共生微生物对昆虫化学感受的影响北大核心

共生微生物通过影响昆虫信息化合物的合成或感受来调控宿主的化学通讯,进而影响昆虫的交流、防御、捕食和扩散行为。这种调控作用有助于共生微生物的扩散,但对宿主可能是有利的,也可能是有害的,并为共生体系的协同进化提供动力。本文围绕近年来共生微生物对昆虫化学感受的影响及其机制展开综述,并分析其进化意义,旨在为昆虫化学生态学理论提供补充,并为开发新的害虫防治策略提供思路。     

昆虫化学感受蛋白

化学感受蛋白(chemosensory proteins,CSPs)是广泛存在于各种昆虫的疏水性蛋白,被认为在昆虫嗅觉行为中执行了运载非挥发性气味分子到达相应受体的功能。文章从序列特征、二级和三维结构、结合配体、表达特征、生理功能和进化地位等方面进行较详细的介绍,并从理论和实践角度探讨CSPs的研究前景和重点。     

昆虫化学感受蛋白（CSPs）的功能研究概述

昆虫的嗅觉系统与其各项生命活动息息相关,化学感受蛋白（CSPs）是嗅觉系统中的重要组成部分,可以结合气味或信息素分子,并传递给嗅觉受体,完成嗅觉相关功能。随着分子生物学技术和测序手段的不断发展,越来越多的昆虫CSPs得到鉴定。CSPs在昆虫体内广泛分布于触角、跗节、下颚须等化学感受器官,同时也在表皮、腹部、体躯等非感受器官大量表达,具有感知化学分子的功能并且与昆虫生长、发育、繁殖等生理功能及昆虫对杀虫剂的抗性相关。本文通过从CSPs的发现和命名、分子特性、结构及分布等方面展开综述,着重介绍CSPs的气味分子识别作用机制、抗药性机制及功能分类,以期为今后利用CSPs作为靶标防治害虫提供参考。     

昆虫嗅觉相关可溶性蛋白的研究进展

昆虫在长期进化过程中形成了一套高度敏感的嗅觉系统,通过该系统昆虫可以完成寻觅配偶、定位寄主及选择产卵位点等多种行为。在昆虫嗅觉系统中的可溶性蛋白主要有气味结合蛋白(odorant-binding protein, OBP)和化学感受蛋白(chemosensory protein, CSP)。OBP可以特异性结合并运输疏水性的气味分子相应的受体,是昆虫化学识别过程的第一步,具有十分重要的作用。CSP与OBP的结构和功能类似,主要参与化合物的识别和运输,尽管没有直接的证据表明CSP也参与了昆虫的化学感受过程,但已有研究发现,CSP在昆虫嗅觉系统中发挥着重要的作用。本文主要从分子特性、蛋白结构、表达模式、生理功能等方面分别对昆虫的OBP和CSP进行了概述,为深入的研究两者的功能提供理论参考,进而为以昆虫嗅觉系统为靶标的害虫防治提供新的思路。     

昆虫嗅觉相关蛋白及嗅觉识别机理研究概述

嗅觉是昆虫产生行为的基础之一,在长期进化的过程中昆虫形成了复杂的嗅觉系统,完成这一过程,需要有多种与嗅觉相关的蛋白参与,包括气味结合蛋白、化学感受蛋白、气味受体和感觉神经元膜蛋白等。了解昆虫感受外界信息的嗅觉机制可以帮助我们更好地理解昆虫识别配偶、天敌及寻找食物来源、产卵场地等行为特征,为进一步调控昆虫的行为、防控害虫侵袭、保护和利用有益昆虫奠定基础。本文综述了昆虫嗅觉相关的几类重要蛋白的生化特性和生理功能,并对昆虫气味分子的识别机制、气味分子在昆虫体内运输机制的最新研究进展进行了概述。     

昆虫嗅觉结合蛋白研究进展

嗅觉结合蛋白是嗅觉系统的第一个参与者,主要表达在嗅觉外周系统淋巴液中,负责识别、结合和转运气味和信息素分子到达嗅觉受体。近些年,随着各种生物新技术的应用,大量昆虫嗅觉结合蛋白被鉴定出来,其各种不同功能得到揭示。本文对近年来嗅觉结合蛋白的分子特征、蛋白结构、功能和应用等方面的研究进展进行总结和综述。总的来说,嗅觉结合蛋白包括气味结合蛋白(odorant-binding proteins, OBPs)、化学感受蛋白(chemosensory proteins, CSPs)和尼曼 匹克C2型蛋白(Niemann-Pick type C2 proteins, NPC2)三大家族,在α-螺旋和β-折叠的基础上形成了相对简单而稳定的球形结构,使它们能适应各种环境和任务,所以嗅觉结合蛋白蛋白具有复杂多样的功能,且这些功能对昆虫生理和行为尤为重要。基于嗅觉结合蛋白功能,研究者已经把它们应用于生物防治、品种选育和制作生物嗅觉传感器等,具有巨大的潜在价值。本综述为昆虫嗅觉结合蛋白后续研究提供了参考信息及一些新的思路。     

昆虫嗅觉相关蛋白的研究进展

嗅觉是昆虫产生行为的重要物质基础,阐明昆虫嗅觉机理有助于调控昆虫行为和进行害虫治理。近年来,许多与嗅觉相关的生物活性分子和相关基因的发现和克隆,对揭示嗅觉机理具有重要作用。作者针对近年来研究较多的气味结合蛋白、化学感受蛋白、气味受体、气味降解酶以及感觉神经元膜蛋白等,就其生化特性、表达部位、分子结构、生理功能等进行了综述。     

昆虫气味结合蛋白的研究进展

摘要: 昆虫主要依赖其复杂且灵敏的化学感受系统来识别并区分外界环境中的各种化学信号。嗅觉是负责嗅觉信号传导的感官方式,能够引起昆虫觅食、产卵、交配和躲避天敌等对生存和繁殖至关重要的行为反应。在嗅觉感知过程中,气味结合蛋白(odorant binding proteins, OBPs)最先与外界脂溶性化学物质相互作用,并将其转运至化学受体神经元上,激活树突膜表面分布的嗅觉受体(olfactory receptors, ORs),是嗅觉系统正常运行的必需蛋白。近年来,随着高通量测序和分子生物学技术的快速发展,越来越多的昆虫OBPs相继得以鉴定并开展功能研究。昆虫OBPs是一类可溶性的小分子蛋白,一般由6个α-螺旋构成一个稳定、紧密的疏水性结合腔,其构象变化因昆虫种类和配体结构不同而有所差异。OBPs的分布不受限于嗅觉器官,还在口器、足、中肠、腺体等非嗅觉组织中表达,具有嗅觉识别、味觉感受、营养物质转运、信息素合成与释放、组织发育与分化等生理功能。OBPs行使以上功能的共同特性为结合和溶解包括信息素组分、普通气味分子和非挥发性物质等的疏水性小分子物质。昆虫OBPs的稳定性和多功能性暗示其可广泛应用于害虫防治、生物传感器、分析化学、生态学等多个领域。本文对过去20多年来昆虫OBPs的相关研究进行综述,为进一步深入开展OBPs的功能研究提供理论参考。     

鳞翅目昆虫化学感受器及其感受机理新进展

鳞翅目昆虫化学感受器是鳞翅目昆虫化学通讯的主要工具,将种间、种内及无机环境各种化学信息联系起来,从而使昆虫做出相应的行为反应。本文综述了鳞翅目昆虫化学感受器的类型及化学感受机理新进展, 包括嗅觉途径、嗅觉感受相关蛋白、信息传导、编码、加工处理、整合输出、感受谱及味觉感受机理,为探索利用鳞翅目昆虫行为控制剂来监测、防治鳞翅目害虫提供理论依据。     

昆虫感觉气味的细胞与分子机制研究进展

昆虫作为地球上最为成功的类群,已经成功地进化了精细的化学感受系统,通过化学感受系统适应各种复杂的环境,保持种群的繁荣。自1991年在动物中发现嗅觉受体基因以来,关于昆虫感受化学信息的周缘神经系统的分子和细胞机制方面的进展十分迅速。文章主要就昆虫周缘神经系统的感受化学信息的分子和细胞机制进行综述。首先对昆虫感觉气味的细胞机制的研究进展进行简要介绍。昆虫嗅觉神经元在感受化学信息过程中起着极为重要的作用,昆虫嗅觉神经元上表达的嗅觉受体不同而执行着各异的功能。各种嗅觉神经元对于化学信息的感受谱有较大的区别;嗅觉神经元对化学信息类型、浓度、流动动态等产生相应的电生理特征反应。研究表明同一种神经原可以感受多种化学信息,而一种化学信息也可以被多种神经原所感受。由神经原对化学信息感受所形成的特征组合就是感受化学信息的编码。其次较为详细地论述与昆虫感受气味分子相关的一些蛋白质的研究进展。气味分子结合蛋白是一类分子量较小、水溶性的蛋白,主要位于化学感受器神经原树突周围的淋巴液中。在结构上的主要特征是具有6个保守的半光氨酸和由6个α螺旋组成的结合腔。自1981年发现以来,已经在40余种昆虫中发现上百种。由于研究手段的不断进步,已经对该类蛋白的表达特征、结合特性以及三维结构和结合位点进行了大量的研究,提出了多个可能的功能假说,在诸多的假说中,较为广泛接受的是气味分子结合蛋白在昆虫感觉气味的过程中,是与疏水性的气味分子相结合,并将气味分子运输到嗅觉神经原树突膜上的嗅觉受体上。这些处于树突膜上的嗅觉受体则是昆虫感觉气味过程中的另一个十分重要的蛋白质。目前,已经在果蝇、按蚊、蜜蜂和家蚕等10余个昆虫种类中发现上百个嗅觉受体蛋白基因。这类蛋白是跨膜蛋白,一般具有7个跨膜区,整个蛋白的氨基酸残基在400～600个。昆虫的嗅觉受体蛋白的N-端在胞内,而C-端在胞外,这与G耦联蛋白不同。而且,昆虫的一个嗅觉神经元可以表达1～3个嗅觉受体蛋白,也与哺乳动物的一个神经元只表达一种受体蛋白有所不同。每种嗅觉受体可以感受多种气味分子,而一种气味分子可以被多个嗅觉受体所感知,这样组成了感受化学信息的编码谱。最近采用基因敲除技术和膜片钳技术研究发现,昆虫的嗅觉受体蛋白在信号传导中也有特殊性,即嗅觉受体可以直接作为离子通道,而引起动作电位。还有近来的研究表明,神经膜蛋白对于果蝇的性信息素感受神经元感受性信息素cVA是必要的。实际上,昆虫对于化学信息的感受和信号的转导,并不是上述蛋白单独起作用完成的,而是多种蛋白相互作用的结果。论文最后对该领域研究内容进行了展望。     

Solution structure of a chemosensory protein from the desert locust Schistocerca gregaria

Chemical stimuli, generally constituted by small volatile organic molecules, are extremely important for the survival of different insect species. In the course of evolution, insects have developed very sophisticated biochemical systems for the binding and the delivery of specific semiochemicals to their cognate membrane-bound receptors. Chemosensory proteins (CSPs) are a class of small soluble proteins present at high concentration in insect chemosensory organs; they are supposed to be involved in carrying the chemical messages from the environment to the chemosensory receptors. In this paper, we report on the solution structure of CSPsg4, a chemosensory protein from the desert locust Schistocerca gregaria, which is expressed in the antennae and other chemosensory organs. The 3D NMR structure revealed an overall fold consisting of six alpha-helices, spanning residues 13-18, 20-31, 40-54, 62-78, 80-90, and 97-103, connected by loops which in some cases show dihedral angles typical of beta-turns. As in the only other chemosensory protein whose structure has been solved so far, namely, CSP from the moth Mamestra brassicae, four helices are arranged to form a V-shaped motif; another helix runs across the two V's, and the last one is packed against the external face. Analysis of the tertiary structure evidenced multiple hydrophobic cavities which could be involved in ligand binding. In fact, incubation of the protein with a natural ligand, namely, oleamide, produced substantial changes to the NMR spectra, suggesting extensive conformational transitions upon ligand binding.     

Structure of Bombyx mori chemosensory protein 1 in solution

Chemosensory Proteins (CSPs) represent a family of conserved proteins found in insects that may be involved in chemosensory functions. BmorCSP1 is expressed mainly in antennae and legs of the silkworm moth Bombyx mori and was cloned from antennal cDNA. Here we report the determination of the structure of Bombyx mori CSP1 (BmorCSP1) by NMR. The overall fold of BmorCSP1 is globular and comprises six alpha-helices. These helices span residues 10-14, 17-27, 35-49, 57-72, 75-85, and 92-100. The internal hydrophobic sides of the helices are formed mostly by leucine and isoleucine residues and, therefore, well suited to constitute a binding site for hydrophobic ligands.     

微生物对昆虫行为的影响研究进展

在漫长的进化过程中,微生物与昆虫形成了多种形式的互作关系。微生物的广泛分布为与昆虫接触并影响昆虫的行为提供了背景条件。为了深入探究微生物影响昆虫行为的现象和机制,本文综述了微生物影响昆虫行为方面的研究进展。微生物通过产生可被昆虫识别的化学信号物质、参与昆虫或寄主植物信息化合物的合成等方式可影响昆虫对其寄主的定位和选择。在对昆虫种内和种间关系的研究中也发现微生物起着非常重要的作用。通过改变昆虫性信息素等方式,微生物还能影响到昆虫的繁殖行为;除此之外,微生物合成或参与合成的信息化合物还可以影响昆虫的社会性和聚集等行为。根据当前对微生物影响昆虫行为方面的研究现状,我们建议可进一步研究：(1)微生物影响昆虫行为的过程中,影响昆虫行为的信息化合物是如何产生的？(2)微生物在影响昆虫行为的过程中是否涉及更多的物种间互作？(3)对于一些在特定时期可影响昆虫行为的共生微生物来说,宿主昆虫是如何获得并维持这些微生物的？     

Beyond chemoreception: diverse tasks of soluble olfactory proteins in insects

Odorant‐binding proteins (OBPs) and chemosensory proteins (CSPs) are regarded as carriers of pheromones and odorants in insect chemoreception. These proteins are typically located in antennae, mouth organs and other chemosensory structures; however, members of both classes of proteins have been detected recently in other parts of the body and various functions have been proposed. The best studied of these non‐sensory tasks is performed in pheromone glands, where OBPs and CSPs solubilise hydrophobic semiochemicals and assist their controlled release into the environment. In some cases the same proteins are expressed in antennae and pheromone glands, thus performing a dual role in receiving and broadcasting the same chemical message. Several reports have described OBPs and CSPs in reproductive organs. Some of these proteins are male specific and are transferred to females during mating. They likely carry semiochemicals with different proposed roles, from inhibiting other males from approaching mated females, to marking fertilized eggs, but further experimental evidence is still needed. Before being discovered in insects, the presence of binding proteins in pheromone glands and reproductive organs was widely reported in mammals, where vertebrate OBPs, structurally different from OBPs of insects and belonging to the lipocalin superfamily, are abundant in rodent urine, pig saliva and vaginal discharge of the hamster, as well as in the seminal fluid of rabbits. In at least four cases CSPs have been reported to promote development and regeneration: in embryo maturation in the honeybee, limb regeneration in the cockroach, ecdysis in larvae of fire ants and in promoting phase shift in locusts. Both OBPs and CSPs are also important in nutrition as solubilisers of lipids and other essential components of the diet. Particularly interesting is the affinity for carotenoids of CSPs abundantly secreted in the proboscis of moths and butterflies and the occurrence of the same (or very similar CSPs) in the eyes of the same insects. A role as a carrier of visual pigments for these proteins in insects parallels that of retinol‐binding protein in vertebrates, a lipocalin structurally related to OBPs of vertebrates. Other functions of OBPs and CSPs include anti‐inflammatory action in haematophagous insects, resistance to insecticides and eggshell formation. Such multiplicity of roles and the high success of both classes of proteins in being adapted to different situations is likely related to their stable scaffolding determining excellent stability to temperature, proteolysis and denaturing agents. The wide versatility of both OBPs and CSPs in nature has suggested several different uses for these proteins in biotechnological applications, from biosensors for odours to scavengers for pollutants and controlled releasers of chemicals in the environment.     

蜜蜂嗅觉相关蛋白的研究进展

蜜蜂是一类营社会性生活的昆虫,蜂群中的蜂王、工蜂和雄蜂相互依存,各司其职,共同维持着群体严密有序的生活。其中,嗅觉系统在它们的生存和繁衍过程中起到重要的作用。昆虫对气味物质的感受过程是非常复杂的,需要有多种蛋白的参与。研究蜜蜂的化学感受机制可以帮助我们更深入地了解蜜蜂特有的行为及生物学特性。本文重点综述了与蜜蜂嗅觉相关的3种蛋白质的生化特性、分子结构、基因表达及其生理功能等方面的研究进展,以期为今后开展相关研究工作提供理论参考。     

中华蜜蜂化学感受蛋白基因Acer-CSP1克隆与表达特征分析

化学感受蛋白(chemosensory proteins, CSPs)是昆虫化学感受系统中重要的组成部分之一。本研究克隆了中华蜜蜂Apis cerana cerana化学感受蛋白基因Acer-CSP1, 其核苷酸全长351 bp （GenBank登录号为FJ157352）, 编码116个氨基酸残基, 预测蛋白分子量为13.85 kD, 等电点为4.89, 且含有4个保守的半胱氨酸残基, 均符合昆虫CSPs的一般特征, 且与意蜂CSP1基因具有99.1%的相似性, 与其他昆虫也有45.3%~68.0%的相似性。利用2^-ΔΔCt法及绝对定量法的real-time PCR技术对Acer-CSP1在中蜂不同器官表达特征进行了研究, 得出的一致结论为Acer-CSP1显著水平地高丰度表达于中华蜜蜂触角, 其次大量表达于头部。由于触角为中华蜜蜂最主要的嗅觉器官, 而头部则具有发达的感觉神经系统和味觉系统, 这也提示Acer-CSP1极有可能参与中华蜜蜂的嗅觉以及其他化学感受功能。     

中红侧沟茧蜂化学感受蛋白MmedCSP1的结合特征

化学感受蛋白是一类存在于昆虫化学感受器中的可溶性蛋白, 被认为与昆虫识别外界化学信息有关。本研究使用pGEX-4T-1表达载体在BL21 (DE3)异源表达系统中表达中红侧沟茧蜂Microplitis mediator化学感受蛋白MmedCSP1, 并通过亲和层析法纯化得到去表达标签的MmedCSP1;使用bis-ANS作为荧光配基, 在荧光分光光度计上研究它与50种气味标样的结合特征, 从而得到此类化学感受蛋白在中红侧沟茧蜂嗅觉识别中识别气味的种类。结果表明: MmedCSP1只能与水杨酸甲酯、戊烷、罗勒烯、β-紫罗兰酮、3, 4-二甲基苯甲醛、2-己酮和叶醇结合。但只有脂类化合物β-紫罗兰酮能在浓度为1 mmol/L下将bis-ANS从MmedCSP1中替换50%, β-紫罗兰酮与MmedCSP1的结合常数为16.89 μmol/L。这些结果提示MmedCSP1参与中红侧沟茧蜂对水杨酸甲酯、戊烷、罗勒烯、β-紫罗兰酮、3, 4-二甲基苯甲醛、2-己酮和叶醇等气味的识别过程, 且在不同气味中的识别过程中对于气味的运输能力有差异。