通过Spodoptera exigua中一种对感染有反应的嗅觉受体，利用杆状病毒来调控基于营养素的宿主选择行为

《Pesticide Biochemistry and Physiology》：Baculovirus manipulation of nutrient-based host choice via an infection responsive olfactory receptor in Spodoptera exigua

　　李在元|高鑫|马启红|傅连海|李长友|石燕|李杰|余乾龙|郑贵玲|杨春红|万浩万|钱万强|张斌
山东省环境友好型农业害虫管理工程技术中心；中澳农业与环境健康联合研究所；青岛农业大学植物健康与医学学院，中国青岛

摘要
杆状病毒被广泛用作防治鳞翅目害虫的生物控制剂，然而与已知能够影响媒介宿主选择的植物病毒和脊椎动物病毒相比，它们对宿主取食和产卵行为的影响仍知之甚少。在此研究中，我们以Spodoptera exigua多核壳病毒（SeMNPV）及其宿主S. exigua为模型，发现病毒感染通过连接嗅觉和营养的机制重新配置了宿主的使用。SeMNPV感染第五龄幼虫后，其取食偏好从富含碳水化合物的植物转变为富含蛋白质的植物，这一现象在仅蛋白质与碳水化合物比例不同的人工饲料上得到了独立验证。通过对基因组和转录组数据的综合分析，我们鉴定了66个嗅觉受体（OR）基因，其中SexiOR23被SeMNPV强烈诱导。RNA干扰SexiOR23后，消除了病毒感染导致的对富含蛋白质宿主的偏好转变，恢复了原有的对富含碳水化合物饲料的偏好，这表明SexiOR23是病毒诱导的营养导向取食变化所必需的。此外，感染SeMNPV的幼虫在高蛋白饲料上的敏感性降低，而对SeMNPV的抵抗力增强；而沉默SexiOR23并未改变病毒的敏感性，这表明该受体主要驱动行为重编程而非免疫激活本身。此外，这种行为改变持续到了成虫阶段：具有病毒性的雌虫表现出SexiOR23的显著上调，并将产卵偏好从富含碳水化合物的植物转变为富含蛋白质的植物。这些发现揭示了杆状病毒感染、OR基因调控与基于营养的宿主选择之间的机制联系，为夜间活动的害虫生态适应提供了新的视角，并为利用半化学引导策略优化SeMNPV基生物控制提供了理论框架，从而更精确地管理S. exigua。

引言
昆虫可以携带多种病毒，这些病毒可根据其主要宿主大致分为由昆虫传播的植物病毒、主要在节肢动物宿主体内复制的昆虫特异性病毒，以及利用吸血昆虫感染脊椎动物的虫媒病毒。在昆虫媒介体内循环期间，病毒不仅仅是被动载体；相反，它们经常操纵媒介的生理和行为以增强自身的传播，改变其取食、交配、产卵和寻找宿主的行为（Eigenbrode等人，2018；Mauck等人，2018；Mauck等人，2019）。例如，通过体外喂养获得大麦黄矮病毒（BYDV）的蚜虫Rhopalosiphum padi倾向于在未感染的小麦植物上定居，而之前在体外喂养的非病毒性蚜虫则倾向于在BYDV感染的植物上定居（Ingwell等人，2012）。越来越多的证据表明，植物病毒通过间接和直接机制调节媒介行为（Eigenbrode等人，2018）。间接地，许多病毒与宿主植物蛋白相互作用，重新编程植物的生理机能，包括营养成分、系统防御途径和挥发性有机化合物（VOCs）的生物合成。这些VOC混合物的变化被昆虫媒介的化学感觉器官检测到，从而显著影响媒介的取食、定居和产卵选择，进而改变感染植物的吸引力和适宜性（Ray和Casteel，2022）。例如，番茄黄化病毒（ToCV）利用其P9蛋白抑制宿主基因Lhca4，导致叶绿素降解并积累挥发性物质neophytadiene，这种物质被白粉虱Bemisia tabaci的 odorant-binding protein BtOBP2识别，增强了媒介对感染植物的偏好（Shi等人，2025）。此外，病毒引起的植物挥发物变化也会改变昆虫的产卵行为。棉叶卷曲病毒（CLCuV）在疾病进展过程中动态重塑棉花的挥发性成分，使得早期感染的植物对B. tabaci极具吸引力；而在后期，β-ocimene等驱避性挥发性物质的释放减少了在感染植物上的产卵，促使白粉虱在健康植物上产卵，从而精细调节产卵偏好和传播动态（Nebapure等人，2022b）。除了植物介导的效果外，病毒还可以通过调节媒介分泌物和化学感觉途径更直接地发挥作用。多项研究表明，病毒感染改变了媒介唾液和其他分泌物的成分，进而影响宿主植物的营养和防御代谢物，最终提高媒介在感染植物上的适应度（Wang等人，2025；Wang等人，2024a；Zhang等人，2024）。例如，南方稻黑条矮病毒（SRBSDV）诱导其媒介粉虱Sogatella furcifera在叶片汁液中上调并分泌唾液蛋白GAPDH，后者通过胞外体进入水稻韧皮部，清除H?O?并减弱植物防御，从而增强媒介的取食能力（Wang等人，2024b）。同时，SRBSDV利用其P8效应蛋白结合媒介的Pelle激酶并抑制Toll信号通路，重塑特定气味受体的表达（下调Or86和上调Or127），从而改变媒介对感染植物和健康植物的嗅觉偏好，直接促进病毒传播（Ai等人，2025）。类似地，番茄黄叶卷曲病毒（TYLCV）上调番茄中的β-myrcene生物合成，增强非病毒性B. tabaci的吸引作用，同时下调白粉虱的嗅觉受体BtMEDOR6，从而改变媒介在感染植物和健康植物之间的偏好（Liang等人，2025）。总之，这些研究强调了化学感觉系统，特别是嗅觉，在昆虫-微生物相互作用中的核心作用，并将其视为植物病毒操纵媒介行为的关键节点（Ai等人，2022；Wang等人，2020）。

嗅觉是昆虫的主要感觉方式，使它们能够检测复杂化学环境中的微妙变化，并在非常低的浓度下区分多种气味分子（Lu和Liu，2022；Renou和Anton，2020）。气味线索是宿主寻找、配偶寻找和产卵等关键行为的基础，介导这些过程的化学感觉基因家族在不同动物谱系中表现出明显的多样性（del Mármol等人，2021；Missbach等人，2014）。在昆虫中，外周化学感觉系统由多个受体家族组成，包括嗅觉受体（ORs）、味觉受体（GRs）、离子型受体（IRs）以及其他受体类别，如Pickpocket（PPK）通道和瞬时受体电位（TRP）通道（Yan，2025）。挥发性化合物主要由ORs和IRs在专门的嗅觉感觉器中检测到，在某些情况下也由GRs检测到。在原口动物中的比较分析表明，IRs在嗅觉组织中广泛表达，而OR谱系似乎出现得更晚，通常被认为是昆虫向陆地生活方式转变的关键创新（Missbach等人，2014）。

昆虫的ORs是大约400到450个氨基酸的七次跨膜结构受体，位于嗅觉受体神经元的树突膜上（Benton，2006；Butterwick等人，2018）。气味分子首先被感觉器淋巴液中的气味结合蛋白（OBPs）捕获，然后传递给ORs，其激活触发动作电位，再传递到大脑中枢进行气味处理（Leal，2025）。OR家族包括一个高度保守的共受体Orco，以及大量的配体特异性调节ORs（Hallem和Carlson，2006）。Orco通常由每个物种的一个基因编码，本身不结合气味分子，但与调节ORs形成异源复合物，生成对于气味信号转导至关重要的配体门控阳离子通道。因此，保守且广泛表达的Orco基因是昆虫嗅觉系统的核心组成部分（Chen和Dahanukar，2020；Wang等人，2024c）。自从新翅目出现以来，调节OR家族经历了广泛的扩展，某些谱系的拷贝数达到了几百个基因（Brand等人，2018；Wang等人，2024c）。如上所述，ORs作为重要中介，将植物病毒引起的宿主植物化学变化与媒介行为的变化联系起来。类似的原则也适用于杆状病毒，这些病毒被广泛用于鳞翅目害虫的控制。多项研究表明，如家蚕多核壳病毒（Bombyx mori nucleopolyhedrovirus）和Spodoptera exigua多核壳病毒的感染会上调宿主化学感觉基因，包括化学感觉蛋白（CSPs）和ORs，这些转录变化伴随着取食或运动行为的改变（Feng等人，2025；Llopis-Giménez等人，2021）。这些观察表明，杆状病毒可以利用化学感觉途径调节宿主行为。然而，明确研究ORs在杆状病毒-宿主相互作用中作用的工作仍然非常有限，这一研究领域仍处于早期阶段。

Spodoptera exigua是一种全球性的主要经济害虫，是一种高度多食性的植食性昆虫，可以取食属于30多个植物科的多达130种宿主植物（Rizwan-ul-Haq等人，2009；Wang等人，2018）。在1980年之前，S. exigua在中国并不被视为严重的害虫，但在过去的几十年里，它多次引发了严重的虫害（Wang等人，2018）。营养条件被认为是驱动S. exigua种群动态变化的关键因素之一（Wang等人，2018）。SeMNPV是一种感染多种鳞翅目害虫的杆状病毒，对S. exigua幼虫特别有效。由于其宿主范围狭窄、对人类和非目标生物相对安全以及在田间条件下的良好持久性，SeMNPV被广泛用于综合害虫管理计划中的生物控制剂（Bianchi等人，2002）。先前的研究表明，SeMNPV感染会诱导多个嗅觉受体基因的上调，包括SexiOR35，感染幼虫对添加了特定植物挥发物（如薄荷醇和香芹酚）的饲料表现出改变的嗅觉驱动的取食反应（Llopis-Giménez等人，2021）。然而，嗅觉受体在S. exigua病毒相关行为变化中的更广泛作用仍很大程度上未知。

为了系统地研究昆虫病原病毒如何重塑宿主昆虫行为并揭示其潜在机制，我们重点研究了SeMNPV，这是一种高度致病性和宿主特异性的杆状病毒，广泛用于S. exigua的生物控制。在本研究中，我们首先研究了SeMNPV感染如何改变四种常见田间宿主植物的幼虫取食偏好。然后，我们量化了这些宿主的营养成分，并使用含有单一营养成分不同的人工饲料来测试病毒感染是否改变了幼虫的营养偏好。根据这些结果，我们确定了与营养依赖性宿主选择相关的候选嗅觉受体基因，并通过RNA干扰验证了它们在不同营养环境下调节取食偏好的作用。最后，我们通过分析在同一宿主植物上的产卵选择来评估病毒引起的幼虫取食行为的变化是否持续到成虫阶段。总体而言，这项工作系统地解析了从幼虫到成虫的SeMNPV驱动的行为变化，揭示了病毒感染、嗅觉受体功能和营养偏好之间的一个先前未被表征的调控轴。这些发现为夜间活动的害虫生态适应提供了新的视角，并为通过协调病毒施用与宿主植物部署来优化SeMNPV基控制策略提供了理论基础。

实验细节
所有实验中使用的S. exigua种群最初来自中国山东省的一个洋葱田（120.77°E，36.88°N）。实验室种群由这些材料建立，并在环境舱中的人工饲料上维持了50多代，环境条件为28±1°C、60±5%相对湿度和14:10的光照周期。用于实验感染的Spodoptera exigua多核壳病毒（SeMNPV）分离株为SeMNPV-US1。

SeMNPV改变了Spodoptera exigua幼虫的取食偏好
SeMNPV在野外种群中普遍存在，S. exigua的幼虫在自然条件下经常被感染。为了确定SeMNPV感染是否改变了幼虫的宿主植物取食行为，我们建立了一个简单的圆形四选实验室（图1A）。使用了四种田间感染程度较高的宿主植物，包括Brassica oleracea、Allium fistulosum、Apium graveolens和Glycine max。每种植物被放置在四个等分区域的中心。在植物病毒系统中，这些变化可能源于病毒颗粒在宿主植物内部复制产生的直接影响，也可能源于病毒诱导的宿主植物生理变化所导致的间接影响，包括营养状况、防御机制以及挥发性物质的排放。

**支持信息**
支持信息包括一个补充图表和四个补充表格。补充图表1和2展示了感染后48小时第五龄幼虫中SeNPV ORF基因的转录谱与未感染对照幼虫的对比情况。补充图表3展示了S. exigua OR蛋白的系统发育关系，包括S. exigua与P. xylostella之间的亲缘关系以及S. exigua内部的进化关系。补充表格1-3提供了详细的引物序列信息。

**作者贡献声明**
李在远（Zaiyuan Li）：撰写初稿、数据可视化、数据分析、概念构建；
高欣（Xin Gao）：数据验证、数据分析；
马启宏（Qihong Ma）：数据验证、数据分析；
傅连海（Lianhai Fu）：数据可视化、统计学分析；
李常友（Changyou Li）：资源提供、方法设计、统计学分析；
史燕（Yan Shi）：资源提供、方法设计；
李杰（Jie Li）：资源提供、方法设计；
于乾龙（Qianlong Yu）：资源提供、方法设计；
郑桂玲（Guiling Zheng）：资源提供、方法设计；
杨春洪（Chunhong Yang）：资源提供、方法设计；
万芳浩（Fanghao Wan）：