酵母衍生的挥发物与东方粘虫蛾协调了昆虫-酵母的共生关系

昆虫、植物和微生物之间的相互作用是生态系统功能的基础。本研究的重点是东方粘虫蛾对酵母发酵的花蜜的吸引力，并发现异戊醇（一种酵母衍生的化合物）激活了蛾的特定嗅觉神经元，促进了酵母的传播和蛾的繁殖。

　　

酵母挥发物如何调控昆虫 - 酵母互利共生关系的研究解读

中国农业科学院深圳农业基因组研究所（Shenzhen Branch, Guangdong Laboratory for Lingnan Modern Agriculture, Synthetic Biology Laboratory of the Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Agricultural Genomics Institute at Shenzhen, Chinese Academy of Agricultural Sciences）的研究人员 Baiwei Ma 等人在Nature Communications期刊上发表了题为 “Yeast-derived volatiles orchestrate an insect-yeast mutualism with oriental armyworm moths” 的论文。该研究揭示了酵母产生的挥发性化合物（VOCs）调控昆虫 - 酵母互利共生关系的分子机制，为理解授粉生态系统中昆虫与微生物的相互作用提供了新视角，对生态系统功能的认识以及害虫管理策略的制定具有重要意义。

一、研究背景

昆虫、植物和微生物之间的相互作用是生态系统动态变化的基础，花蜜和花粉作为多种生物的关键资源，在其中起着核心作用。在这一生态关系中，昆虫为开花植物传播花粉，促进植物繁殖；而植物则通过提供花蜜和花粉作为回报，为昆虫提供食物资源。然而，花蜜容易受到微生物的定植，其中酵母是常见的微生物之一。酵母在花蜜中生长繁殖时，会产生多种挥发性化合物，这些化合物可能影响花蜜对昆虫的吸引力，进而改变昆虫的觅食行为和植物的授粉效率。尽管已有研究表明酵母挥发性化合物对植物 - 传粉者相互作用有影响，但具体的生物学机制仍不明确。

东方粘虫（Mythimna separata）是一种重要的花粉传播昆虫，能够为 60 多种植物传播花粉。其在迁徙过程中，可将花粉带到不同地区，对植物的繁衍和分布具有重要意义。在自然环境中，东方粘虫常被酵母发酵的花蜜所吸引，暗示酵母产生的挥发性化合物可能在其中发挥关键作用。因此，探究酵母挥发性化合物如何影响东方粘虫的行为以及它们之间的相互作用机制，有助于深入理解授粉生态系统的复杂性。

二、研究材料与方法

1. 实验昆虫：东方粘虫幼虫采自中国河南新乡的玉米田，在人工饲养条件下，以特定的人工饲料喂养，控制光照周期（14 小时光照、10 小时黑暗）、温度（25 ± 1 °C）和相对湿度（50 ± 10%），待幼虫化蛹羽化后，为成虫提供模拟天然花蜜成分的合成花蜜。
2. 酵母与花粉：Metschnikowia reukaufii 酵母购自中国工业微生物菌种保藏管理中心，油菜、向日葵和玉米花粉购自山西忻州五台山蜂业有限公司。实验前，花粉经紫外线消毒 30 分钟，合成花蜜经 0.22 - μm 滤膜过滤并紫外线照射 1 小时，所有实验器具均进行高压灭菌处理。
3. 实验方法
   • 酵母发酵实验：在合成花蜜中添加不同初始密度的酵母（10、100 和 1000 cells/μL）和花粉（0.00、0.02、0.20 和 2.00 μg/μL），在 29 °C 下培养不同时间（12、24、48、72 和 96 h），制备发酵溶液。同时，设置不同温度（20、25、29 °C）发酵的酵母发酵花蜜，用于比较挥发性成分。
   • 风洞实验：在 160 cm × 60 cm × 60 cm 的风洞装置中进行，保持风速约 30 cm/s，室温 25 ± 1 °C，相对湿度 40 - 50%。将气味源置于 15 mL 离心管盖中，每个盖子加入 500 μL 液体，测试东方粘虫对不同气味源的行为反应，包括飞行、逆风飞行、近距离搜索和降落等行为，并记录相关数据。
   • 化学分析：采用固相微萃取（SPME）技术在 25 °C 收集挥发性有机化合物（VOCs），将收集的样品注入气相色谱 - 质谱联用仪（GC - MS）进行分析，通过与合成标准品和 NIST 2.0 库比对，鉴定挥发性化合物成分。
   • 电生理实验：包括触角电位（EAG）实验、气相色谱 - 触角电位检测（GC - EAD）实验和单感器记录（SSR）实验。通过这些实验检测昆虫触角对不同挥发性化合物的电生理反应，确定嗅觉感受神经元对特定化合物的响应特性。
   • 其他实验：运用基因编辑技术（CRISPR - Cas9）构建 MsepOR8 突变体品系；进行酵母传播生物测定、取食行为测定、花粉活力测定、产卵测定和花蜜消耗测定等实验，以探究相关生物学过程。
   
   

三、研究结果

（一）酵母在增强蛾子对富含花粉花蜜吸引力中的作用

研究人员通过风洞实验，观察雌雄东方粘虫对不同合成花蜜溶液（包括花蜜 NEC、酵母发酵花蜜 NEC + Y、富含花粉花蜜 NEC + P 和富含花粉且酵母发酵的花蜜 NEC + Y + P）的行为反应。结果显示，雌雄蛾子对富含花粉且酵母发酵的花蜜表现出明显更高的吸引力，而缺乏酵母的花蜜溶液，无论是否含有花粉，都无法引起显著的吸引反应。进一步比较不同花粉（油菜、向日葵、玉米花粉）存在时，酵母对蛾子定位富含花粉花蜜能力的影响，发现酵母显著增强了蛾子的这种能力，且不受花粉类型的影响。这表明酵母和富含花粉的花蜜之间存在潜在的相互作用，酵母衍生的化合物有助于蛾子检测到含有酵母的富含花粉的花蜜。

（二）富含花粉酵母发酵花蜜中吸引气味的鉴定

对不同花蜜溶液挥发的 VOCs 进行化学分析，发现富含花粉且含酵母的花蜜相较于不含酵母和 / 或花粉的花蜜，主要额外释放两种化合物：乙醇（EtOH）和异戊醇，以及一种次要化合物 2 - 甲基 - 1 - 丙醇。通过气相色谱 - 触角电位检测（GC - EAG）分析，发现异戊醇能引起显著的电生理反应，乙醇反应微弱，2 - 甲基 - 1 - 丙醇无明显活性。进一步研究不同初始酵母密度、花粉浓度、花粉类型、发酵时间和温度对乙醇和异戊醇释放的影响，发现其释放量随发酵时间和花粉浓度增加而增加，不受酵母初始密度、花粉类型和发酵温度的影响。后续实验表明，异戊醇能像 NEC + Y + 油菜花粉一样强烈吸引蛾子，且与已知吸引鳞翅目昆虫的花香挥发性成分苯乙醛（PAA）结合时，能显著增强对东方粘虫的吸引力。由此确认异戊醇是富含花粉酵母发酵花蜜中的关键吸引剂，在蛾子觅食行为中起核心作用。

（三）响应异戊醇的嗅觉感觉神经元的鉴定

研究人员对东方粘虫的四种感器（毛形感器、锥形感器、腔锥形感器和耳形感器）进行单感器记录（SSR），发现只有耳形感器中的嗅觉感觉神经元（OSNs）对异戊醇刺激表现出强烈反应。通过对耳形感器细胞进行转录组测序，发现四种嗅觉受体（OR）和一种嗅觉受体共受体（Orco）转录本有明显表达，其中 OR8 和 OR27 表达水平最高。在非洲爪蟾卵母细胞系统中进行异源表达功能验证，结果表明表达 MsepOR8/MsepOrco 的卵母细胞对异戊醇有剂量依赖性和敏感的反应，而表达 MsepOR27/MsepOrco 的卵母细胞则无此反应。此外，对 31 种挥发性物质的筛选实验显示，MsepOR8/MsepOrco 对异戊醇具有高度特异性。利用钙动力学功能成像和神经追踪技术，发现异戊醇刺激后，在蛾子触角叶的 AM2 肾小球中观察到钙浓度显著增加，且耳形感器中的嗅觉感觉神经元靶向 AM2 肾小球。综合实验结果表明，异戊醇激活了耳形感器中表达嗅觉受体 MsepOR8 的一类嗅觉感觉神经元，并使其支配 AM2 肾小球。

（四）MsepOR8 作为检测异戊醇的关键气味受体的验证

运用 CRISPR - Cas9 基因组编辑技术，对编码 MsepOR8 的基因进行敲除，诱导 364 个碱基对的缺失，产生截短的 MsepOR8 蛋白。电生理和行为学实验结果显示，MsepOR8 敲除品系的蛾子对异戊醇的电生理反应显著降低，对富含花粉酵母发酵花蜜释放的挥发性化合物的行为反应也完全丧失，而对非 MsepOR8 配体的性信息素 Z11 - 16: Ald 仍有正常反应，且未发现 CRISPR - Cas9 操作的脱靶效应。这一系列实验证明，MsepOR8 是东方粘虫对异戊醇产生吸引反应不可或缺的特异性受体。

（五）异戊醇诱导的觅食行为对酵母传播和东方粘虫繁殖成功的影响

通过 I? - KI 染色试验评估蛾子喙上花粉的活力，发现部分花粉保持活力，且酵母的存在不会诱导花粉破裂，暗示酵母 - 蛾子相互作用虽不直接增强授粉，但可能间接发挥作用。比较野生型和 MsepOR8 敲除品系蛾子对富含花粉酵母发酵花蜜的取食行为，发现野生型蛾子的访花率显著更高，表明异戊醇诱导的觅食行为可增强蛾子对花粉的摄取。在酵母传播实验中，发现取食富含花粉酵母发酵花蜜的蛾子能携带酵母并传播到其他花蜜源，且野生型蛾子的酵母传播能力更强。研究不同花蜜配方对蛾子繁殖力的影响时，发现富含花粉的花蜜能显著增加蛾子的产卵量，而添加异戊醇的花蜜并未显著增加花蜜摄入量，说明异戊醇主要帮助蛾子定位花蜜源，而非直接促进花蜜摄取。花粉作为营养决定因素在以花蜜为食的蛾子繁殖过程中起着至关重要的作用，而酵母补充对整体繁殖并非必需。

四、研究结论与讨论

该研究表明，酵母产生的挥发性化合物异戊醇在吸引东方粘虫到富含花粉的酵母发酵花蜜中起着重要作用。研究人员鉴定出了负责感知异戊醇的嗅觉受体 MsepOR8，明确了其在介导蛾子对异戊醇反应中的关键作用。遗传敲除 MsepOR8 导致蛾子对异戊醇的生理和行为反应完全丧失，证实了其在定位富含花粉酵母发酵花蜜源中的不可或缺性。此外，异戊醇诱导的觅食行为促进了酵母的传播，同时富含花粉的花蜜增强了蛾子的繁殖力，揭示了酵母与蛾子之间存在互利共生关系。

从进化角度来看，昆虫对酵母衍生化合物的检测和响应能力，暗示了植物、酵母和昆虫之间可能存在共同进化过程。植物与酵母共同进化，产生吸引特定传粉者的化合物，优化繁殖成功率；昆虫则发展出高效定位酵母修饰的花卉资源的感官机制，提高觅食效率并获取关键营养。这种协同进化关系体现了生态系统中不同生物之间的精细适应和相互依存。

该研究也为未来的研究方向提供了思路。例如，探索除异戊醇外的其他酵母衍生化合物对昆虫行为的影响，有助于更全面地理解指导昆虫行为的化学语言。研究不同植物、微生物和昆虫物种受挥发性化合物影响的更广泛的相互作用，将进一步揭示授粉生态系统的复杂性。在实际应用方面，异戊醇作为一种重要的吸引剂，可能为蛾子的管理策略提供新的方向，例如开发基于异戊醇的诱捕剂来控制害虫种群数量。 总之，这项研究加深了人们对昆虫 - 微生物相互作用和生态系统功能的理解，为相关领域的研究和实践提供了重要的理论基础。