树莓象甲Aegorhinus superciliosus（鞘翅目：象甲科）化学感觉蛋白的触角转录组分析

《Comparative Biochemistry and Physiology Part D: Genomics and Proteomics》：Antennal transcriptome analysis of chemosensory proteins in the raspberry weevil, Aegorhinus superciliosus (Coleoptera: Curculionidae)

　　

摘要

Aegorhinus superciliosus（鞘翅目：象甲科）是智利南部一种具有经济危害的多食性害虫，其化学生态学特性目前研究尚不充分。在各类昆虫中，化学感觉蛋白——包括气味受体、味觉受体、离子通道受体、气味结合蛋白、化学感觉蛋白以及感觉神经元膜蛋白——负责识别与宿主选择、繁殖及其他生态相关行为相关的化学信号。本研究采用从头RNA测序技术，对成年A. superciliosus的触角转录组进行了测序和分析。RNA测序共使用了每个性别3个独立的生物样本，RT-qPCR验证也使用了相同数量的独立样本；经过质量过滤后，最终获得了147,409,936条高质量读段。研究共鉴定出112个潜在的化学感觉基因，其中包括43个气味受体、34个气味结合蛋白、10个化学感觉蛋白、18个离子通道受体、5个味觉受体以及2个感觉神经元膜蛋白。系统发育分析将这些候选蛋白归入已知的分类群，为气味受体和气味结合蛋白的功能推断提供了比较框架。性别和组织特异性表达分析显示，多个气味受体，如AsupOR4、AsupOR19和AsupOBP13，在触角中表达量较高，并且存在性别特异性表达模式，其中AsupOR19和AsupOBP13的表达明显偏向雌性。此外，在触角以外的组织，如上颚和腿部，也检测到了某些气味受体和气味结合蛋白的转录本，表明它们可能具有除传统嗅觉之外的其他功能。总体而言，这些发现首次从分子层面揭示了A. superciliosus的化学感觉蛋白组成。本研究为运用逆向化学生态学方法识别具有行为活性的挥发性有机化合物奠定了基础，有助于制定环境可持续的综合害虫管理策略。

引言

Aegorhinus superciliosus Guérin（鞘翅目：象甲科），又称树莓象甲，是一种地方性多食性昆虫，以Nothofagus树和Maytenus boaria为天然寄主（Parra B等，2009），同时也危害一些具有经济价值的外来寄主，如蓝莓（Vaccinium corymbosum L.）、树莓（Rubus idaeus）以及欧洲榛子（Corylus avellana）（Parra B等，2009；Zavala等，2011）。这种象甲分布于智利中南部从毛莱地区到洛斯拉戈斯地区，以及阿根廷的涅乌肯省（Zavala等，2011）。其幼虫会啃食树莓、蓝莓等植物的根系，还会在欧洲榛子的树干中钻洞，是造成作物损失的主要原因（Navarro等，2022）。再加上干旱、长期霜冻和热应力等非生物因素，会导致严重的作物减产（Zhang等，2020；de la Fuente，2022）。

目前，控制A. superciliosus的主要方法是使用传统杀虫剂，如拟除虫菊酯、新烟碱类和苯胺二甲酰胺类，但这些杀虫剂的残留物会造成环境污染并危害人类健康（Ho?yńska-Iwan和Szewczyk-Golec，2020）。因此，人们越来越关注更可持续的替代方法，包括利用Centistes属昆虫（膜翅目：Euphorinae科）或寄蝇科昆虫（双翅目）进行生物防治（Espinoza等，2016）；利用昆虫病原线虫（EPN）（Navarro等，2022；Ceballos等，2023）；以及利用昆虫病原真菌（EPF）（France I.等，2000；Sepulveda等，2016）。

尽管在替代控制方法方面取得了进展，也付出了大量努力来治理这种害虫，但由于欧洲榛子产量持续增加，控制A. superciliosus的工作难度依然很大，同时对其生态学的了解也相对有限。了解其繁殖、寄主寻找、产卵地点选择等行为，对于掌握其生命周期以及制定有效的控制策略至关重要（Kost，2008）。因此，化学生态学为通过识别具有信息化学活性的挥发性有机化合物来补充这些控制策略提供了可能，这类化合物能够引发接收者的行为变化（Kost，2008）。通过行为生物测定，已经发现了成年A. superciliosus具有行为活性的挥发性有机化合物，如2-壬酮、（R)-(+)-柠檬烯、4-乙基苯甲醛、（Z-3-己烯-1-醇以及桉叶素；对于（R-(+)-柠檬烯，还通过电生理测定证实了其在触角中的活性（Parra等，2009；Mutis等，2010）。此外，Mutis等（2009）首次报道了雌性昆虫的一种由正烷烃组成的表皮接触信息素，其生物活性也通过行为测定得到了验证。精油也被视为A. superciliosus潜在信息化学物质的来源之一（Espinoza等，2016；Tampe等，2016、2020a、2020b）。

在化学生态学背景下，人们认为以昆虫为中心的研究方法，也就是所谓的逆向化学生态学，可以从一个基本原理出发，即嗅觉系统中的蛋白质蕴含着关于昆虫所能感知的挥发性有机化合物的关键信息（Leal，2004），从而帮助识别具有行为活性的挥发性有机化合物。因此，首要步骤就是鉴定昆虫的化学感觉蛋白，包括嗅觉受体和味觉受体。这种方法在象甲科昆虫中已经取得过成功：例如在红棕榈象甲Rhynchophorus ferrugineus中，人们成功鉴定了其雄性聚集信息素铁锈酚的气味受体RferOR1的功能（Antony等，2021）；在香脂天牛中，人们也明确了用于聚集信息素lineatin的高表达气味受体同源基因的功能（Andersson等，2025），同时还发现了松树皮甲虫通过高表达的气味受体ItypOR36识别聚集信息素的抑制剂lanierone，这一结论也得到了野外和实验室实验的验证（Yuvaraj等，2024）。如今，为识别信息化学物质所采取的第一步，就是对昆虫的化学感觉蛋白进行注释。这些蛋白包括可溶性的球形气味携带蛋白，如气味结合蛋白和化学感觉蛋白，以及跨膜蛋白，如气味受体、味觉受体、离子通道受体和感觉神经元膜蛋白（Kaissling，2001；Leal，2004；Kaissling，2009；Leal，2013）。其中，气味受体和气味结合蛋白是研究最为广泛的。气味结合蛋白能够协助挥发性有机化合物在感觉淋巴中的运输和溶解，且相对容易进行异源表达；而气味受体则在识别挥发性有机化合物方面具有很高的特异性和敏感性，能够启动信号传导过程，进而引发相应的行为反应（Kaissling，2013；Leal，2013；Brito等，2016；Pelosi等，2018；Venthur和Zhou，2018；Schmidt和Benton，2020）。

由于目前缺乏关于A. superciliosus的化学感觉蛋白信息，也没有该象甲的转录组数据，本研究采用RNA测序技术，旨在鉴定成年A. superciliosus的化学感觉蛋白组合及其功能相关的同源基因。同时，还分析了部分气味受体和气味结合蛋白的性别及组织特异性相对表达情况。本研究的假设是：A. superciliosus拥有的化学感觉基因组合与相近的象甲科害虫相似，且其中一部分气味受体和气味结合蛋白存在性别和触角特异性表达，同时属于功能上保守的鞘翅目昆虫分类群。因此，本研究的目标是从转录组、系统发育和基因层面研究成年A. superciliosus的化学感觉蛋白。这项研究是通过识别化学感觉蛋白，比如气味受体，从而在所谓逆向化学生态学框架下，为在综合害虫管理中识别具有行为活性的挥发性有机化合物奠定初步基础。

章节节选

昆虫采集与总RNA提取

2024年11月8日至2025年1月14日，我们在智利第九大区皮特鲁夫肯省坎塔拉纳的一个红醋栗种植园，采集了树莓象甲A. superciliosus。这些成年象甲是人工采集的，然后按性别分开保存在玻璃瓶中。采集当天，这些昆虫在20℃、16:8黑暗周期的实验室条件下饲养24–48小时，以便后续提取总RNA。由于这些昆虫是从田间直接采集的，因此其性别特征

测序与从头组装

使用NovaSeq6000平台进行测序后，六个文库共产生了185,867,965条原始读段。经过分析和质量过滤后，最终获得了147,409,936条高质量读段。单个文库产生的读段数量在2500万到3400万条之间（见表S3）。通过从头组装，最终得到了81,451个转录本和59,125个基因，N50长度为1700bp。在定量阶段，共有63–66%的高质量读段来自

讨论

本研究鉴定出的112个潜在化学感觉基因与其他象甲科昆虫的基因类似（Li等，2022a；Hong等，2023），但由于转录组技术对低丰度转录本的检测灵敏度有限，这一数值可能低估了实际的基因组组成（Wu等，2018）。例如，Andersson等（2013）在D. ponderosae的触角转录组中发现了111个化学感觉单基因，而几年后Andersson等（2019）又进一步发现了254个此类单基因

结论

本研究首次在A. superciliosus成年雄性和雌性的触角中鉴定出了初始的化学感觉基因组合，共发现112个候选基因，这些基因属于六大类化学感觉蛋白家族。性别和组织特异性表达分析表明，多个气味受体和气味结合蛋白，如AsupOR4、AsupOR19和AsupOBP13，在触角中的表达量较高，且存在性别特异性表达模式，这表明它们很可能参与昆虫的繁殖等相关行为

CRediT作者贡献说明

Ignacio Arias：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，可视化，验证，项目管理，方法学，研究实施，正式分析，数据整理，概念构建。Paula Lizana：研究实施，数据整理。Camila Mu?oz：方法学。Giovanni Larama：软件应用，方法学。Jesús Alejandro Zamora：软件应用，方法学，数据整理。Ana Mutis：写作——审阅与编辑，监督，项目管理，概念构建。Andrés Quiroz：写作——审阅

动物实验对象

本研究是按照ARRIVE（动物研究：体内实验报告）指南开展的。

无需伦理委员会批准。这些样本是在机构外部采集的，由于涉及的是数量较少的非检疫性害虫，因此按照相应标准进行处理。由于这只是一个小型的毕业论文项目，当时无需经过伦理委员会审批。

未引用参考文献

Tang等，2019

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的财务利益冲突或个人关系。

致谢

我们要感谢我们的资助项目：ANID奖学金（编号21230562）以及Fondecyt常规资助项目（编号1240459）。

Ignacio Arias|Paula Lizana|Camila Mu?oz|Giovanni Larama|Jesús Alejandro Zamora|Ana Mutis|Andrés Quiroz|Herbert Venthur

智利特穆科，拉弗龙特拉大学自然资源科学博士项目