Chemosensory pathways underlying oviposition behavior in the pest insect, Helicoverpa armigera - peripheral and central mechanisms

Insektangrep på landbruksområder har vært en stor utfordring for menneskeheten siden tidlige tider. De ødeleggende gresshoppe-svermene som inntok jordene i Nildalen, slik det er beskrevet i Mosebøkene (ca. 1405 f.Kr.), er en av de første skriftlige referansene til dette problemet. Hovedmålet med prosjektet som presenteres her, er å bidra til trygg matproduksjon globalt ved å utforske grunnleggende prinsipper knyttet til lukt-regulert eggleggings atferd hos et av verdens mest skadelige insekter, nattsvermer-arten, Helicoverpa armigera (pestfagerfly). Det pågående prosjektet har så langt bidratt vesentlig til økt kunnskap om kjemosensoriske baner knyttet til en type hunn spesifikk reproduktiv atferd hos den aktuelle arten, H. armigera. Som beskrevet i en ny publikasjon i det internasjonalt velrennomerte tidsskriftet, Current Biology, har vi – i fellesskap med våre kinesiske samarbeidspartnere - identifisert en luktreseptor på hunnens antenner, HarmOR56, som påvirker eggleggingsatferden hos gravide individer. Aktivering av denne reseptoren - som detekterer såkalte ‘oviposition deterrents’ (ODs) i form av tre metylestere frigitt fra overflaten av artens egg - hemmer eggleggingsatferd. Studien forklarer, for første gang, hvordan en hunn-spesifikk luktreseptor gjenkjenner kjemiske signaler fra artens egne egg. Dataene belyser dermed det tidligere velbeskrevne biologiske fenomenet med at gravide hunner unngår planter/områder som allerede er belagt med egg. Mens vi tidligere har studert hann-spesifikke luktebaner knyttet til reproduksjon hos H. armigera i detalj, bidrar vi her med ny innsikt i et hunn-spesifikt system knyttet til reproduksjon. Eksperimentelle metoder benyttet i den beskrevne publikasjonen, omfatter CRISPR/Cas9 gen-redigering, ekstracellulære registreringer og atferds-studier. I den resterende del av prosjektperioden, vil vi beskrive hvordan informasjonen fra de spesifikke ODs kodes i de sentrale luktebaner. Via intracellulære registreringer og ‘calcium imaging’ avbildninger, vil vi altså avdekke anatomiske og fysiologiske særtrekk ved et hunn spesifikt hjerne-nettverk knyttet til reproduksjon. Deler av dette arbeidet er allerede presentert på ulike vitenskapelige konferanser.

For establishing sustainable agriculture and safe food production, the human society must change pest control strategies by reducing utilization of chemical pesticides and replacing them with environment-friendly alternatives. Despite introduction of biological strategies already several decades ago, including utilization of the insects' own odor signals, such as sex-pheromones, the effectiveness of these methods needs to be improved. It is therefore urgent to upgrade the knowledge about the olfactory pathways and the relevant signaling mechanisms. In this assignment, we aim to explore a system yet poorly described – i.e., the chemosensory circuit underlying regulation of female-specific egg laying behavior in the global pest insect, Helicoverpa armigera. The new knowledge may pave the way for innovation of novel pest control methods approaching the harmful larvae directly. This proposal is linked to an ongoing research project on food safety, classified within the Sino-Norwegian program of the Research Council of Norway (RCN). Three recent high-ranked articles from our research unit on the ongoing project, entitled “Plant – insect relationships: imaging CO2, pheromones, and plant odors in the olfactory pathway of an herbivorous insect”, proves the academic ability of the Chemosensory lab and the suitability of the basic research approach. By continuing the well-established cooperation with our Chinese partners and including a national collaborator having extensive experience from applied research projects on the relevant topic, we have an ideal base for the new plan. The project will include behavioral tests of the local pest species, Pieris brassicae, as well. Regarding expert knowledge, the distinct groups complement each other perfectly as the Norwegian units are competent to explore the central pathways and the odor evoked behaviors, respectively, while the Chinese can uncover details of the peripheral signaling pathway.