昆蟲嗅覺(jué)相關(guān)蛋白的研究進(jìn)展

王曉雙　唐良德　吳建輝

摘 要 昆蟲對(duì)自然環(huán)境中復(fù)雜化學(xué)信號(hào)的識(shí)別多依賴于其靈敏的嗅覺(jué)系統(tǒng)，選擇寄主、覓食、尋找配偶等行為的發(fā)生都以嗅覺(jué)識(shí)別為基礎(chǔ)，而完成嗅覺(jué)識(shí)別還需要多種嗅覺(jué)相關(guān)蛋白的參與。嗅覺(jué)相關(guān)蛋白主要包括6種，即氣味結(jié)合蛋白、化學(xué)感受蛋白、氣味受體、感覺(jué)神經(jīng)元膜蛋白、離子型受體和氣味降解酶。不同種類和性別的昆蟲中，嗅覺(jué)蛋白的種類、數(shù)量和分布各不相同。由于嗅覺(jué)蛋白在昆蟲識(shí)別外界氣味分子中的重要作用，國(guó)內(nèi)外近年來(lái)對(duì)其展開(kāi)了廣泛、深入的研究。本文從幾種嗅覺(jué)相關(guān)蛋白的生化特性、分子結(jié)構(gòu)、生理功能、分布表達(dá)部位和研究概況等角度，較詳細(xì)地綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外昆蟲嗅覺(jué)相關(guān)蛋白的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞 氣味結(jié)合蛋白；化學(xué)感受蛋白；氣味受體；感覺(jué)神經(jīng)元膜蛋白；離子型受體；氣味降解酶

中圖分類號(hào) Q965 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

Abstract Olfactory proteins of insects have great importance in the process of communication with the outside world and they are believed to be involved in host-finding， foraging， couple searching and other chemical communications. The odorant-related proteins mainly consisted of six species， namely odorant binding protein， chemosensory proteins， odorant receptors， sensory neuron membrane proteins， ionotropic receptor and odorant degradation enzyme respectively. The species， quantity and distribution of olfactory proteins vary among insects of different species and sexes. Odorant-related proteins play an important role in insect for recognizing external odors and are widely and deeply studied in the recent years. The authors summarized some recent advances on the biochemical characteristics， molecular structure， physiological role and localization of distribution and expression of olfactory proteins in this paper.

Key words Odorant binding protein； chemosensory proteins； odorant receptors； sensory neuron membrane proteins； ionotropic receptor； odorant degradation enzyme

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.06.030

昆蟲作為地球上進(jìn)化策略最成功的無(wú)脊椎動(dòng)物類群[1]，其個(gè)體之間及其與其他生物和自然環(huán)境之間最普遍的聯(lián)系方式便是化學(xué)聯(lián)系，這種聯(lián)系既可依賴于揮發(fā)性信息化學(xué)物質(zhì)，又可依賴于非揮發(fā)性物質(zhì)。在定位寄主、尋覓配偶、產(chǎn)卵以及躲避天敵等生命活動(dòng)中發(fā)揮引導(dǎo)作用的多為揮發(fā)性信息化學(xué)物質(zhì)，昆蟲對(duì)這種揮發(fā)物的識(shí)別通常依賴于其靈敏發(fā)達(dá)的嗅覺(jué)系統(tǒng)[2-3]。早在1962年，Schneider[4]便通過(guò)雄蠶蛾（Bombycidae）觸角周緣受體神經(jīng)的電生理記錄發(fā)現(xiàn)昆蟲的嗅覺(jué)系統(tǒng)具有敏感性和特異性，自此，拉開(kāi)了人類探索昆蟲嗅覺(jué)系統(tǒng)的序幕。迄今為止，50多年的研究成果表明，大部分昆蟲的觸角、下顎須和下唇須都分布有嗅覺(jué)感受器，不同的感受器可以識(shí)別不同的氣味信息素并以此調(diào)控昆蟲的行為[5]。因此，研究昆蟲的嗅覺(jué)感受機(jī)制有助于闡明昆蟲間的化學(xué)通訊機(jī)制，進(jìn)而解釋其行為機(jī)制，為人們開(kāi)發(fā)高效、特異的昆蟲行為調(diào)節(jié)劑，探索害蟲防治新途徑奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。而昆蟲完成嗅覺(jué)識(shí)別過(guò)程需要多種嗅覺(jué)相關(guān)蛋白的參與，這些嗅覺(jué)蛋白在昆蟲與外界進(jìn)行信息交流時(shí)具有重要意義。截至目前，人們發(fā)現(xiàn)參與昆蟲的嗅覺(jué)相關(guān)蛋白主要包括氣味結(jié)合蛋白、化學(xué)感受蛋白、感覺(jué)神經(jīng)元膜蛋白、氣味受體、離子型受體和氣味降解酶等。

1 氣味結(jié)合蛋白（odorant binding protein， OBP）

氣味結(jié)合蛋白（odorant binding protein， OBP）與氣味分子的結(jié)合是昆蟲專一性識(shí)別外界氣味物質(zhì)的第一步生化反應(yīng)[6]，各個(gè)類群獨(dú)特的OBP系統(tǒng)恰巧體現(xiàn)了不同昆蟲化學(xué)感應(yīng)系統(tǒng)的演化進(jìn)程。在昆蟲嗅覺(jué)系統(tǒng)中，OBP作為最先發(fā)揮功能的關(guān)鍵組分[4]，它的主要作用是結(jié)合環(huán)境中的脂溶性氣味分子，使其通過(guò)親水性的感受器淋巴液，并最終運(yùn)輸至嗅覺(jué)神經(jīng)元樹(shù)突膜上的氣味受體附近，進(jìn)而引起昆蟲的嗅覺(jué)反應(yīng)。該類蛋白是等電點(diǎn)為4～5的水溶性酸性蛋白[7]。不同昆蟲種群的OBP間具有相似的特征：全長(zhǎng)約144個(gè)氨基酸，分子量約15～17 KD，N-末端有一段長(zhǎng)約20個(gè)氨基酸的信號(hào)肽序列。該序列包含6個(gè)保守的半胱氨酸位點(diǎn)[5]，部分昆蟲為超過(guò)6個(gè)半胱氨酸的“plus-c”型或少于6個(gè)半胱氨酸的“minus-c”型[8-9]，這6個(gè)保守位點(diǎn)形成3個(gè)相互交聯(lián)的二硫鍵（Cys（Ⅰ）-Cys（Ⅲ）、Cys（Ⅱ）-Cys（Ⅴ）和Cys（Ⅳ）-Cys（Ⅵ）[10]），以此維持蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在蛋白質(zhì)分泌過(guò)程中，這段信號(hào)肽序列被除去而后變?yōu)槌墒斓鞍祝墒斓鞍椎?0～60位約有20個(gè)親脂性氨基酸，這段序列可能與OBP結(jié)合外界環(huán)境中的氣味分子有關(guān)[11-12]。20世紀(jì)90年代末，科學(xué)家通過(guò)圓二色性研究發(fā)現(xiàn)，煙草天蛾（Manduca sexta）OBP的二級(jí)結(jié)構(gòu)主要為6個(gè)α-螺旋組成的二聚體，并兼有少許β-折疊結(jié)構(gòu)[13]。脊椎動(dòng)物OBP的二級(jí)結(jié)構(gòu)則以β-折疊為主[7，14]。這種區(qū)別表明二者并非由共同祖先進(jìn)化而成，功能相同只是為適應(yīng)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)而做出的趨同進(jìn)化。

OBP以高濃度存在于昆蟲觸角血淋巴中，主要在觸角中特異性表達(dá)[5]。但越來(lái)越多的研究表明，OBP不僅僅在觸角中表達(dá)。如麥長(zhǎng)管蚜（Sitobion avenae）SaveOBP3和SaveOBP8均為周身表達(dá)，且在足部表達(dá)量較高，這暗示著它們可能具有特殊的嗅覺(jué)功能[15]。亞洲小車蝗（Oedaleus asiaticus） OasiOBP5、OasiOBP7和OasiOBP15在口器中的表達(dá)豐度都高于觸角，表明這些蛋白可能參與識(shí)別食物揮發(fā)物；OasiOBP4、OasiOBP8、OasiOBP13和OasiOBP15則在各個(gè)組織中均被普遍檢測(cè)到，這暗示著它們可能參與了普通化學(xué)物質(zhì)的檢測(cè)[2]。RT-PCR研究發(fā)現(xiàn)，二化螟（Chilo suppressalis）CsupOBPs的組織表達(dá)譜隨蟲體的生長(zhǎng)發(fā)育而有所變化，如CsupOBP8、CsupOBP10和CsupOBP24在幼蟲階段特異性表達(dá)于頭部，在成蟲階段則主要于觸角中富集；熒光競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，CsupOBP8對(duì)植物揮發(fā)物β-紫羅酮、橙花叔醇、法尼醇和二己酮具有高親和力，這表明CsupOBP8在結(jié)合并運(yùn)輸植物揮發(fā)物中發(fā)揮了嗅覺(jué)作用[16]。

OBP最早于鱗翅目昆蟲中發(fā)現(xiàn)并報(bào)道，隨后在鞘翅目、膜翅目、同翅目、雙翅目等昆蟲中也相繼被發(fā)現(xiàn)[17-22]。迄今為止，OBPs已在亞洲小車蝗（O. asiaticus）[2]、綠盲蝽（Apolygus lucorum）[3]、云斑天牛（Batocera lineolata）[23]、椰甲截脈姬小蜂（Asecodes hispinarum）[24]、白背飛虱（Sogatella furcifera）[25]、大草蛉（Chrysopa pallens）[26]、中黑盲蝽（Adelphocoris suturalis）[27]等近50種昆蟲中有報(bào)道，且以美國(guó)加利福尼亞大學(xué)和德國(guó)Kaissling研究小組的研究最為深入[5]。目前研究表明，昆蟲氣味結(jié)合蛋白主要分為2類，即性外激素結(jié)合蛋白和普通氣味結(jié)合蛋白。

1.1 性外激素結(jié)合蛋白（pheromone binding proteins， PBP）

對(duì)昆蟲化學(xué)通訊的研究最早開(kāi)始于鱗翅目昆蟲性信息素[5]。1981年，Vogt等[28]用標(biāo)記性外激素的方法在多音天蠶（Antheraea polyphemus）雄蛾觸角的毛形感器淋巴液中發(fā)現(xiàn)了可特異性結(jié)合雌蛾性信息素并協(xié)助其穿過(guò)親水性淋巴液的一種蛋白，這是人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)昆蟲氣味結(jié)合蛋白，并將其命名為性外激素結(jié)合蛋白（pheromone binding proteins， PBP）。隨后，Sandler等[29]利用X-射線晶體衍射技術(shù)對(duì)家蠶（Bombyx mori）PBP的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，研究發(fā)現(xiàn)Bmor PBP由6個(gè)α-螺旋組成，通過(guò)6個(gè)色氨酸殘基形成3對(duì)二硫鍵來(lái)維持蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，這也是OBPs的一個(gè)重要標(biāo)志。在堿性條件下，其中4個(gè)α-螺旋（α1， α4， α5和α6）反相平行組成燒瓶狀的信息素結(jié)合兜，以此特異性結(jié)合家蠶（B. mori）性信息素的主要成分蠶蛾醇。酸性環(huán)境中，C端伸展序列形成一個(gè)新的α螺旋（α7），伸入結(jié)合兜內(nèi)將蠶蛾醇取代并將其釋放。這一成果使PBP高級(jí)結(jié)構(gòu)的研究取得重大進(jìn)展。

到目前為止，已在鱗翅目、鞘翅目和蜚蠊目等近30種昆蟲中克隆出40多個(gè)PBP基因[7]。通常情況下，PBP主要在雄性昆蟲觸角中大量表達(dá)，雄蟲以此識(shí)別雌性個(gè)體釋放的性外激素。如小菜蛾（Plutella xylostella）Pxyl PBP1和Pxyl PBP3基因在雄蟲觸角中的表達(dá)豐度顯著高于雌蟲[30]。但也有例外。半定量RT-PCR分析結(jié)果顯示，家蠶（B. mori）BmPBP2和BmPBP3基因在雌雄蟲中的表達(dá)水平無(wú)顯著差異[1]。目前，已明確雌蟲觸角內(nèi)含有PBP昆蟲的有美洲棉鈴蟲（Helicoverpa zea）[31]、草地夜蛾（Spodoptera frugiperda）[31]、甘藍(lán)夜蛾（Mamestra brassicae）[32]、煙芽夜蛾（Heliothis virescens）[33]和煙草天蛾（M. sexta）[34]等鱗翅目昆蟲，其中，在美洲棉鈴蟲（H. zea）等3種鱗翅目昆蟲體內(nèi)PBP的雌雄蟲表達(dá)量相當(dāng)[6]。此外，賈小儉等[35]研究發(fā)現(xiàn)，桃蛀螟（Dichocrocis punctiferalis）CpunPBP1不但能有效地與桃蛀螟性信息素組分結(jié)合，還能與8種寄主植物揮發(fā)物有效結(jié)合，據(jù)此推測(cè)CpunPBP1在感受性信息素與寄主植物揮發(fā)物的過(guò)程中發(fā)揮著雙重作用。

1.2 普通氣味結(jié)合蛋白（general odorant binding protein， GOBP）

上世紀(jì)90年代初，昆蟲學(xué)家在柞蠶（Antheraea pernyi）觸角中發(fā)現(xiàn)一種不同于性外激素結(jié)合蛋白的氣味結(jié)合蛋白，它能夠溶解并在親水性淋巴液中運(yùn)輸植物揮發(fā)物等普通氣味分子[36]。因該蛋白的結(jié)合特性，人們將其命名為普通氣味結(jié)合蛋白（general odorant binding protein， GOBP）。到90年代中期，Steinbrecht[37]又分別在柞蠶（A. pernyi）、家蠶（B. mori）中發(fā)現(xiàn)了GOBP1、GOBP2。

GOBP對(duì)氣味分子具有廣譜結(jié)合性，不僅能識(shí)別寄主植物揮發(fā)物和其它與食物相關(guān)的氣味，還能識(shí)別少量的性信息素。與PBP在毛形感器中特異性分布相似的是，GOBP主要在錐形感器中表達(dá)，但這一表達(dá)的空間特性并不存在絕對(duì)化，有時(shí)會(huì)因性別不同而有所差異。例如，在棉鈴蟲（Helicoverpa armigera）雄蛾觸角中，PBP主要存在于毛形感器中，不存在于錐形感器中，而GOBP2主要存在于錐形感器和一些中等大小的毛形感器中；在雌蛾觸角中，PBP在少數(shù)錐形感器和中等大小的毛形感器中存在，長(zhǎng)形毛形感器中不表達(dá)PBP；而GOBP2不但存在于大部分的錐形感器和部分中等大小的毛形感器中，而且還存在于部分的長(zhǎng)形毛形感器中[38]。不同于PBP主要在雄蟲中表達(dá)的特性，GOBP在雌雄個(gè)體中的表達(dá)量幾乎相當(dāng)。王桂榮[38]研究發(fā)現(xiàn)，棉鈴蟲（H. armigera）HarmPBP在雄蛾觸角中的表達(dá)量顯著高于雌蛾，HarmGOBP2在觸角中的表達(dá)量基本無(wú)性別差異。此外，GOBP1與GOBP2的氨基酸序列高度保守，組內(nèi)成員間的同源性高達(dá)90%左右[7]。鐘國(guó)華等[39-40]研究發(fā)現(xiàn)，斜紋夜蛾（Spodoptera litura）觸角SlitGOBP1與已報(bào)道的10種鱗翅目昆蟲GOBP1的相似性為90%～41%，氨基酸序列系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)分析表明，SlitGOBP1與夜蛾科的煙草夜蛾（Helicover paassulta）、煙芽夜蛾（H. virescens）和棉鈴蟲（H. armigera）GOBP1屬于同一分支，相似性分別為78.1%、87.6%和79.9%；SlitGOBP2氨基酸序列與其它16種鱗翅目昆蟲GOBP2的同源性在94%～75%之間，且SlitGOBP2與草地夜蛾（S. frugiperda）和甘藍(lán)夜蛾（M. brassicae）的GOBP2同屬一個(gè)分支，一致性分別為94.4%和92.0%；這暗示著GOBP參與了普通氣味分子的識(shí)別。Zhang等[41]研究發(fā)現(xiàn)，多胺能夠降低小菜蛾（P.xylostella）初羽化雄蟲Pxyl GOBP2的表達(dá)水平，提高初羽化雌蟲Pxyl GOBP2的表達(dá)水平；還能顯著增加未交配雌雄蟲Pxyl GOBP1的表達(dá)水平，對(duì)于已交配雌蟲的調(diào)控效果則恰恰相反。

到目前為止，還從未在同一感器中同時(shí)發(fā)現(xiàn)PBP和GOBP，有的感器中二者皆不存在[14]。這一分布特點(diǎn)表明OBP可能存在不同的亞族。由此看出，OBP的功能與分布相適應(yīng)，同時(shí)也表明PBP和GOBP參與外界不同刺激的識(shí)別，與不同的氣味受體協(xié)同作用。

2 化學(xué)感受蛋白（chemosensory proteins， CSPs）

Angeli等[42]最早在沙漠蝗（Schistocerca gregaria）的觸角中發(fā)現(xiàn)了一類參與沙漠蝗化學(xué)感受的蛋白，然而該蛋白與OBP在序列、結(jié)構(gòu)、表達(dá)譜等方面都存在明顯差異，故將其命名為化學(xué)感受蛋白（chemosensory proteins， CSPs）。CSPs是球形可溶性小分子蛋白，分子量較小，為13 ku，由100～115個(gè)氨基酸殘基組成。CSPs在物種之間的同源性略高于OBP，典型特征為4個(gè)保守的半胱氨酸殘基組成2個(gè)二硫鍵，從而形成2個(gè)小環(huán)[43]，借此維持穩(wěn)定的構(gòu)型。同OBP類似的是，大多數(shù)昆蟲CSPs的二級(jí)結(jié)構(gòu)是6個(gè)α-螺旋[6]，但在不同昆蟲內(nèi)α-螺旋的數(shù)目有所差異，這也導(dǎo)致不同昆蟲體內(nèi)CSPs的功能各有不同。CSP家族到目前為止僅在昆蟲中有所發(fā)現(xiàn)，在哺乳動(dòng)物中還未發(fā)現(xiàn)CSP基因的同源物[44-45]。

不同于OBP高度富集于觸角，而CSPs的組織表達(dá)譜較為廣泛，在體軀、表皮、觸角、腹部、下唇須、下顎須、跗節(jié)和性腺等各個(gè)部位均能表達(dá)。Cui等[27]在中黑盲蝽（Adelphocoris suturalis）觸角轉(zhuǎn)錄組中鑒定出8個(gè)CSPs候選基因，其中AsutCSP1、AsutCSP4和AsutCSP 5在觸角中特異性表達(dá)，且AsutCSP1在雄蟲觸角中的表達(dá)量高于雌蟲。半定量RT-PCR研究結(jié)果表明，棉鈴蟲（H. armigera）CSP基因在頭、胸、腹、足、翅和觸角等組織中的表達(dá)量無(wú)明顯差異[46]。RT-PCR檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，綠盲蝽（Apolygus lucorum）AlucCSP2和AlucCSP3在雌性翅中特異性表達(dá)[3]。甜菜夜蛾（Spodoptera exigua）的6個(gè)CSPs基因除觸角以外，在足和翅也高度表達(dá)，這表明它們可能還具有化學(xué)感應(yīng)和其它非嗅覺(jué)作用[47]。

已有研究表明，CSPs最基本的功能是溶解并運(yùn)輸不同的親脂性配基[6]，識(shí)別環(huán)境中的大量非揮發(fā)性物質(zhì)[11]，還兼有信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、免疫、調(diào)控生長(zhǎng)發(fā)育、調(diào)節(jié)生理節(jié)律、識(shí)別CO2等功能[45-51]。如外周組織CSP可能參與了東亞飛蝗（Locusta migratoria）群居型與散居型的轉(zhuǎn)變過(guò)程[52]。西花薊馬（Frankliniella occidentalis）Focc CSP1在2齡若蟲中的轉(zhuǎn)錄水平較高，F(xiàn)occ CSP2在1齡若蟲中的相對(duì)表達(dá)量較高，暗示這2個(gè)基因可能參與調(diào)節(jié)若蟲的生長(zhǎng)發(fā)育[53]。實(shí)時(shí)定量PCR結(jié)果顯示，中華蜜蜂（Apis cerana）化學(xué)感受蛋白Ac-ASP3在翅和足中高豐度表達(dá)，在觸角中的表達(dá)量相對(duì)較低，據(jù)此推測(cè)Ac-ASP3可能不參與搜尋蜜源等嗅覺(jué)活動(dòng)，而是參與蜂巢內(nèi)個(gè)體信息的識(shí)別以及觸角的機(jī)械運(yùn)動(dòng)[54]。

迄今為止，已經(jīng)克隆了5個(gè)目10種昆蟲的40多個(gè)CSPs基因[46]，但只鑒定出甘藍(lán)夜蛾（M. brassicae）CSP6[55]、家蠶（B. mori）CSP1[56]和沙漠蝗（S. gregaria）CSP4[57]共3個(gè)CSPs的三維結(jié)構(gòu)。很多昆蟲中都存在多個(gè)CSP基因，對(duì)該基因功能的研究方法主要是通過(guò)基因結(jié)構(gòu)及分布特征進(jìn)行預(yù)測(cè)，能直接證明CSPs功能的實(shí)驗(yàn)證據(jù)依然有待發(fā)掘。

3 氣味受體（odorant receptors， ORs）

嗅覺(jué)的識(shí)別和傳導(dǎo)從氣味分子與嗅覺(jué)神經(jīng)元樹(shù)突膜上的氣味受體（odorant receptors， ORs）的相互作用開(kāi)始。ORs是有7個(gè)跨膜域的G蛋白偶聯(lián)受體，主要分布于觸角和下顎須，由大約300～350個(gè)氨基酸殘基組成?？贵w標(biāo)記試驗(yàn)表明，ORs一般為N端在胞內(nèi)，C端在胞外的反向膜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)特性與脊椎動(dòng)物G蛋白偶聯(lián)受體及其它物種的氣味受體完全不同。ORs為非選擇性陽(yáng)離子通道[58]，對(duì)氣味具有高度選擇性和特異性，能夠?qū)馕斗肿拥幕瘜W(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，在昆蟲的嗅覺(jué)反應(yīng)中起到了中轉(zhuǎn)站的作用[11]。氣味分子與氣味受體相互作用激發(fā)了G-蛋白偶聯(lián)反應(yīng)的連鎖信號(hào)。受體調(diào)節(jié)的G-蛋白激活與第二信使連鎖的關(guān)鍵酶，既能使5′-腺苷三磷酸在腺苷酸環(huán)化酶（AC）的催化作用下形成3′，5′-環(huán)化腺苷酸（cAMP），又能使磷脂酶C（PLC）水解膜上的磷脂酰肌醇釋放1，4，5-三磷酸肌醇（IP3）和甘油二酯（DAG）。細(xì)胞內(nèi)cAMP和IP3濃度的升高，激活了膜上的離子通道，從而產(chǎn)生動(dòng)作電位。

人類對(duì)氣味受體的探索于20世紀(jì)90年代初取得突破性進(jìn)展，Buck等[59]從褐家鼠（Rattus norvegicus）的嗅覺(jué)上皮組織中成功克隆得到第1個(gè)氣味受體基因。隨后，Troemel等[60]又克隆得到秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans）的OR。昆蟲ORs基因的發(fā)現(xiàn)還要略晚于線蟲，直至20世紀(jì)末，Clyne等[61]，Gao等[62]以及Vosshau等[63]3個(gè)實(shí)驗(yàn)室?guī)缀跬瑫r(shí)克隆得到果蠅的OR，自此才開(kāi)啟了人類對(duì)昆蟲ORs探索的新篇章。昆蟲的氣味受體是在六足總綱味覺(jué)受體的基礎(chǔ)上演化而成的，并逐漸發(fā)展為昆蟲氣味識(shí)別系統(tǒng)的主導(dǎo)元素[64]。昆蟲體內(nèi)的ORs主要分為兩類，一類是傳統(tǒng)的、位于神經(jīng)元膜上的普通氣味受體（ORs），可直接識(shí)別OBP，這類氣味受體高度變異，不同昆蟲間的同源性只有20%；另一類是保守的位于感覺(jué)神經(jīng)元上的Or83b蛋白，它包含一個(gè)保守的鈣調(diào)蛋白（CaM）結(jié)合基序[58]，這類蛋白幾乎在所有的嗅覺(jué)神經(jīng)元中都表達(dá)，不同昆蟲間的氨基酸同源性高達(dá)70%以上。Or83b蛋白可以協(xié)助典型氣味受體準(zhǔn)確定位到樹(shù)突膜的表面。利用RNAi抑制長(zhǎng)紅錐蝽（Rhodnius prolixus）RproOr83b基因表達(dá)后，長(zhǎng)紅錐蝽（R. prolixus）的嗅覺(jué)行為明顯減弱，搜尋寄主的行為受到嚴(yán)重干擾，還伴有死亡率上升、產(chǎn)卵率和蛻皮率下降等現(xiàn)象，說(shuō)明Or83b基因可能還具有調(diào)節(jié)生命活動(dòng)等作用，其功能有待進(jìn)一步研究[65]。利用TALEN誘導(dǎo)亞洲玉米螟（Ostrinia furnacalis）Or83b受體基因突變后進(jìn)行生理和行為分析，結(jié)果表明觸角對(duì)性信息素組分的反應(yīng)降低至微量級(jí)，且OfurOr83b突變體的行為反應(yīng)完全喪失[66]。Or83b突變體電生理試驗(yàn)也表明Or83b與其它受體蛋白共同調(diào)節(jié)昆蟲對(duì)所有氣味分子的反應(yīng)[4]。以上都印證了目前的研究觀點(diǎn)，即Or83b蛋白與典型氣味受體以一種還未探明的化學(xué)計(jì)量比聚合成異源二聚體，形成了一個(gè)既能傳輸親離子型信號(hào)又能傳輸親代謝性信號(hào)的功能復(fù)合體[64]，以此增強(qiáng)氣味受體對(duì)氣味分子的識(shí)別能力。

隨著測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，已通過(guò)全基因組測(cè)序在雙翅目、膜翅目、鱗翅目、鞘翅目、半翅目和蜚蠊目等昆蟲中鑒定出多個(gè)ORs[67]。其中，從黑腹果蠅（Drosophila melanogaster）全基因組序列中鑒定出至少62個(gè)候選ORs基因[11]，在岡比亞按蚊（Anopheles gambiae）中篩選出至少79個(gè)ORs基因，在煙芽夜蛾（H. virescens）中則識(shí)別出9個(gè)候選ORs基因[13]。不同昆蟲體內(nèi)ORs基因的數(shù)目不等，差距較大，體虱（Pediculus humanus）中僅發(fā)現(xiàn)10個(gè)，西方蜜蜂（Apis mellifera）中則有170個(gè)，目前發(fā)現(xiàn)ORs基因最多的為佛羅里達(dá)弓背蟻（Camponotus floridanus），高達(dá)352個(gè)，這反映了昆蟲ORs在進(jìn)化過(guò)程中廣泛存在的基因得失現(xiàn)象。

4 感覺(jué)神經(jīng)元膜蛋白（sensory neuron membrane proteins， SNMPs）

感覺(jué)神經(jīng)元膜蛋白（sensory neuron membrane proteins， SNMPs）是富集于完全變態(tài)昆蟲觸角中的重要嗅覺(jué)功能蛋白，分為SNMP1和SNMP2兩個(gè)亞族[68]，SNMP1在對(duì)信息素敏感的嗅覺(jué)受體神經(jīng)元（ORNs）中表達(dá)，SNMP2在支持細(xì)胞中表達(dá)[69]。此類蛋白為雙跨膜蛋白，由大約519～525個(gè)氨基酸組成，在鏈的C端和N端各有一個(gè)跨膜域，跨膜結(jié)構(gòu)域內(nèi)有若干N-糖基化基團(tuán)與二硫鍵[68]，該蛋白最初為59 ku的多肽，經(jīng)過(guò)翻譯后修飾，被加工為69 ku的多肽。最早被發(fā)現(xiàn)的昆蟲SNMPs基因?yàn)?0世紀(jì)90年代中期在多音天蠶（Antheraea polyphemus）中克隆的SNMP1基因[70]。SNMP2基因的首次發(fā)現(xiàn)則是在煙蚜夜蛾中[68]。隨后蘋果蠹蛾（Cydia pomonella）[68]、中華蜜蜂（A. cerana）[70]、煙夜蛾（Heliothis assulta）[71]、棉鈴蟲（H. armigera）[72]、家蠶（B. mori）[73]、甜菜夜蛾（S. exigua）[74]等多種昆蟲的SNMPs基因也相繼得到鑒定。

SNMPs有觸角富集優(yōu)勢(shì)，羅梅浩等[71]通過(guò)半定量RT-PCR研究發(fā)現(xiàn)，SNMPs在煙夜蛾（H. assulta）的觸角、頭（除去觸角）、喙和足中均能表達(dá)，且觸角中表達(dá)豐度最高，喙次之。Liu等[74]研究發(fā)現(xiàn)甜菜夜蛾（S. exigua）SexiSNMP1和SexiSNMP2在毛形感器和錐形感器中都有表達(dá)，推測(cè)這2個(gè)基因在感受性信息素與普通氣味識(shí)別中具有雙重功能。對(duì)中華蜜蜂（A. cerana）Acc SNMP1與其他昆蟲SNMPs基因的同源性比較發(fā)現(xiàn)，同源性差異很大，在氨基酸水平上與西方蜜蜂（A. mellifera）SNMP基因一致性高達(dá)99.2%，與熊蜂（Bombus impatiens）SNMP基因的一致性也達(dá)90.9%，但與赤擬谷盜（Tribolium castaneum）SNMP基因一致性僅為22.7%，系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)顯示中華蜜蜂（A. cerana）與西方蜜蜂（A. mellifera）遺傳距離最近[70]。qRT-PCR結(jié)果證明，小地老虎（Agrotis ypsilon）AipsSNMP1和AipsSNMP2在觸角中的表達(dá)顯著高于其他組織，在羽化前3 d的蛹期開(kāi)始表達(dá)，羽化當(dāng)天表達(dá)量顯著增加，在羽化后的4 d都保持高表達(dá)量，交配狀態(tài)對(duì)其表達(dá)水平?jīng)]有影響[69]。

5 離子型受體（ionotropic receptor，IR）

離子型受體（ionotropic receptor， IR）作為一類新近發(fā)現(xiàn)的基因家族，最早于果蠅的嗅覺(jué)系統(tǒng)中展開(kāi)研究。科學(xué)家們通過(guò)電生理結(jié)合分子生物學(xué)手段對(duì)果蠅的觸角、下顎須等外周感覺(jué)器官及基本的嗅覺(jué)中心觸角葉綜合研究后發(fā)現(xiàn)，大量觸角神經(jīng)元既不表達(dá)ORs基因，也不表達(dá)味覺(jué)受體（GR）基因，但可以對(duì)某些氣味分子產(chǎn)生反應(yīng)[75]，這暗示可能存在一類未知的其他嗅覺(jué)基因家族。2009年，通過(guò)對(duì)黑腹果蠅（D. melanogaster）基因組進(jìn)行生物信息學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)了一大類高度分化的谷氨酸離子通道受體（ionotropic glutamate receptor，iGluR）家族的遠(yuǎn)源同系物，并將其命名為離子型受體（IR）[76]。分析結(jié)果表明，黑腹果蠅（D. melanogaster）中共有66個(gè)IR基因，包括9個(gè)假基因。RT-PCR和熒光原位雜交證明，有16個(gè)IR特異性表達(dá)于觸角，其中10個(gè)定位于某些亞型的腔錐形感器的神經(jīng)元中，或是與1～2個(gè)其它的IR共表達(dá)[76-77]。后續(xù)研究表明，表達(dá)IR基因的觸角神經(jīng)元均表達(dá)另外2個(gè)基因IR8a和IR25a，這2個(gè)基因被認(rèn)為具有共受體特性，推測(cè)IR與IR8a、IR25a的這種表達(dá)模式類似于配體特異性的OR與其共表達(dá)受體OR83b[76]。

在其它昆蟲中，IRs也被陸續(xù)報(bào)道。例如，在斜紋夜蛾（S. litura）中，有12個(gè)IRs基因在觸角中已被鑒定[78]。在蘋果蠹蛾（C. pomonella）觸角轉(zhuǎn)錄組中發(fā)現(xiàn)15個(gè)IRs基因片段[79]。最近，在棉鈴蟲（H. armigera）觸角轉(zhuǎn)錄組中鑒別出12個(gè)IRs基因[80]，其中包括了在此之前發(fā)現(xiàn)的2個(gè)協(xié)同受體IR8a和IR25a。IRs在長(zhǎng)紅錐蝽（R. prolixus）整個(gè)發(fā)育歷期的觸角中都表達(dá)[81]。在腰帶長(zhǎng)體繭蜂（Macrocentrus cingulum）中鑒定了3個(gè)IRs，RT-PCR檢測(cè)IRs在不同組織（觸角、頭部、胸、腹、足）中的表達(dá)模式發(fā)現(xiàn)，除IR1在雄蟲觸角中有少量表達(dá)外，IR2和IR3只在雌蟲的觸角中表達(dá)；另外，IR2還在雌蟲足部高水平表達(dá)[82]。

6 氣味降解酶（odorant degradation enzyme， ODEs）

信號(hào)失活在所有的化學(xué)機(jī)制中都具有重要意義，在嗅覺(jué)中也不例外。昆蟲完成一系列嗅覺(jué)反應(yīng)后，一定要將氣味分子降解掉，否則氣味分子會(huì)對(duì)受體繼續(xù)保持刺激，不斷產(chǎn)生電信號(hào)向下游傳導(dǎo)，這樣就會(huì)對(duì)昆蟲的神經(jīng)系統(tǒng)造成損傷。信號(hào)的終止避免了嗅覺(jué)感受器官受到連續(xù)的化學(xué)刺激，同時(shí)還減少了信號(hào)飽和性的干擾。目前對(duì)氣味分子失活機(jī)制的研究存在2種觀點(diǎn)。一種觀點(diǎn)認(rèn)為是氣味降解酶（odorant degradation enzyme， ODEs）使氣味分子失活，另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為氣味分子先通過(guò)OBP失活，而后被ODEs降解。ODEs是一種選擇進(jìn)化的酶類，主要包括酯酶（EST）、醛氧化酶（AOX）、谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶（GST）和細(xì)胞色素P450氧化酶。

20世紀(jì)末，Rybczynski[83]和Prestwich[84]等分別在煙草天蛾（M. sexta）、煙芽夜蛾（H. virescens）、家蠶（B. mori）的觸角中發(fā)現(xiàn)了能夠分解醛類化合物的醛氧化酶，這類酶在雌雄蛾觸角中均表達(dá)，但在雄蛾觸角中表達(dá)豐度更高。21世紀(jì)初，Ma1··bèche-Coisne等[85]在甘藍(lán)夜蛾（M. brassicae）中鑒定出一個(gè)具有昆蟲羧基酯酶催化三聯(lián)體結(jié)構(gòu)的酯酶基因，且在觸角中特異性表達(dá)，這暗示該基因在氣味降解中可能具有重要作用。隨后Durand等[86]在?；页嵋苟辏⊿podoptera littoralis）觸角中發(fā)現(xiàn)并鑒定了羧酸酯酶對(duì)植物綠葉氣味物質(zhì)具有代謝作用。Wang等[87]在棉鈴蟲（H. armigera）中鑒定出一個(gè)在觸角中特異性表達(dá)的GST基因，推測(cè)該基因可能參與性外激素及有毒物質(zhì)的分解。邵剛鋒等[88]從甜菜夜蛾（S. exigua）雄蛾觸角內(nèi)鑒定出2個(gè)P450基因，它們?cè)谟|角和足內(nèi)的表達(dá)量明顯高于頭部和胸部，暗示2個(gè)基因可能具有氣味降解等多種功能。有報(bào)道P450基因參與信息素在甲蟲體內(nèi)的信號(hào)失活的過(guò)程，在觸角中特異性表達(dá)[89]。

7 展望

隨著傳統(tǒng)化學(xué)農(nóng)藥在全球范圍內(nèi)的長(zhǎng)期大量使用，害蟲抗藥性、害蟲再猖獗及環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，探索有效的害蟲預(yù)測(cè)和防治新途徑，開(kāi)發(fā)環(huán)境友好型綠色藥劑，避免環(huán)境污染的加劇，是未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)植保工作者肩上的重任[12]。而實(shí)現(xiàn)綠色防控的重要基礎(chǔ)之一便是充分了解昆蟲間的化學(xué)通訊機(jī)制，為人們開(kāi)發(fā)高效、特異的昆蟲行為調(diào)節(jié)劑奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。不同于其它物種，昆蟲感受外界化學(xué)信號(hào)多由其發(fā)達(dá)的嗅覺(jué)系統(tǒng)控制。昆蟲嗅覺(jué)是昆蟲行為的基礎(chǔ)，對(duì)昆蟲嗅覺(jué)機(jī)理的研究不但可以幫助人們揭示昆蟲從環(huán)境中成千上萬(wàn)種氣味分子中篩選、識(shí)別特殊氣味分子的基本原理，闡明昆蟲行為反應(yīng)的本質(zhì)原因，促進(jìn)人們研制高效的昆蟲行為調(diào)節(jié)劑來(lái)防控害蟲、保護(hù)利用益蟲，同時(shí)也對(duì)研究脊椎動(dòng)物的嗅覺(jué)識(shí)別機(jī)制具有重要的借鑒及啟發(fā)意義。近年來(lái)，分子生物學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟使得進(jìn)一步了解昆蟲嗅覺(jué)識(shí)別機(jī)理成為可能。目前，我們已在分子水平和細(xì)胞水平上對(duì)昆蟲的嗅覺(jué)識(shí)別機(jī)理有了一定的了解，尤其是氣味受體的發(fā)現(xiàn)使對(duì)果蠅嗅覺(jué)機(jī)制的全面研究得以展開(kāi)。但目前的研究成果顯然還不足以使人們系統(tǒng)全面地認(rèn)識(shí)昆蟲的嗅覺(jué)感受系統(tǒng)，仍有大量的工作需要進(jìn)一步展開(kāi)與深化。比如對(duì)各種嗅覺(jué)相關(guān)蛋白的功能及其相互作用的研究還有待深化，嗅覺(jué)信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制仍不十分明確，嗅覺(jué)神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢划a(chǎn)生的G蛋白偶聯(lián)假說(shuō)與配體門離子通道假說(shuō)也需繼續(xù)探究其直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

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