二氧化碳驱动棉铃虫产卵行为：气候变化下农业害虫生态适应的分子机制

为解决气候变化下CO2浓度升高如何影响昆虫繁殖行为的科学问题，中国农业科学院团队通过CRISPR/Cas9基因编辑等技术，发现棉铃虫(Helicoverpa armigera)通过HarmGR1/2/3受体三聚体感知植物释放的CO2梯度选择产卵位点，揭示大气CO2浓度升高将破坏其产卵偏好，为气候变化生态学研究提供重要范式。该成果发表于《National Science Review》。

　　

随着全球气候变化加剧，大气二氧化碳(CO₂)浓度已从工业革命前的278 ppm飙升至420 ppm，这种被称为"温室气体"的分子正在重塑整个地球生态系统。昆虫作为地球上最繁盛的生物类群，其生存策略与CO₂有着微妙而复杂的关系——从果蝇(Drosophila melanogaster)通过GR21a/GR63a受体躲避高浓度CO₂，到蚊子(Aedes aegypti)利用AaegGR1/AaegGR3寻找宿主，这种无色无味的气体竟是昆虫世界里的"隐形指挥家"。然而在气候变化背景下，一个关键科学问题始终悬而未决：CO₂如何影响昆虫的繁殖决策？特别是对于棉铃虫(Helicoverpa armigera)这类每年造成全球数十亿美元损失的农业害虫，其雌蛾产卵时的"选址智慧"是否会被不断攀升的CO₂浓度打乱？

中国农业科学院植物保护研究所的科研团队在《National Science Review》发表的研究给出了突破性答案。通过整合行为学、神经生物学和基因编辑技术，研究人员首次揭示棉铃虫雌蛾竟将植物释放的CO₂作为"产卵指南针"，而这种精妙的生态适应策略正面临气候变化的严峻挑战。

研究采用多学科交叉技术路线：通过开放顶棚(Open-top chambers)模拟不同CO₂浓度环境，结合Y型嗅觉仪和双选择产卵实验评估行为变化；利用Li-7000 CO₂分析系统量化叶片CO₂释放梯度；采用CRISPR/Cas9构建HarmGR1/2/3单基因敲除品系；通过电触须电图(EAG)、电唇须电图(ELPG)和单感器记录(SSR)分析神经电活动；借助双光子钙成像技术观察触角叶(antennal lobe)中唇须器小球(LPOG)的神经编码。

研究结果层层递进：
【Oviposition on young leaves increases offspring fitness in H. armigera】
在自然模拟实验中，棉铃虫雌蛾显著偏好幼嫩叶片产卵，其后代存活率(提高37%)和体型发育(6天后体重增加28%)均显著优于在老叶上孵化的个体。这种"母婴营养策略"的发现为理解产卵偏好提供了生态学基础。

【Elevated atmospheric CO₂ disrupts oviposition preference】
当CO₂浓度从400 ppm升至1000 ppm时，雌蛾对幼叶的产卵指数从0.63骤降至0.16，出现显著的"选址失准"。这一现象暗示植物-昆虫的化学对话系统正在被气候变化干扰。

【Young leaves emit higher concentrations of CO₂】
精密测量显示幼叶CO₂释放量比老叶高200 ppm，包括呼吸速率(提高1.8倍)和叶表CO₂浓度(增加2.1倍)等参数。这为行为偏好提供了物理解释——棉铃虫实际是在追踪植物的"代谢呼吸图谱"。

【CO₂ induce female moth oviposition behaviors】
行为实验揭示交配后雌蛾对400-1000 ppm CO₂表现特异性趋性，而处女雌蛾和雄蛾无此反应。双选择产卵实验进一步证实，该浓度范围的CO₂能直接诱发产卵行为。

【Three gustatory receptors are essential for CO₂ detection】
基因表达谱显示HarmGR1/2/3特异性富集于唇须器(LPO)。电生理记录发现，任一受体敲除均导致CO₂神经反应完全消失，钙成像显示突变体LPOG区域信号传导中断，证实三者构成功能性受体三聚体。

【All three receptors are indispensable for CO₂-induced oviposition behavior】
基因敲除品系在Y型管中对CO₂趋性完全丧失，产卵偏好指数下降64%。尤为关键的是，突变体虽保持总产卵量，但丧失了对幼叶的选择能力，直接证明GR介导的CO₂感知是产卵选址的"分子罗盘"。

这项研究在生态学和神经生物学层面均具有里程碑意义。在理论上，首次阐明CO₂作为"生态信息素"调控昆虫繁殖行为的完整通路：从植物代谢梯度→唇须器三聚体受体→LPOG神经编码→行为输出的四级传导机制。在应用层面，HarmGR1/2/3的发现为开发新型"诱杀"策略提供靶点，如通过RNA干扰破坏害虫的CO₂感知能力。更深远的是，研究预测当大气CO₂浓度达1000 ppm时，棉铃虫产卵选址准确率将下降75%，这种"气候失配"现象可能引发农业生态链的级联效应。

正如作者在讨论中指出，这项研究开辟了气候变化生物学的新维度——大气成分变化不仅通过温度等物理因素，更能直接干扰生物间的化学通讯系统。当人类活动持续改变地球的大气配方，理解这些"不可见的影响"或许将成为维持生态平衡的关键。该成果为预测昆虫种群动态提供了分子标记，也为发展气候智能型农业害虫管理策略奠定了理论基础。