卵偏好性顯著降低，揭示了二氧化碳濃度上升對昆蟲種群繁衍的潛在影響。
進(jìn)一步對二氧化碳調(diào)控產(chǎn)卵行為的機(jī)制進(jìn)行研究，成功鑒定出棉鈴蟲下唇須中特異性表達(dá)的三個(gè)味覺受體（HarmGR1、HarmGR2、HarmGR3）共同介導(dǎo)了棉鈴蟲對二氧化碳的感知，受體激活引起的外周信號投射至觸角葉的下唇須陷窩器嗅小球，并進(jìn)一步傳遞至大腦的高級神經(jīng)中樞，引起二氧化碳響應(yīng)行為。
利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)敲除任一受體都會導(dǎo)致棉鈴蟲喪失二氧化碳感知能力，進(jìn)而破環(huán)其基于CO2梯度選擇最優(yōu)產(chǎn)卵位點(diǎn)的行為策略。
該研究運(yùn)用生物化學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、電生理學(xué)、行為學(xué)和基因敲除等研究手段，從分子、神經(jīng)和行為學(xué)多層面全方位解析了二氧化碳調(diào)控棉鈴蟲產(chǎn)卵行為的機(jī)制，并深入探討了這一機(jī)制在昆蟲和植物互作中的生態(tài)學(xué)意義，為大氣二氧化碳濃度變化對昆蟲繁殖行為的影響提供了有力證據(jù)，對預(yù)測氣候變化下的生物多樣性變遷具有重要理論價(jià)值，也為全球溫室效應(yīng)下的農(nóng)業(yè)害蟲防控提供了新的思路。
中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所研究員王桂榮和劉楊為論文通訊作者，農(nóng)業(yè)基因組研究所和植物保護(hù)研究所聯(lián)合培養(yǎng)博士后陳秋燕為論文第一作者。研究得到國家自然科學(xué)基金、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程基礎(chǔ)科學(xué)研究中心等項(xiàng)目的資助。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf270
