近日，中國農業科學院植物保護研究所抗蟲功能基因研究與利用創新團隊與深圳農業基因組研究所、挪威科技大學、德國馬克斯·普朗克研究所等單位聯合在《國家科學評論》（National Science Review）上在線發表研究論文。該研究發現了二氧化碳（CO2）作為關鍵化學信號調控棉鈴蟲的產卵行為，并對三個味覺受體共同介導棉鈴蟲對二氧化碳的感知和行為響應的分子和神經機制進行了系統闡述，擴展了對二氧化碳生態學意義的認識。
自工業革命以來，大氣二氧化碳濃度已從278ppm急劇上升至420ppm（2023年），這種變化正在通過改變溫度、降水等氣候因子深刻重塑生態系統格局。昆蟲作為地球上多樣性最豐富的生物類群，在生態系統中具有不可替代的作用，其生命活動對二氧化碳濃度變化異常敏感。多種昆蟲已進化出特定的味覺受體來感知二氧化碳濃度變化，進而影響其覓食、避害等行為策略。然而，二氧化碳如何調控昆蟲繁殖行為（尤其是產卵行為）這個關鍵科學問題尚未明確。
該研究發現，棉鈴蟲利用植物釋放的二氧化碳作為產卵信號，優先選擇二氧化碳濃度較高的幼嫩葉片產卵。這一產卵策略可以顯著提升后代適應性，表現為后代幼蟲生長發育速率和存活率顯著提高。
不過，當模擬未來大氣環境將二氧化碳濃度升高至1000ppm條件時，雌蟲對幼嫩葉片的產卵偏好性顯著降低，揭示了二氧化碳濃度上升對昆蟲種群繁衍的潛在影響。
進一步對二氧化碳調控產卵行為的機制進行研究，成功鑒定出棉鈴蟲下唇須中特異性表達的三個味覺受體（HarmGR1、HarmGR2、HarmGR3）共同介導了棉鈴蟲對二氧化碳的感知，受體激活引起的外周信號投射至觸角葉的下唇須陷窩器嗅小球，并進一步傳遞至大腦的高級神經中樞，引起二氧化碳響應行為。
利用CRISPR/Cas9基因編輯技術敲除任一受體都會導致棉鈴蟲喪失二氧化碳感知能力，進而破環其基于CO2梯度選擇最優產卵位點的行為策略。
該研究運用生物化學、神經生物學、電生理學、行為學和基因敲除等研究手段，從分子、神經和行為學多層面全方位解析了二氧化碳調控棉鈴蟲產卵行為的機制，并深入探討了這一機制在昆蟲和植物互作中的生態學意義，為大氣二氧化碳濃度變化對昆蟲繁殖行為的影響提供了有力證據，對預測氣候變化下的生物多樣性變遷具有重要理論價值，也為全球溫室效應下的農業害蟲防控提供了新的思路。
中國農業科學院植物保護研究所研究員王桂榮和劉楊為論文通訊作者，農業基因組研究所和植物保護研究所聯合培養博士后陳秋燕為論文第一作者。研究得到國家自然科學基金、中國農業科學院科技創新工程基礎科學研究中心等項目的資助。
相關論文信息：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf270
