Wszystkie organizmy zamieszkują świat pełen bodźców sensorycznych, które determinują ich reakcje behawioralne i fizjologiczne na otoczenie. Węch jest szczególnie istotny u owadów, które wykorzystują swoje systemy olfaktoryczne do reagowania na złożone bodźce zapachowe i odróżniania ich od siebie. Zapachy te wywołują zachowania pośredniczące w takich procesach jak reprodukcja i dobór siedlisk1-3. Ponadto chemorecepcja u owadów pośredniczy w zachowaniach o dużym znaczeniu dla rolnictwa i zdrowia ludzi, w tym w zapylaniu4-6, żerowaniu na uprawach roślin spożywczych7 oraz transmisji chorób8,9. Identyfikacja sygnałów olfaktorycznych i ich roli w zachowaniu owadów jest zatem kluczowa dla zrozumienia zarówno procesów ekologicznych, jak i zasobów żywnościowych oraz dobrostanu ludzi.
Do tej pory identyfikacja lotnych związków sterujących zachowaniem owadów była trudna i często żmudna. Obecne techniki obejmują rejestrację elektroantenogramu sprzężoną z chromatografią gazową (GC-EAG) oraz rejestrację z pojedynczego sensillum sprzężoną z chromatografią gazową (GC-SSR)10-12. Techniki te okazały się kluczowe w identyfikacji związków bioaktywnych. Opracowaliśmy metodę wykorzystującą chromatografię gazową sprzężoną z wielokanałowymi rejestracjami elektrofizjologicznymi (nazwaną „GCMR”) z neuronów w płacie antennym (AL; głównym ośrodku węchowym owada)13,14. Ta nowoczesna technika pozwala nam badać, w jaki sposób informacje zapachowe są reprezentowane w mózgu owada. Co więcej, ponieważ odpowiedzi neuronalne na zapachy na tym poziomie przetwarzania węchowego są bardzo czułe ze względu na stopień konwergencji neuronów receptorowych anteny do neuronów AL, rejestracje z AL pozwolą na wydajne i czułe wykrywanie aktywnych składników naturalnych zapachów. W niniejszym opracowaniu opisujemy metodę GCMR i przedstawiamy przykład jej zastosowania.
Wykrywanie lotnych substancji bioaktywnych oraz analiza reakcji owadów obejmują kilka ogólnych etapów. W pierwszej kolejności należy zebrać substancje lotne z wybranych źródeł (w tym przykładzie wykorzystujemy kwiaty z rodzaju Mimulus (Phyrmaceae)), a następnie scharakteryzować je w razie potrzeby, stosując standardowe techniki GC-MS14-16. Owady przygotowuje się do badań poprzez minimalną dyssekcję, po której elektrodę rejestrującą wprowadza się do płata antenalnego i rozpoczyna wielokanałowy zapis aktywności neuronalnej. Następnie post-processing danych neuronalnych pozwala ustalić, które konkretne substancje zapachowe wywołują istotne odpowiedzi neuronalne w układzie nerwowym owada.
Choć przedstawiony tutaj przykład dotyczy konkretnie badań nad zapylaniem, metodę GCMR można rozszerzyć na szeroki zakres organizmów badawczych i źródeł substancji lotnych. Przykładowo, metoda ta może być wykorzystana do identyfikacji substancji zapachowych przyciągających lub odstraszających owady będące wektorami chorób oraz szkodniki upraw. Co więcej, GCMR może służyć do identyfikacji atraktantów dla owadów pożytecznych, takich jak zapylacze. Technikę tę można rozszerzyć również na obiekty inne niż owady.