飞蝗嗅觉吸引行为的神经分子机制

The migratory locust (Locusta migratoria), shows the striking aggregative behavior in the high population density, which results in the plague. Previous study has shown that the initial step in the large locust aggregation is olfaction-mediated attraction with each other. However, how does the migratory locust receive, transmit, integrate, and process the olfactory information, and what mechanisms underlie olfactory attraction behavior remained to be elucidated. In the present study, we will take an integrated approach including ethology, chemical ecology, molecular biology, and neurobiology to reveal the neural and molecular mechanisms from peripheral to central system underlying locust olfactory attraction behavior. We aim to characterize the olfactory pathways that mediate attraction behavior, through identifying key compounds inducing locust attraction behavior, exploring the coding pattern of olfactory receptor neurons, dissecting neuronal circuitry that encodes these compounds in the antennal lobe, mushroom body, and lateral horn, and uncovering neural modulatory pathways. These results will enrich and expand the theory system of locust aggregation, and provide new insights for better understanding neural and molecular mechanisms underlying behavioral plasticity during animal aggregation. Moreover, this study will provide technical support for inhibiting locust aggregation and plague.

飞蝗在高种群密度下会形成集群行为，是诱发蝗灾的重要因素。我们前期研究发现飞蝗个体之间嗅觉介导的吸引行为是引起飞蝗群聚的起始因素。但飞蝗是如何接收，传递，整合，处理嗅觉信息从而表现出吸引行为目前还不清楚。本研究旨在综合利用行为学，化学生态学，分子生物学以及神经生物学，从外周到中枢深入解析飞蝗嗅觉吸引行为的发生与调控机制。我们将通过鉴定引起飞蝗吸引行为的关键化学组分，解析飞蝗外周触角中嗅觉受体神经元接收与传递嗅觉信息的方式，揭示中枢触角叶、蘑菇体和侧角对嗅觉刺激编码处理的神经环路与重要的调控分子，最终阐明飞蝗嗅觉吸引行为从外周到中枢的神经分子调控机制。结果不仅可以揭示动物集群的神经机理，而且为深入理解动物行为可塑性的发生机制提供重要的理论基础。同时，这对于我们发现重要的神经调控分子，设计高效的行为调控药物，环境友好的控制蝗虫群聚发生从而达到防治飞蝗的目的，提供了重要的技术支撑。

飞蝗在高种群密度下形成聚群行为，这是诱发蝗灾的重要因素。我们前期研究发现飞蝗个体之间嗅觉介导的吸引行为是引起飞蝗群聚的起始因素。本项目以蝗虫群聚过程中嗅觉吸引行为的神经分子机制为研究核心，综合运用行为学、化学生态学、神经生物学和组学技术，从信号-行为-神经-基因-进化等多个层次水平上，深入探索飞蝗嗅觉行为的内在调控机制。鉴定并验证了飞蝗的群聚信息素4-乙烯基苯甲醚（4VA），揭示了蝗虫聚群成灾的奥秘；确定了miR-8-5p通过调控飞蝗脑中谷氨酸-GABA的变化来调控飞蝗的群聚行为；揭示LncRNA PAHAL反馈调控飞蝗多巴胺代谢，精细调节群聚行为的分子机制。这些成果不仅揭示了蝗虫聚群的神经分子机制，同时也为设计高效的行为调控分子，环境友好的控制蝗灾提供了重要的技术支撑。本项目全面完成了预期目标，在国际重要期刊Nature发表文章1篇，PNAS发表文章1篇，PLoS Genetics发表文章1篇，培养博士后2名，博士研究生3名，硕士研究生1名；项目成果“蝗虫聚群成灾的奥秘：4-乙烯基苯甲醚是蝗虫的群聚信息素”入选2020年度中国生命科学十大进展，中国科学院科技创新亮点成果与中国邮政发行的科技创新（三）5枚纪念邮票之一。项目主持人康乐院士获得国际化学生态学会西弗斯坦-西蒙尼奖，马世俊生态科学成就奖等。项目培养的青年人才郭晓娇与于俏俏分别获得优秀青年科学基金项目与博士后创新人才支持计划的支持。