探索小菜蛾（Plutella xylostella，鳞翅目：Plutellidae）在电生理反应、行为及嗅觉基因表达方面的触角不对称性

《Journal of Insect Physiology》：Exploring antennal asymmetry in electrophysiological response, behavior, and olfactory gene expression in the diamondback moth, Plutella xylostella (lepidoptera: plutellidae)

田侯军|林硕|郑月琴|徐瑞斌|于云|陈勇|魏辉

福建省农业科学院植物保护研究所，福州350003，中国

摘要

长期以来，人们认为大脑特征和行为的左右不对称性是人类独有的。然而，现在在脊椎动物和无脊椎动物中也发现了这种现象，并且不同物种之间表现出相似的结构侧化特征。例如，真社会性昆虫的嗅觉行为和大脑不对称性在种群水平上就很明显。某些独居昆虫在种群水平上也表现出行为不对称性。本研究考察了成年小菜蛾（Plutella xylostella，鳞翅目：Plutellidae）左右触角的电抗性图（EAG）反应、行为反应以及基因表达情况。结果表明，在检测到的基因（GOBP1、GOBP2、PBP、PBP1和ORCO）中，只有GOBP1基因在雌性小菜蛾的左右触角之间存在表达差异。此外，雌性小菜蛾触角中GOBP1和GOBP2的表达显著高于雄性小菜蛾。对于雄性小菜蛾来说，在不同浓度的Z-3-己烯醇、Z-3-己烯基乙酸和烯丙基异硫氰酸酯下，左触角的EAG反应更强。在0.15 μg•μL^-1的烯丙基异硫氰酸酯浓度下，雄性小菜蛾左右触角的EAG反应存在显著差异。对于雌性小菜蛾，在不同浓度的Z-3-己烯基乙酸和烯丙基异硫氰酸酯下，右触角的EAG反应更强，但两者之间没有统计学差异。在嗅觉测定实验中，具有完整左触角的雄性小菜蛾对测试植物挥发物的选择率显著高于对照组（液体石蜡，浓度为1.0 μg•μL^-1）。同样，在0.15和1.0 μg•μL^-1的浓度下，具有左触角或右触角的雌性小菜蛾对测试植物挥发物的选择率也显著高于对照组。此外，雌性小菜蛾右触角的相对选择率略高于左触角，但在雄性小菜蛾中这一结果相反。本研究有助于理解小菜蛾左右触角的行为不对称性，并为其他鳞翅目昆虫的嗅觉行为侧化提供了参考。

引言

以前认为仅存在于人类中的大脑和行为的左右不对称性，现在在具有一致结构侧化的脊椎动物中也被发现（Ocklenburg等人，2013；Rogers等人，2013a；Str?ckens等人，2013；Liu等人，2023）。越来越多的研究表明，无脊椎动物也存在行为侧化（Frasnelli等人，2012；Frasnelli，2013；Wang等人，2022）。许多研究报道了真社会性昆虫在种群水平上的嗅觉行为和大脑不对称性（Anfora等人，2011；Frasnelli等人，2012；Rogers等人，2013；Frasnelli等人，2014；Hunt等人，2014；Rigosi等人，2015；Romano等人，2015；Guo等人，2016）。一些独居和亚社会性昆虫在种群水平上也表现出行为不对称性，例如Ceratitis capitata（Frasnelli等人，2012）和Drosophila melanogaster（Duistermars等人，2009）的气味选择，以及Corixa punctata（Prager和Streng，1982）的双侧听觉器官的生理不对称性。少数独居或亚社会性昆虫在个体水平上也表现出不对称性（Vallortigara和Rogers，2005）。在社会性昆虫中观察到了广泛的行为不对称性，包括Lasius niger（Hunt等人，2014）和Apis mellifera（Frasnelli等人，2010；Frasnelli等人，2011；Anfora等人，2010；Rigosi等人，2013；Rigosi等人，2015；Guo等人，2016）的触角气味记忆。一些独居和亚社会性昆虫表现出类似的不对称性，例如Calliphora vomitoria在种群水平上的攻击侧性（Romano等人，2015），Periplaneta americana在气味识别和触角梳理方面的右侧选择性（Cooper等人，2010；Zhukovskaya和Lychakov，2016），Belostoma flumineum在游泳行为中的左侧倾向（Kight等人，2008），Aedes albopictus在踢腿行为中的右侧偏好（Benelli等人，2015）。其他例子包括澳大利亚灌木Requena verticalis的听觉系统不对称性（Bailey和Yang，2002），以及Scytodes globula在处理猎物和捕食遭遇时对腿部使用的不对称性（Ades和Ramires，2002）。然而，非社会性膜翅目昆虫Osmia cornuta没有表现出行为不对称性（Anfora等人，2010）。过去的基因表达分析发现蜜蜂的大脑存在左右不对称性，右侧半球的基因表达更高。左侧半球与长期记忆相关，而右侧触角与学习和短期记忆相关（Guo等人，2016）。在Bombus ignites中，决定性基因doublesex的表达模式在大脑半球和其他器官（大脑、脂肪体、后肠和卵巢）之间有所不同。这暗示了性别特定的作用；在雄性中，该基因仅表达在大脑的左侧半球，而在雌性中，它也表达在其他组织中（Ugajin等人，2016）。总之，这些物种的行为不对称性可能与亲社会行为（如交配、战斗或飞行反应）有关（Frasnelli等人，2012；Romano等人，2015；Mattiacci等人，2022）。

对蜜蜂触角气味-蜂蜜补偿记忆的测试显示，经过1-2小时的训练后，蜜蜂会表现出口器伸展反射（PER），然后使用右侧触角进行气味选择。经过6小时甚至24小时的训练后，开始使用左侧触角。在这种情况下，从右侧触角到左侧触角的转变表现出明显的偏向性。此外，不同气味的交叉记忆测试（喜欢/不喜欢刺激，厌恶/喜欢刺激）显示，经过1小时的训练后，左右触角的反应都受到抑制，但经过6小时后，对气味的反应恢复到初始状态（Rogers和Vallortigara，2008；Frasnelli等人，2010）。类似地，研究表明，在Bombus terrestris中，触角在嗅觉识别方面的侧化有利于右侧触角的气味记忆学习（Anfora等人，2011）。然而，在O. cornuta的社会群体中进行气味记忆训练时，PER没有显著差异，左右触角的气味反应行为也没有不对称性。同样，电抗性图测试也没有显示O. cornuta的电生理行为存在不对称性（Anfora等人，2010）。D. melanogaster在嗅觉行为上表现出侧化，关闭左侧触角对气味追踪和定位的影响比右侧触角更明显。来自左侧触角的感觉信号对气味追踪的贡献比例比右侧触角更可变（Duistermars等人，2009）。在另一项研究中，当去除P. americana的左侧触角时，它选择了右侧气味；然而，当去除右侧触角时，它没有选择左侧气味。尽管P. americana的触角自然倾向于右侧，但它们并不偏好右侧触觉。当蟑螂的触觉缺乏外部感觉输入时，P. americana倾向于向右转；而在外部感觉输入存在时，这种转向强度会减弱（Cooper等人，2010）。

昆虫的行为侧化是一个重要的研究领域，它加深了我们对生物多样性中侧化起源的理解，并对探索昆虫的进化发展具有重要意义。对于大多数昆虫来说，侧性是通过它们的形态和运动不对称性来研究的，这也涉及触角的功能。触角是昆虫感觉系统的关键部分，在宿主定位、识别、觅食、求偶和飞行速度稳定等方面起着重要作用（Zhou等人，2011；Fuller等人，2014；Okereke等人，2022）。

总之，与非社会性昆虫相比，社会性昆虫在环境压力下表现出行为侧性。许多鳞翅目昆虫会损害各种作物，尤其是十字花科蔬菜。小菜蛾（Plutella xylostella，L.）是全球十字花科蔬菜的重要害虫（Furlong等人，2013）。十字花科蔬菜的挥发物，如Z-3-己烯醇、Z-3-己烯基乙酸和烯丙基异硫氰酸酯（绿叶气味），通过影响它们的电抗性图和嗅觉行为反应，在求偶行为、定位目标宿主植物和产卵栖息地方面起着关键作用（Reddy和Guerrero，2000；Tian等人，2011；Tian等人，2018）。嗅觉气味结合蛋白和受体蛋白是昆虫与其环境之间化学信息交换的关键。气味结合蛋白基因的表达水平影响它们的嗅觉识别能力（Cheng等人，2010），特别是对植物绿叶气味的感知（Wang，2002；Vogt等人，2002；Zhou等人，2014；Han等人，2023）。本研究分析了小菜蛾左右触角的电生理和嗅觉行为，以及嗅觉基因（GOBP1、GOBP2、PBP、PBP1和ORCO）的表达，以探讨鳞翅目昆虫是否存在嗅觉侧性。

章节片段

昆虫

小菜蛾（DBM）的蛹来自中国宁德市唐口海拔较高的蔬菜农场（26°58′16.2″N，118°58′43.2″E，海拔700米）。成虫在福建省农业科学院植物保护研究所饲养（Tian等人，2024）。成虫被放置在Raphanus sativus L.的幼苗上。在幼苗上方悬挂了一个浸有10%蜂蜜溶液（v/v）的棉签笼子，为昆虫的交配和产卵提供营养。

小菜蛾左右触角的嗅觉基因表达

我们发现不同组别中GOBP1的表达存在显著差异（F = 61.688；df = 3，20；P < 0.0001；图2 A）。其在雌性小菜蛾的右侧触角中的表达最高，并且显著高于左侧触角（F = 61.688；df = 3，20；P = 0.024；图2 A）。在雄性小菜蛾的左右触角中，GOBP1的表达没有显著差异（图2 A）。雌性蛾触角中的GOBP1表达显著高于

讨论

并非所有生物都表现出行为侧化，有些天生就有，有些则是后天获得的。尽管如此，已在多个昆虫目中观察到行为侧化，包括膜翅目、双翅目、半翅目和直翅目，但在鳞翅目中尚未观察到。在这项针对小菜蛾的研究中，在所检测的五个与嗅觉相关的基因（GOBP1、GOBP2、PBP、PBP1和ORCO）中，只有GOBP1在左右触角之间的表达水平存在显著差异

CRediT作者贡献声明

田侯军：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，资源，方法学，正式分析，数据管理，概念化。林硕：软件，资源，方法学，调查，数据管理。郑月琴：软件，资源，方法学，调查，正式分析，数据管理。徐瑞斌：可视化，验证，软件，调查，正式分析，数据管理。于云：撰写——初稿，调查，正式分析，数据管理。陈勇：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了福建省自然科学基金（2022 J01457）、国家自然科学基金（32072425）、福建省科学技术局（CXTD2021004-3、XTCXGC2021017、XTCXGC2021011、GJYS202205）的支持。