项目文章｜单细胞测序揭秘美洲大蠊的“爱情密码”

2024年3月，华南师范大学生命科学学院昆虫科学与技术研究所李胜教授团队在Science China Life Sciences期刊在线发表题为“Two sex pheromone receptors for sexual communication in the American cockroach”的研究论文。他们以美洲大蠊为研究对象，通过行为测定、性别-年龄特异性转录组、荧光原位杂交（FISH）和单细胞测序等技术，揭示了雌虫两种性信息素成分 (PB和PA) 通过两种嗅觉受体 (OR53和OR100) 共同调控雄虫求偶交配行为的嗅觉分子机制。

文章标题：Two sex pheromone receptors for sexual communication in the American cockroach

期刊名称：Science China Life Sciences

研究对象：美洲大蠊触角

研究方法：行为测定、性别-年龄特异性转录组、荧光原位杂交（FISH）和单细胞核测序；下游实验：昆虫电生理学、果蝇遗传学、RNAi实验

百迈客生物为该研究提供了转录组和单细胞核转录组测序分析服务。

研究背景

性信息素在昆虫求偶交配行为的化学通讯中发挥着至关重要的作用。美洲大蠊（Periplaneta americana）雌虫主要释放两种挥发性性信息素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的相互作用以及两者在雄虫求偶交配行为中的调控机制尚不清楚。

实验材料

SnRNA-seq：羽化后（DAE）9天的美洲大蠊雄虫触角（n=1）；

Bulk RNA-seq：1、3、5、7、9 DAE的美洲大蠊雄虫触角（n=4），雄虫（触角、前足、头部、口器、精巢和翅），雌虫触角（n=4）。

研究结果

1.PB能吸引性成熟的雄性，而PA能抵消PB的功能

研究团队使用Y型管嗅觉仪对不同日龄的雄虫进行了行为学测试，以观察它们对PB和PA的反应。此外，通过视频记录和分析，评估了雄虫的交配行为。交配率在5 DAE时增加到近50%，6 DAE时增加到60%以上，此后缓慢而稳定地积累（图1A）。雄虫对PB和PA的偏好测试结果反应，PB是主要的性信息素成分，能够显著吸引雄虫。而PA虽然单独存在时不吸引雄虫，但其存在能够减弱PB的吸引作用（图1B-D），表明PA可能在调节性行为中起到平衡作用。

通过单感器记录（SSR）技术，研究人员探索了雄虫对两种性信息素成分PA和PB的响应（图1E-F）。研究人员，发现了两种类型的感受器对PA和PB的响应模式：类型1：对PA和PB两者都有明显的响应，即产生了强烈的电生理动作电位。类型2：仅对PB有强烈的响应，而对PA的响应较弱或没有明显响应。结果表明，PA和PB可能作用于至少两种不同的嗅觉受体神经元（ORNs）或者在至少两种类型的感器中共享嗅觉受体，以调节雄虫的求偶交配行为。

2.OR53和OR100主要在性成熟雄性的触角中表达

研究人员利用Bulk RNA测序技术分析了雄虫不同组织中嗅觉受体基因的表达情况，并通过果蝇遗传学方法，将美洲大蠊的嗅觉受体基因在果蝇中表达，以鉴定PA和PB的受体。通过RNA测序分析得到的嗅觉受体基因在不同组织（雄虫触角-MA、雌虫触角-FA、雄虫前足-MF、雄虫头部-MH、雄虫口器-MM、雄虫精巢-MT和雄虫翅-MW）和不同日龄中的表达水平（图2A、2B），以及通过qPCR验证的OR53、OR100和ORco基因在雄虫触角中敲除fru或dsx基因后的表达水平（图2C），以及经过营养信号通路抑制剂处理后的表达水平变化（图2D）。研究鉴定出OR53和OR100为PA/PB和PA的受体，并发现它们在雄虫触角中的表达模式与行为测定结果相吻合，证实了这两种受体在性信息素感知中的关键作用。

3.OR53和OR100分别是PB/PA和PA受体

研究人员利用UAS-OR53和UAS-OR100转基因果蝇品系，通过RNAi实验敲除了美洲大蠊中的OR53和OR100基因，进而研究这些嗅觉受体在求偶交配行为中的作用。敲除这些基因后对PA和PB反应的SSR测试结果，敲低OR53的表达显著削弱了ORN对PB的反应，但对ORN对PA的反应只有轻微的影响（图3B）。OR53和OR100基因敲除对雄虫行为选择和交配率的影响（图3D、3E）。敲除实验证实了OR53和OR100在性信息素感知和行为调控中的关键作用，特别是OR53在PB诱导的求偶交配行为中的重要性。OR100的敲除则表明PA可能通过OR100发挥调节作用。

4.OR53和OR100定位于两种锥形感受器

研究人员利用FISH技术，观察到OR53、OR100和ORco经常在同一个感受器中表达，说明大多数基本感受器同时含有OR53和OR100的ORN。为了更系统地研究OR基因的表达，研究人员使用性成熟雄虫的触角进行了单细胞测序。测定每簇细胞的基因表达水平，鉴定出Cluster 2为ORco高表达的ORN(图4B)。进一步分析Cluster 2细胞得到12个亚型(图4C)。其中大部分感受器同时具有OR53和OR100两种OR53 ORNs，而少数感受器仅具有OR53 ORNs。12个亚型中有4个同时表达OR53和OR100，可能对应于主要的1-型感受器的ORNs。在2-亚型中，还发现了OR53的显著表达亚型，可能对应2型感受器的ORNs，也可能只有少量的感受器OR100 ORNs(图4D)。这些结果进一步支持了性成熟雄虫触角中至少存在两种锥形感受器。

研究

研究结果表明，PB作为主要的性信息素成分，通过激活OR53受体来诱导雄虫的求偶交配行为。而PA虽然单独存在时不吸引雄虫，但其存在能够通过两种可能的途径减弱PB的吸引作用：一是PA与PB竞争激活相同的受体OR53，二是PA通过激活其特定的受体OR100来抑制性行为。该研究确定了两种性信息素嗅觉受体以及可能调控雄虫特异性和年龄依赖性求偶交配行为的分子机制，有助于发展绿色防蟑技术及害虫综合管理策略。

参考文献：

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.