基于转基因果蝇的昆虫离子型受体功能表征新策略及其在农业害虫化学感受机制研究中的应用

本研究通过转基因果蝇嗅觉神经元系统，首次实现了远缘昆虫物种（小卷蛾Cydia pomonella和斑翅果蝇Drosophila suzukii）离子型受体（IRs）的功能去孤儿化，揭示了IR41a1对多胺类化合物和IR75d对己酸的结合特性，为农业害虫化学感受机制研究提供了新工具。研究人员创新性地利用"离子型受体解码神经元"和共表达策略，克服了传统异源表达系统的局限性，相关成果发表于《BMC Biology》。

　　

在昆虫化学感受领域，离子型受体（Ionotropic Receptors, IRs）作为一类与离子型谷氨酸受体（iGluRs）同源的跨膜化学感受器，在嗅觉感知中扮演着关键角色。尽管在模式生物黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）中已有18种IR亚基的功能被阐明，但对于农业重要害虫如小卷蛾（Cydia pomonella）和斑翅果蝇（Drosophila suzukii）的IRs研究仍存在巨大空白。传统异源表达系统如非洲爪蟾卵母细胞存在与天然嗅觉环境差异大、灵敏度低等问题，而果蝇"空神经元"系统此前仅成功应用于近缘物种的IRs功能研究。这种技术限制严重阻碍了对远缘昆虫物种化学感受机制的理解，也制约了基于嗅觉干扰的害虫防控策略开发。

来自瑞典农业科学大学和瑞士洛桑大学的研究团队在《BMC Biology》发表了一项突破性研究。该研究通过两种创新策略——在果蝇嗅觉感觉神经元（OSNs）中与内源IRs共表达外源受体，以及利用基于不同辅助受体（IR8a或IR25a）的"离子型受体解码神经元"系统，首次实现了远缘昆虫物种IRs的功能表征。研究不仅成功去孤儿化了小卷蛾IR41a1和斑翅果蝇IR75d，还揭示了IR64a表达对邻近神经元活动的抑制效应，为理解昆虫化学感受的复杂调控机制提供了新视角。

研究主要采用四大关键技术：1）通过Gateway克隆技术构建昆虫IRs表达载体；2）利用PhiC31整合系统生成转基因果蝇品系；3）单感器记录（SSR）技术分析嗅觉神经元电生理响应；4）结合荧光原位杂交（FISH）和AlphaFold结构建模解析受体功能机制。实验选用3-8日龄雄性果蝇进行SSR记录，测试了23种配体的反应谱，并通过剂量反应实验验证关键配体的结合特性。

【替代策略验证】
研究首先在表达内源DmelIR76a的ac4感器中共表达小卷蛾CpomIR41a1，发现该受体对吡啶、腐胺、尸胺和亚精胺产生特异性响应，证实了远缘物种IRs与果蝇辅助受体可形成功能性异源复合体。剂量反应曲线显示CpomIR41a1对亚精胺（EC₅₀
=8.49×10^-8
mol）比腐胺更敏感，结构分析发现其配体结合域（LBD）保留了与iGluRs相似的S1精氨酸（Arg285）和S2谷氨酸（Glu480）关键残基。

【新型解码神经元开发】
通过构建不表达内源DmelIR75d但保留DmelIR25a的转基因品系，研究人员首次将"离子型受体解码神经元"策略拓展至IR25a系统。表达斑翅果蝇DsuzIR75d的神经元对己酸产生特异性响应（p=0.02），而野生型神经元无此反应。结构比对发现，尽管DsuzIR75d与DmelIR75d都保留酸感知IRs特有的S1精氨酸（Arg350），但前者在S2结构域存在Gln478Arg非保守替换，这可能是其获得酸感知能力的关键。

【意外发现与机制探索】
在IR8a解码神经元中表达DsuzIR64a虽未重现其直系同源体DmelIR64a的酸感知功能，但意外发现该表达抑制了邻近神经元对吡咯烷等配体的反应。FISH证实DsuzIR64a在斑翅果蝇囊泡附近约26个OSNs中表达，与DmelIR64a分布模式相似。结构分析发现DsuzIR64a在离子通道孔环区缺失三个连续谷氨酰胺，可能是其功能异常的结构基础。

【异源表达系统比较】
尽管免疫组化证实人胚胎肾细胞（HEK293T）能正确表达DsuzIR8a，但共表达CpomIR41a1/CpomIR25a/CpomIR76b或DmelIR8a/DmelIR84a均未检测到配体诱导的钙信号或膜电位变化，凸显了果蝇OSNs系统对IRs功能研究的不可替代性。

研究结论指出，该工作首次证明果蝇OSNs可作为跨目级昆虫IRs研究的通用平台：1）通过共表达策略成功表征了鳞翅目昆虫的IR41a1；2）将解码神经元系统拓展至IR25a辅助受体；3）揭示了IRs异源表达对邻近神经元活动的非自主调控现象。这些发现不仅为农业害虫如小卷蛾和斑翅果蝇的化学感受机制研究奠定基础，更重要的是建立了一套适用于非模式昆虫IRs功能研究的标准化流程。结构-功能分析鉴定的关键氨基酸残基（如IR75d的Arg478）为未来基于CRISPR的受体功能改造提供了靶点，而建立的转基因品系将成为研究昆虫化学感受进化的重要工具。研究还提示昆虫IRs功能可能依赖于嗅觉感器特有的微环境，这对理解化学感受受体在天然系统中的组装机制具有重要启示。