Summary Olfactory coding, from insects to humans, is canonically considered to involve considerable across-fiber coding already at the peripheral level, thereby allowing recognition of very large numbers of odor compounds. Here we show that the migratory locust, Locusta migratoria , has evolved an alternative strategy built on highly specific odorant receptors feeding into a complex primary processing center in the brain. By collecting odors from food and different life stages of the locust, we identified 208 ecologically relevant odorants, which we used to deorphanize 48 locust olfactory receptors via ectopic expression in Drosophila . Contrary to the often broadly tuned olfactory receptors of other insects, almost all locust receptors were found to be narrowly tuned to one ligand and most of these best ligands exclusively excited only one receptor. Knocking out a single receptor using CRISPR-Cas9 resulted in an abolished physiological and behavioral response to the corresponding ligand. We conclude that the locust olfactory system, with an apparent lack of redundancy among most olfactory receptors, differs from so-far described olfactory systems.

Plant volatile detection through olfaction plays a crucial role in insect behaviors. In vivo, the odorant receptor co-receptor orco is an obligatory component for the function of odorant receptors (ORs), a major receptor family involved in insect olfaction. We used CRISPR-Cas9 targeted mutagenesis to knock-out (KO) orco in a neurophysiological model species, the hawkmoth Manduca sexta. M. sexta and its host, the Sacred Datura (Datura wrightii) share a model insect-plant relationship based on mutualistic and antagonistic life history traits. D. wrightii is the innately preferred nectar-source and oviposition host for M. sexta. Hence, the hawkmoth is an important pollinator while the M. sexta larvae are specialized herbivores of the plant. We generated an orco KO through CRISPR-Cas9 to test the consequences of a loss of OR-mediated olfaction in this insect-plant relationship. Neurophysiological characterization revealed severely reduced antennal and antennal lobe responses to representative odorants emitted by D. wrightii. In a wind-tunnel setting with a flowering plant, orco KO hawkmoths showed disrupted flight orientation and an ablated proboscis extension response to the natural stimulus. However, when testing the oviposition behavior of mated females encountering a non-flowering plant, there was no difference between orco KO and wild type females regarding upwind flight orientation and number of eggs laid. Overall, OR-mediated olfaction is essential for foraging and pollination behaviors, but plant-seeking and oviposition behaviors appear largely unaffected.

Finding a suitable oviposition site is a challenging task for a gravid female moth. At the same time, it is of paramount importance considering the limited capability of most caterpillars to relocate to alternative host plants. The hawkmoth, Manduca sexta (Sphingidae), oviposits on solanaceous plants. Larvae hatching on a plant that is already attacked by conspecific caterpillars can face food competition, as well as an increased exposure to predators and induced plant defenses. Here, we show that frass from conspecific caterpillars is sufficient to deter a female M. sexta from ovipositing on a plant and that this deterrence is based on the frass-emitted carboxylic acids 3-methylpentanoic acid and hexanoic acid. Using a combination of genome editing (CRISPR/Cas9), electrophysiological recordings, calcium imaging and behavioral analyses we demonstrate that the ionotropic co-receptor IR8a is essential for acid-mediated frass avoidance in ovipositing hawkmoths.

Abstract The sense of smell is pivotal for nocturnal moths to locate feeding and oviposition sites. However, these crucial resources are often rare and their bouquets are intermingled with volatiles emanating from surrounding ‘background’ plants. Here we asked if the olfactory system of female hawkmoths, Manduca sexta , could differentiate between crucial and background cues. To answer this question, we collected nocturnal headspaces of numerous plants in a natural habitat of M. sexta . We analyzed the chemical composition of these headspaces, and used them as stimuli in physiological experiments at the antenna and in the brain. The intense odors of floral nectar sources evoked strong responses in virgin and mated female moths, most likely enabling the localization of profitable flowers at a distance. Bouquets of larval host plants and most background plants, in contrast, were subtle, thus potentially complicating host identification. However, despite being subtle, antennal responses and brain activation patterns evoked by the smell of larval host plants were clearly different from those evoked by other plants. Interestingly, this difference was even more pronounced in the antennal lobe of mated females, revealing a status-dependent tuning of their olfactory system towards oviposition sites. Our study suggests that female moths possess unique neural coding strategies to find not only conspicuous floral cues but also inconspicuous bouquets of larval host plants within a complex olfactory landscape.