范　佳　陳巨蓮　程登發(fā)　孫京瑞

摘要：綜述了蚜蟲較典型的3種嗅覺行為即報(bào)警信息素反應(yīng)、植物揮發(fā)物對蚜蟲的引誘行為和驅(qū)避行為以及嗅覺在寄主定位中的作用，結(jié)合由G蛋白介導(dǎo)的昆蟲嗅覺信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的研究現(xiàn)狀，從一個(gè)全新的角度總結(jié)了近年來針對蚜蟲嗅覺反應(yīng)及其機(jī)制的研究進(jìn)展。文章還就麥蚜嗅覺信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑研究的可行性及意義進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：蚜蟲；嗅覺行為；報(bào)警信息素；植物揮發(fā)物；G蛋白；信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

中圖分類號(hào)：Q 965

蚜蟲類是同翅目中較大的一個(gè)類群，世界上已知的種類近4 000種。其中，主要為害麥類作物的約30種，通過刺吸取食、傳播病毒病、排泄蜜露阻礙光合作用和呼吸作用等造成危害，是溫帶農(nóng)作物的主要害蟲，同時(shí)是農(nóng)業(yè)重大害蟲之一。

昆蟲靈敏的嗅覺是得以適應(yīng)環(huán)境和種群繁衍的重要條件，其準(zhǔn)確感受環(huán)境中的化學(xué)信號(hào)，對于配偶尋找、寄主定位以及天敵昆蟲獵物發(fā)現(xiàn)和搜尋過程至關(guān)重要。蚜蟲也不例外，蚜蟲的嗅覺行為，如對報(bào)警信息素反應(yīng)、寄主引誘、趨避等行為及機(jī)制引起研究者們廣泛的興趣，深入了解蚜蟲嗅覺行為，在理論研究和防治應(yīng)用上均具有重要意義。

昆蟲嗅覺行為的生理和分子機(jī)制的研究已不斷地深入。1999年第一個(gè)與嗅覺相關(guān)的無脊椎動(dòng)物氣味受體基因在果蠅(Drosophila melanogaste)體內(nèi)被證實(shí)，即證實(shí)了G蛋白偶聯(lián)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑參與了無脊椎動(dòng)物的嗅覺感受過程，昆蟲嗅覺相關(guān)G蛋白偶聯(lián)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑研究已成為分子生物學(xué)及細(xì)胞學(xué)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)，多種昆蟲的嗅覺相關(guān)的G蛋白基因已被克隆和進(jìn)行初步的功能研究。G蛋白偶聯(lián)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)是生物界一類重要的細(xì)胞跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域生化及藥理研究中發(fā)現(xiàn)，許多藥劑的作用機(jī)理與G蛋白偶聯(lián)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑相關(guān)。鑒于G蛋白在物種進(jìn)化過程中具有高度的保守性，因而，開展蚜蟲嗅覺相關(guān)的G蛋白及其偶聯(lián)組分、信號(hào)途徑的研究成為可能而且很有必要。

1蚜蟲嗅覺行為

蚜蟲嗅覺在其降落前的寄主選擇及降落后小范圍的寄主定位中均具有重要作用。目前，針對蚜蟲嗅覺反應(yīng)的研究主要集中在以下幾方面。

1.1報(bào)警信息素

蚜蟲報(bào)警信息素的研究是當(dāng)今防治蚜蟲危害并遏制植物病毒傳播的熱門課題，國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者普遍認(rèn)為蚜蟲報(bào)警信息素將成為一種新型、環(huán)境友好的、極具商業(yè)化潛力的生物源農(nóng)藥。

蚜蟲報(bào)警信息素是蚜蟲的一種主要信息素。Browers等從棉蚜等6種蚜蟲中提取并鑒定蚜蟲報(bào)警素的主要成分為反-β-法尼烯(EβF)，通過行為學(xué)和電生理學(xué)測定確定蚜蟲對EβF的化學(xué)感受部位在觸角上。蚜蟲的報(bào)警信息素針對不同的對象有著不同的作用。

眾所周知，報(bào)警信息素對于蚜蟲同類來說，起到報(bào)警的作用；對于蚜蟲的天敵來說，可以利用報(bào)警信息素來定位蚜蟲；對于蚜蟲的保護(hù)者螞蟻來說，報(bào)警信息素的出現(xiàn)意味著蚜蟲敵害的來臨，應(yīng)做好攻擊的準(zhǔn)備；對于植物而言，分泌報(bào)警信息素可能類似于保幼激素作用，從而抑制有翅蚜蟲的產(chǎn)生，起到調(diào)控蚜蟲數(shù)量、控制蚜蟲擴(kuò)散的作用。機(jī)械損傷的玉米在經(jīng)棉貪夜蛾(Spodoptera littoralis)的口腔分泌物處理后，會(huì)產(chǎn)生EβF，從而導(dǎo)致玉米蚜(Rhopalosiphummaidis)的逃避行為。野生的馬鈴薯通過腺毛狀體釋放3種不同的倍半萜烯外激素(β-丁子香烯、蓽澄茄烯、D-杜松萜烯)及釋放蚜蟲的報(bào)警信息素EβF，能有效地抵抗桃蚜的侵害。

1.2寄主引誘行為

昆蟲在選擇寄主的過程中，嗅覺信號(hào)對寄主定位過程起重要作用。許多植食性昆蟲嗅覺對綠葉氣味，主要是許多飽和及不飽和脂肪族醇類、醛類、酮類、酯類的混合物的反應(yīng)都非常敏感。蚜蟲可在小范圍內(nèi)對信息素(綠葉氣味、聚集信息素、報(bào)警信息素等)產(chǎn)生選擇行為反應(yīng)，從而分辨自己適宜的寄主。而在大范圍遷飛降落后，綠葉氣味也是蚜蟲進(jìn)行尋找寄主的局部調(diào)整時(shí)利用的信號(hào)物質(zhì)之一。

對麥長管蚜(Sitobion avenae)有翅蚜對冬小麥可能具有的多種揮發(fā)物組分的嗅覺反應(yīng)進(jìn)行測定，發(fā)現(xiàn)其對綠葉氣味反應(yīng)較強(qiáng)，麥長管蚜還對水楊酸甲酯、反2-己烯醛、反2-己烯醇、6-甲基-5-庚烯-2-酮和6-甲基-5-庚烯-2-醇等化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)較強(qiáng)；另外，小麥和燕麥揮發(fā)物的不同組分對禾谷縊管蚜(Rhopalosiphum padi)有翅和無翅成蚜具有吸引作用。禾谷縊管蚜對水楊酸甲酯、反-3-己烯乙酸酯、6-甲基-5-庚烯-2-酮和6-甲基-5-庚烯-2-醇等化學(xué)物質(zhì)的反應(yīng)也較強(qiáng)。有翅蚜和無翅蚜的嗅覺反應(yīng)存在一定差別，可能是因?yàn)橛谐嵫列枰ㄟ^提高其對特異氣味的敏感性嚴(yán)格地區(qū)別植物氣味來發(fā)現(xiàn)寄主，以利于選擇合適的寄主，末齡若蚜及無翅成蚜在密度較大、或寄主植物營養(yǎng)下降時(shí)，有尋找新取食地點(diǎn)的趨向。轉(zhuǎn)主寄生蚜蟲如禾谷縊管蚜的有翅蚜對同種植物刺激反應(yīng)較弱，而對其冬、夏寄主的氣味反應(yīng)較強(qiáng)，不同蚜型的嗅覺特異性可能與其遷飛和擴(kuò)散行為有關(guān)。

綠色植物所含有的化學(xué)成分是復(fù)雜的，在昆蟲與植物的相互作用中起主要作用的有機(jī)成分有兩種：一種是植物為昆蟲提供的營養(yǎng)成分，包括糖類、蛋白質(zhì)、氨基酸、脂肪、維生素以及昆蟲不能合成的甾醇等；另一種是種類繁多的植物次生物質(zhì)，包括萜類、酚類、生物堿、丹寧、糖苷等。蚜蟲作為寡食性害蟲，對寄主的選擇相對嚴(yán)格，其嗅覺對寄主植物次生代謝物質(zhì)的特異識(shí)別，使蚜蟲小范圍內(nèi)的寄主選擇的正確性有所保證。

植物氣味與昆蟲行為關(guān)系的研究集中在植物氣味組成成分對昆蟲行為的調(diào)控作用，側(cè)重于植物氣味物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)鑒定及利用人工合成物來控制昆蟲行為等，主要進(jìn)行實(shí)用性的植物性引誘劑、驅(qū)避劑、拒食劑、生理生化抑制劑和干擾劑等的研制。有關(guān)植物-昆蟲間化學(xué)通訊信號(hào)的生物誘導(dǎo)及其基因調(diào)控的研究相對滯后，亟待突破。

1.3植物驅(qū)避行為

在農(nóng)林生態(tài)系統(tǒng)中，作物相物種多樣性普遍存在，昆蟲的多種非寄主植物揮發(fā)物不僅對寄主植物的氣味具有掩蔽作用，而且對植食性昆蟲還具有驅(qū)避作用。如蔥新弓翅蚜(Neotoxoptera formosana)能被非寄主植物迷迭香(Rosmarinus of ficinalis)和薄荷(Pdlentha haplocalyx)的氣味所驅(qū)避，即使在有寄主植物氣味的情況下，迷迭香的揮發(fā)性物質(zhì)1，8-桉油精和d-1-莰酮依然對蚜蟲有驅(qū)避作用；這種驅(qū)避作用也同樣發(fā)生在豆衛(wèi)矛蚜(Aphis fabae)上，另外一些非寄主植物揮發(fā)物如烯丙基異硫氰酸酯、水楊酸甲酯和(1R，5S)一桃金娘烯醛對該蚜也有驅(qū)拒作用；棉蚜(A.phis gossypii)對非寄主植物馬纓丹(Larltarla camara)的揮發(fā)物表現(xiàn)忌避性；非寄主植物的揮發(fā)物芳樟醇對埃二尾蚜(Cavariellaaegopodii)有驅(qū)避作用；桃蚜(Myzus persicae)對香

椿[Toona sinensis(A.Juss.)Roem]提取物的氣味有明顯的負(fù)趨性；甲基水楊酸酯是禾谷縊管蚜的冬寄主稠李(Prunuspadus)的揮發(fā)物成分，但對其春型蚜具有驅(qū)避作用。

為達(dá)到降低大田蟲口密度及控制其危害的目的，可以利用麥蚜的驅(qū)避行為，培育和栽培對麥蚜具有驅(qū)拒作用的作物品種；也可結(jié)合間作套種方式，種植驅(qū)避作物；或者可在田間直接利用驅(qū)避劑，擾亂蚜蟲的選擇行為，降低危害程度。

2嗅覺生理和分子機(jī)制研究概述

G蛋白偶聯(lián)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑是一類重要的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，在簡單真核生物、植物、昆蟲及高等動(dòng)物體內(nèi)普遍存在，參與胞內(nèi)一系列的生理、生化效應(yīng)，包括細(xì)胞的代謝、分泌、生長、增殖、分化、畸變、病變、程序死亡等生命過程。目前，G蛋白各組分及其偶聯(lián)的信號(hào)途徑仍在不斷地研究發(fā)現(xiàn)中，該系統(tǒng)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑和生理功能的研究成為生物化學(xué)及分子生物學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

果蠅作為模式昆蟲，由于基因組序列測定已完成，各類功能基因，包括嗅覺相關(guān)的基因和調(diào)控途徑研究備受關(guān)注。鱗翅目昆蟲信息素識(shí)別也已經(jīng)成為嗅覺接收和轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制研究的模式。隨著岡比亞按蚊(Anopheles gambiae)基因組序列測定完成，為控制蚊類傳病效能而推動(dòng)有關(guān)嗅覺探測分子機(jī)制的研究將為昆蟲嗅覺機(jī)制的研究提供又一個(gè)模型。然而對一些重要害蟲的G蛋白及其信號(hào)傳導(dǎo)途徑的研究報(bào)道很少。麥蚜G蛋白的研究起步較晚，麥蚜嗅覺相關(guān)的G蛋白的研究尚未見報(bào)道。由于麥蚜等微型昆蟲的基因組研究基礎(chǔ)缺乏，對于開展其嗅覺行為和調(diào)控機(jī)制的研究難度更大，但是蚜蟲嗅覺相關(guān)的G蛋白的研究，對于明確蚜蟲寄主識(shí)別、植物驅(qū)避反應(yīng)及對報(bào)警信息素的反應(yīng)等具有重要的理論、應(yīng)用價(jià)值。

2.1G蛋白概述

20世紀(jì)80年代，Rodbell等發(fā)現(xiàn)跨膜信號(hào)傳導(dǎo)需要GTP的存在。后來，Gilman等人發(fā)現(xiàn)Gs(刺激型G蛋白)在細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)途徑中的作用及其功能。兩人并由此于1994年獲諾貝爾醫(yī)學(xué)生理學(xué)獎(jiǎng)。

胞外信息信號(hào)物質(zhì)與相應(yīng)受體結(jié)合后，通過G蛋白介導(dǎo)產(chǎn)生胞內(nèi)“第二信使”，激活蛋白激酶，導(dǎo)致底物蛋白磷酸化，最終引發(fā)靶細(xì)胞產(chǎn)生相應(yīng)的生物學(xué)效應(yīng)，形成從胞外到胞內(nèi)的信息轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。而這些信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑相互作用形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，調(diào)控各種代謝酶類、離子通道、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和其他調(diào)控轉(zhuǎn)錄、運(yùn)動(dòng)、收縮和分泌等細(xì)胞過程中的各種組分。一般而言，行使信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)功能的G蛋白是由3個(gè)不同的亞基a、β與γ亞基組合在一起的異源三聚體，各a亞基具有一定的保守區(qū)和多變區(qū)。至少存在45％～80％相似的氨基酸，高度同源區(qū)域主要參與形成鳥核苷酸結(jié)合袋(guanosine binding pocket)。a亞基有GTPase區(qū)、螺旋區(qū)和遠(yuǎn)離其他成分的氨基端螺旋3個(gè)獨(dú)特結(jié)構(gòu)。這些區(qū)域一般包含了GTP結(jié)合位點(diǎn)、GTP酶的活性位點(diǎn)、ADP核糖基化位點(diǎn)、毒素修飾位點(diǎn)、受體和效應(yīng)器結(jié)合位點(diǎn)，GDP則緊密結(jié)合在GTPase區(qū)和螺旋區(qū)之間的間隙深部。由于以上各位點(diǎn)與G蛋白負(fù)責(zé)的生理功能關(guān)系極為密切，所以一般認(rèn)為Ga是G蛋白的功能亞基。

近年，針對昆蟲G蛋白的研究取得了一些成果，主要集中在果蠅、按蚊及鱗翅目昆蟲。陳巨蓮等，蔣紅玲等先后開展了麥長管蚜G蛋白各亞基基因的克隆，目前在GenBank的登錄G蛋白基因?yàn)镚蛋白a亞基的GA0基因(GenBank登錄號(hào)：AY603976，陳巨蓮等，未發(fā)表)、β亞基和γ亞基的Gsavβ、Gsavγ基因(GenBank登錄號(hào)：AY205294和AY339875)，并開展G蛋白亞基的組織分布和信號(hào)途徑等初步研究。

2.2與嗅覺相關(guān)的G蛋白類型

異源三聚體G蛋白是由α、β和γ3種亞基組成。目前已發(fā)現(xiàn)23種不同的α、8種不同的β和12種不同的γ亞單位，分別由16個(gè)α、6個(gè)β和12個(gè)γ基因，所編碼不同的α、β和γ亞基在理論上可以形成近1 000種三聚體，這樣大數(shù)量的可能組合不僅有利于高度特異性的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，而且有助于鑒定受體和效應(yīng)器信號(hào)的類別和特異性。在這些亞基中，編碼α亞基的基因差異最大。根據(jù)G蛋白a亞單位的結(jié)構(gòu)不同，可將其分為6個(gè)亞家族：Gs、Gi／o、Gq、Gt、Gg和G12。

Gq蛋白是近幾年發(fā)現(xiàn)的一種G蛋白，存在于烏賊、章魚、鱟、果蠅、日本沼蝦等多種無脊椎動(dòng)物的感光細(xì)胞中，在脊椎動(dòng)物的感光器中也含有Gq。Kopf等通過免疫學(xué)方法，在昆蟲觸角的嗅覺受體細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)該蛋白的存在，推斷Gqa可能參與了昆蟲嗅覺信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)。1999年多篇文獻(xiàn)報(bào)道了果蠅體內(nèi)嗅覺相關(guān)G蛋白基因和幾個(gè)G蛋白偶聯(lián)氣味受體基因的克隆和組織定位。由此證實(shí)，G蛋白偶聯(lián)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑參與了無脊椎動(dòng)物的嗅覺感受過程。已有多個(gè)研究報(bào)道節(jié)肢動(dòng)物體內(nèi)Gq類蛋白具有介導(dǎo)其嗅覺信號(hào)傳遞作用。

3G蛋白信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與嗅覺反應(yīng)

G蛋白已被報(bào)道參與廣泛的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，系統(tǒng)發(fā)育親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的動(dòng)物之間，其氣味辨別以及嗅覺信號(hào)的電化學(xué)傳導(dǎo)和處理卻是基本相似的。目前，哺乳動(dòng)物G蛋白介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的研究成果廣泛而深入，對昆蟲相關(guān)研究具有非常高的參考價(jià)值，大大提高了進(jìn)行昆蟲嗅覺信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)研究的可行性。

而針對多種昆蟲的嗅覺信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的研究顯示，盡管昆蟲與嗅覺相關(guān)的G蛋白偶聯(lián)信號(hào)受體基因是一個(gè)高度變異的家族，并且與線蟲和脊椎動(dòng)物及其他的G蛋白偶聯(lián)受體家族根本不同源。但大量研究結(jié)果顯示，與其偶聯(lián)的Gq蛋白在進(jìn)化上是高度相關(guān)的，預(yù)測的甘藍(lán)夜蛾(Mumestra brassi-cae)Gq蛋白序列與鼠、狗及人Gq蛋白序列相似性達(dá)到80％，同時(shí)，與同是鱗翅目的另外一種昆蟲煙草天蛾(Manduca sexta)的Go蛋白序列的相似性卻只有47％。而甘藍(lán)夜蛾G驢基因與果蠅的dGqa-3基因序列相似性高達(dá)87％。

4展望

昆蟲嗅覺系統(tǒng)的研究有助于闡明整個(gè)感覺系統(tǒng)的工作原理，明確昆蟲寄主尋找和定位、交配、劃分領(lǐng)地以及逃避外來傷害與嗅覺的關(guān)系，對嗅覺行為及機(jī)理的深入了解無疑可以促進(jìn)整個(gè)昆蟲生物學(xué)的研究。

雖然蚜蟲報(bào)警信息素實(shí)用化方面的研究工作已開展20多年，并且植物氣味物質(zhì)引起的蚜蟲生理行為反應(yīng)及觸角電生理反應(yīng)的研究都取得了一些進(jìn)展，但對蚜蟲嗅覺識(shí)別的分子機(jī)制國內(nèi)外幾乎未見報(bào)道，相應(yīng)的基礎(chǔ)研究尚顯不足，如蚜蟲受體與報(bào)警信息素分子的結(jié)合位點(diǎn)與作用機(jī)理并不明確，G蛋白介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑在蚜蟲嗅覺中的作用還沒有相關(guān)報(bào)道。G蛋白是信號(hào)傳導(dǎo)途徑中的一個(gè)關(guān)鍵的分子開關(guān)，將環(huán)境中的信息放大并傳遞給效應(yīng)器，進(jìn)而引起相應(yīng)的生理反應(yīng)。若想闡明昆蟲嗅覺信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程，以G蛋白為研究對象，有針對性地對麥蚜體內(nèi)可能存在的Gqa蛋白基因進(jìn)行特異性擴(kuò)增，利用相應(yīng)的生化及分子生物學(xué)手段進(jìn)行體外重組蛋白的表達(dá)、純化，利用得到的純化的Gqa蛋白制備單抗，通過免疫共沉淀等技術(shù)釣取與Gqa相互作用的上下游蛋白，從而確定由Gqa介導(dǎo)的信號(hào)通路。以此為切入點(diǎn)，進(jìn)一步擴(kuò)增受體蛋白的基因；確定其下游效應(yīng)器，如PLCβ同工酶類型；為今后更深入地探索報(bào)警信息素、植物揮發(fā)物氣味等信號(hào)物質(zhì)與氣味結(jié)合蛋白的特異性結(jié)合，氣味蛋白被信號(hào)受體的特異識(shí)別機(jī)理，最終闡明蚜蟲如何通過層層信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)而實(shí)現(xiàn)對生存環(huán)境中的不同氣味的識(shí)別提供理論基礎(chǔ)。也為明確嗅覺在麥蚜對寄主植物尋找和選擇機(jī)制中的作用，進(jìn)而研制高效的引誘劑或驅(qū)避劑等“綠色殺蟲劑”奠定基礎(chǔ)。