果蝇及其植食性近缘种中芥子油毒性规避的嗅觉受体演化机制研究

本研究揭示了非专食性果蝇Drosophila melanogaster通过嗅觉受体Or42a介导对芥子油化合物（ITCs）的嗅觉检测与行为规避机制，并在植食性近缘种Scaptomyza flava中发现该受体的三重复制及功能分化。研究人员结合单感受器电生理记录、行为学分析和AlphaFold2结构预测，发现两个关键氨基酸替换（A181D/S307P）使受体敏感性从果香转向ITCs。该发现为理解昆虫对有毒植物的嗅觉适应提供了分子演化范例。

　　

在植物与昆虫的军备竞赛中，芥子油化合物（isothiocyanates, ITCs）作为十字花科植物的化学防御武器，能通过共价修饰生物分子对多数昆虫产生毒性。虽然专食性昆虫已进化出解毒机制，但非专食性昆虫如何通过嗅觉系统识别这类挥发性毒素仍是未解之谜。东京大学与加州大学伯克利分校的联合研究团队，以微生物食性的黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）及其植食性近缘种Scaptomyza flava为模型，揭示了嗅觉受体在毒素检测与宿主适应中的关键演化机制。

研究采用多学科交叉方法：通过单感受器记录（SSR）鉴定对ITCs敏感的嗅觉神经元；利用基因敲除和异源表达系统验证Or42a的功能；结合RNA测序分析受体基因表达谱；采用AlphaFold2预测受体三维结构并通过位点定向突变验证关键氨基酸位点。样本来源于实验室培养的果蝇品系及野外采集的Scaptomyza种群。

2-1. 挥发性芥子油对果蝇的急性毒性
暴露实验显示，浓度为1:50（体积比）的挥发性烯丙基ITC（AITC）能在10分钟内使90%果蝇麻痹，证实这类化合物对非专食性昆虫具有强神经毒性。这种快速 immobilization 现象提示嗅觉检测可能具有生存适应价值。

2-2. Or42a介导的嗅觉检测机制
电生理记录发现，果蝇下颚须的pb1a感器对AITC响应最强（>100 spikes/sec）。通过比较野生型与Or42a敲除品系，证实该受体是AITC嗅觉检测的关键分子传感器。值得注意的是，触觉受体TrpA1的缺失不影响嗅觉响应，说明两种检测系统相互独立。

2-3. 嗅觉引导的行为规避
双选择实验中，野生型果蝇显著回避含AITC的管道（p<0.001），而Or42a突变体仅在第65分钟表现出回避行为，可能是由于后期气味分子在管壁沉积引发的接触性检测。摄食实验进一步证实，AITC气味能通过Or42a抑制果蝇的糖水摄取量（p<0.001）。

2-4. 植食性物种的嗅觉受体扩张
比较生理学研究发现，芥菜专食性物种S. flava和S. montana的pb1a样感器对多种ITCs（异丁基ITC、丁基ITC等）具有广谱敏感性，而微生物食性物种仅对AITC响应。剂量反应曲线显示，植食性物种对ITCs的半最大效应浓度（EC₅₀）显著降低，表明敏感性增强。

2-5-6. 基因复制与神经元扩增
基因组分析揭示S. flava特有的Or42a三重复制事件（Or42a2-4），RNA测序证实这些旁系同源基因在下颚须高表达。荧光原位杂交显示，S. flava的Or42a阳性嗅觉感觉神经元（OSNs）数量是近缘种S. pallida的2.3倍（p<0.01），形成形态与分子的协同进化。

2-7-8. 受体敏感性的分子开关
通过AlphaFold2结构预测发现，S. flava Or42a4的S5-S6螺旋区与Or42a3存在显著构象差异（RMSD=1.7?）。关键位点A181D和S307P的引入使该区域RMSD降至0.1?，功能实验证实这两个突变足以将受体偏好性从果香化合物γ-己内酯转向丁基ITC。

这项研究首次阐明：非专食性昆虫通过保守的Or42a检测挥发性植物毒素；植食性物种通过基因复制和关键氨基酸替换实现受体功能的多样化；嗅觉神经元数量的扩张增强化学信号检测能力。这些发现为理解昆虫宿主转移的感官基础提供了新视角，揭示嗅觉受体可通过少量突变快速适应新的生态位。从应用角度看，鉴定ITCs的特异性嗅觉受体为开发新型驱虫剂提供了分子靶点，而受体演化机制对理解动物化学感知系统的可塑性具有普遍意义。