果蝇嗅觉分子机理研究进展

黑腹果蝇Drosophila melanogaster是生物学研究的重要模式生物,也是探索研究生物体嗅觉奥秘的理想材料。近年来,由于分子生物学技术在神经科学领域的广泛应用,黑腹果蝇嗅觉机理研究取得了许多重大突破, 对气味分子受体及其识别机理、 嗅觉神经电信号的产生和传递、嗅觉信息的加工、编码以及记忆等方面都有了深入的了解。研究表明, 果蝇约1 300个嗅神经元(olfactory receptor neurons, ORNs)共表达62种不同的气味受体蛋白（olfactory receptor proteins, ORs）, 用以检测和识别其所感受的所有化学气味分子。许多OR所识别的气味分子配体已鉴定出来,普通的气味（如水果的气味）由数种不同的OR组合来识别,而信息素（pheromone）分子则由单种特定的OR来检测。气味信息在嗅神经元内转换成神经电信号,嗅觉电信号沿嗅神经元的轴突传递到触角叶, 再经投射神经元（projection neurons, PNs）将信息送至高级中枢如蘑菇体（mushroom body, MB）和侧角（lateral horn, LH）,最终引发行为反应。在黑腹果蝇嗅觉信息传递通路中,某些蛋白如Dock,N-cadherin,Fruitless等起着重要作用,缺失这些蛋白会导致嗅觉异常。本文对这些研究进展作一综述。     

昆虫对宿主植物的嗅觉定向

在混虫辨别宿主植物所利用的各种信息中,植物的气味是一个很重要的因素昆虫利用触角上的嗅觉感受器来感觉植物气味。触角电位是昆虫的触角感受到植物气味后所产生的神经反应,而嗅觉编码则是嗅觉感受器将植物的气味信息传至神经中枢的脉冲系列。本文从行为生理学的角度介绍了昆虫利用植物气味寻找宿主植物的过程。     

昆虫触角叶的结构

触角叶是昆虫脑内初级嗅觉中心,通过触角神经与触角联系。触角叶主要由嗅觉受体神经元、局域中间神经元、投射神经元和远心神经元构成。这些神经元的形态多样,其形态变化与其功能和昆虫嗅觉行为相关。这些神经元在触角叶内交织形成神经纤维网,在突触联系紧密的地方形成纤维球,纤维球通常排列在触角叶外周。通常,昆虫触角叶内纤维球的数量、大小和位置相对固定,并且几乎每个小球都可以被识别和命名。不同种类、性别和品级的昆虫中,纤维球的数量、大小和排列方式各不相同。触角叶结构神经元组成和纤维球的多样性,与各种昆虫嗅觉行为的特异性相对应。     

昆虫嗅觉神经的计算机三维重建

基于激光扫描共聚焦显微镜平台的计算机三维重建在昆虫嗅觉神经研究中发挥了重要作用。对经荧光标记的神经组织采集系列光学切片并进行三维重建,在双翅目、鳞翅目、膜翅目、蜚蠊目昆虫中均有进展。触角叶是昆虫的初级嗅觉中心,触角叶的解剖学图谱是识别不同种和雌雄虫间嗅球体特定功能的先决条件。了解构成嗅觉传输途径的主要神经元的形态和空间关系是理解气味信息在中枢神经系统编码的基础。三维重建昆虫的嗅觉神经,对于探讨昆虫嗅觉在其寄主选择、觅食以及寻找配偶等行为中的作用具有非常重要的意义。     

蚊虫嗅觉识别的神经机制

蚊虫主要依赖嗅觉系统与外界环境进行化学信息交流。蚊虫通过嗅觉感受系统寻找食物、 配偶和产卵场所, 进而做出相应的行为反应。本文综述了近年来蚊虫嗅觉系统对气味信号神经传导机制的研究进展。蚊虫的嗅觉感器主要位于触角和下颚须, 触角上的毛形感器和锥形感器感受氨水、 乳酸、 羧酸类化合物等人体和其他动物释放的微量气味物质, 下颚须上的锥形感器则感受呼出的二氧化碳以及一些其他的挥发性物质; 蚊虫嗅觉感器内部有受体神经细胞, 其上分布有嗅觉受体蛋白, 蚊虫对外界环境的化学感受就是通过气味物质与这些受体蛋白互作而得以实现; 根据对不同气味物质的反应谱差异, 嗅觉神经细胞被分为不同的功能类型; 来自嗅觉神经细胞的神经信号进一步从外周传导至中枢神经中脑触角叶内的神经小球, 在此对信息进行初步的处理, 通过评估嗅觉神经细胞的反应和触角叶内的神经小球相应被激活的区域, 不同小球被分别命名; 最后, 神经信号继续整合, 由投射神经传向前脑, 最终引发一系列昆虫行为反应。这些研究从理论上剖析了气味信号在蚊虫嗅觉系统中的神经转导通路, 对于我们深刻理解蚊虫的嗅觉系统具有重要意义, 同时也有助于进一步理解其他昆虫甚至人类的气味识别机制及进行更深层次神经科学的探索。     

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。     

蘑菇体-昆虫嗅觉学习和记忆中心

蘑菇体(革形体)是昆虫脑内非常重要的一个结构,构成蘑菇体的冠和叶在不同目昆虫中高度分化,其结构虽然保守,但形态上的变化在一定程度上反映了昆虫的进化地位.冠是触角叶嗅觉投射神经元的主要投射区,叶通过输出神经元联系蘑菇体与其它脑区.冠和叶在嗅觉记忆中不可或缺,垂直叶(α叶)支持长时记忆,中叶(γ叶)支持短时记忆.蘑菇体对嗅觉记忆的形成尤其是记忆的再现(提取)具有重要作用.乙酰胆碱(Ach)、γ-氨基丁酸(GABA)和一氧化氮(NO)等是蘑菇体嗅觉突触传递的主要神经递质.蘑菇体内的第二信使系统cAMP-PKA途径和NI-cGMP途径在嗅觉学习和记忆中起基础性作用.     

双斑蟋触角传入神经纤维在脑内投射分布研究

目的:研究昆虫触角感受器传入神经末梢在脑内投射的空间布局,揭示触角感觉信息传入的神经结构.方法:使用氯化镍神经元示踪标记技术,对双斑蟋触角感受嚣传入神经纤维进行可视化标记,观察研究触角传入神经末梢在脑内的走行形态及分布规律.结果:双斑蟋触角感受器传入神经纤维进入中脑后大量的神经末梢终止在同侧的触角叶和触角机械感觉运动中枢,部分神经纤维向前走行,其神经末梢终止在前脑,还有部分神经纤维向后下行,经同侧神经索,其神经末梢终止在食道下神经节.结论:双斑蟋触角感受器传入神经纤维进入脑后主要投射到触角叶和触角机械感觉运动中枢,少部分投射到前脑和食道下神经节.这种多重投射模式可能在双斑蟋嗅觉信息传递整合、触角运动调节、味觉和摄食活动等方面发挥重要作用.     

昆虫气味认知的嗅觉神经结构及分子机制

大多数昆虫主要通过气味认知感知外界环境的变化,维持生命活动。探究昆虫气味认知的嗅觉系统神经结构及分子机制,对于完善气味认知神经生物学理论及利用其原理进行仿生学研究等有重要的科学意义。近年,关于昆虫气味认知科学研究有了很大的进展。本文从昆虫神经生物学的视角详细综述了近年关于昆虫气味认知的嗅觉神经结构、分子机制及气味信号的神经传导途径等方面的基本理论及最新研究成果。综述结果显示:昆虫对气味的认知是通过嗅觉神经系统的触角感器、触角叶(AL)、蕈形体(MB)等脑内多层信号处理神经结构来实现的。当外界气味分子进入触角感器内后,由感器内特定的气味识别蛋白(OBP)将气味分子运载到达嗅觉感受神经元(ORN)树突膜上的受体位点,气味分子与表达特定气味的受体(OR)结合产生电信号,并以动作电位的形式通过ORN的轴突传到脑内的触角叶。在触角叶经过嗅觉纤维球对气味信息选择性加工处理,再由投射神经元(PNs)将初步的识别和分类的气味信息传到蕈形体和外侧角(LH)等神经中枢,实现对气味的识别和认知。虽然,近年昆虫气味认知神经生物学的研究有了很大的进步,但是,我们认为目前的研究成果还不能完全阐明昆虫气味认知的神经机制,还有很多问题,例如,触角叶上众多的嗅觉纤维球是如何对嗅觉感受神经元传入的气味信息进行编码处理的?等有待进一步深入研究。为了搞清这些疑难问题,我们认为需要提高现有的实验技术水平,加强电生理学和分子神经生物学相结合的实验研究,从分子水平探究气味认知的神经机制可能是未来研究的热点。     

昆虫嗅觉系统结构与功能研究进展

昆虫的脑由前脑、中脑和后脑组成,其中前脑含有高级感觉中枢,如蘑菇体和中央复合体,控制昆虫的学习、记忆和运动等高级神经活动;中脑包含触角叶,是嗅觉神经中心;而后脑则通常不发达,主要包括内分泌神经元和控制进食与消化的运动神经元。不同于其他物种,昆虫由于其特殊的生活习性,听觉和视觉系统相对退化,主要依赖嗅觉来捕食、交流和求偶,因此嗅觉系统尤其发达。本文综述了目前对昆虫的脑部主要神经结构和功能(中央复合体、蕈形体和触角叶结构)以及昆虫脑部结构遗传变异(性别异构,不同发育时期、不同昆虫以及昆虫与其他动物的脑部结构差异)的研究进展,并总结了目前昆虫脑对信号的加工处理和识别机制的研究结果。     

利用单感器记录与神经元示踪结合对棉铃虫主要性信息素感器内神经元投射的鉴定

【目的】鉴定雄性棉铃虫Helicoverpa armigera成虫触角性信息素感器嗅觉受体神经元的功能、形态及中枢投射路径。【方法】利用单感器记录技术记录棉铃虫嗅觉受体神经元对性信息素的反应,同时采用荧光染料作为示踪剂染色标记嗅觉受体神经元;使用免疫组织化学方法处理相应的脑组织,标记脑内触角叶的神经纤维球结构;用激光扫描共聚焦显微镜获取图像数据,使用图形软件ZEN和Amira 4.1.1进行三维结构重建。【结果】记录到雄性棉铃虫成虫触角上长毛形感器对主要性信息素成分Z11-16∶Ald产生明显的电生理反应,并成功染色标记了该感器内的嗅觉受体神经元。染色标记显示该感器内具有两个嗅觉受体神经元,其轴突通过触角神经分别投射触角叶内的云状体神经纤维球和普通神经纤维球。【结论】单感器记录与神经元示踪两技术结合能够用于鉴定昆虫触角嗅觉受体神经元的功能、形态和投射至神经纤维球的路径。与赖氨酸钴方法比较,使用荧光染料法进行神经元示踪,操作更简便,且易于进行三维空间分析,为调查棉铃虫其他嗅觉神经元的投射路径以明确外周气味受体感受与中枢系统的联系提供了有力技术支持。     

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。     

昆虫嗅觉可塑性研究进展

嗅觉是昆虫的主要感觉模式,在昆虫的重要行为活动如寻找配偶、定位寄主、选择产卵场所等中起着关键作用。昆虫通过触角等外周嗅觉器官感受外界的化学信号并转化为电信号,电信号传输到中枢神经系统进行加工整合,最后通过大脑发出指令调控自身关键的行为。昆虫需要在合适的时机对不同气味作出反应,从而保证其能够在不同生理状态下完成特定的行为。这就要求昆虫的嗅觉系统具有可塑性,即根据不同的生理状态,如日龄、取食状态、交配、节律等对相同气味作出不同的反应。本文综述了不同生理状态对昆虫嗅觉行为和嗅觉神经系统的影响,以及昆虫嗅觉可塑性产生的机制,为加深和扩展人们对昆虫嗅觉系统的认识和建立新的害虫防控策略提供参考。     

大豆蚜嗅觉在选择寄主植物中的作用

大豆蚜ＡＰｈｉｓｇｌｙｃｉｎｅｓ有翅和无规孤雌生殖蚜为其寄主植物大豆叶和鼠李叶气味所引诱,而非奇主植物棉花叶和黄瓜叶气味处于中性,丝瓜叶和南瓜叶气味具有明显的排斥作用。非寄主植物气味可以遮蔽寄主植物气味的引诱作用。大豆蚜触角感受器对植物气味具有嗅觉生理反应,对一些化合物的最小感觉阈值达１０－５至１０－６体积比浓度,表明大豆蚜触角上存在识别植物气味的嗅觉受体细胞。由此证明,嗅觉在大豆蚜选择寄主植物过程中起重要作用。     

大豆蚜嗅觉在选择寄主植物中的作用

大豆蚜 Aphis hlycines 有翅和无翅孤雌生殖蚜为其寄主植物大豆叶和鼠李叶气味所引诱,而非寄主植物棉花叶和黄瓜叶气味处于中性,丝瓜叶和南瓜叶气味具有明显的排斥作用。非寄主植物气味可以遮蔽寄主植物气味的引诱作用。大豆蚜触角感受器对植物气味具有嗅觉生理反应,对一些化合物的最小感觉阈值达10-5至10-6体积比浓度,表明大豆蚜触角上存在识别植物气味的嗅觉受体细胞。由此证明,嗅觉在大豆蚜选择寄主植物过程中起重要作用。     

昆虫气味受体研究进展

嗅觉在昆虫的多种行为中发挥关键作用。气味分子与嗅觉神经元树突上气味受体的结合,参与了昆虫嗅觉识别的初始过程。昆虫的嗅觉神经元表达两类气味受体： 一是传统气味受体,该类受体同源性较低,在少部分嗅觉神经元中表达; 二是Or83b家族受体,该类受体不感受气味,在不同昆虫间较为保守且在大多数嗅觉神经元中表达。目前,对于单个传统气味受体的气味分子配体特异性所知甚少; 对于Or83b家族受体,一般认为其可能具有将传统气味受体运送至嗅觉神经元树突膜上的功能。此外,有一些实验证据不支持昆虫气味受体为G蛋白偶联受体的观点。     

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。     

封面故事

哺乳动物的嗅觉系统由嗅上皮、嗅球和更高级的嗅觉中枢组成。直接探测气味分子的细胞——嗅感觉神经元位于鼻腔内的嗅上皮上。嗅感觉神经元的纤毛上表达很多气味受体蛋白,这些蛋白可以检测进入鼻腔的气味分子。每个嗅感觉神经元只表达一种特定的气味受体。表达一种气味受体的嗅感觉神经元投射到嗅球中的一到两个嗅小球中,一     

哺乳动物主要嗅觉系统和犁鼻系统信息识别的编码模式

哺乳动物具有两套嗅觉系统, 即主要嗅觉系统和犁鼻系统。前者对环境中的大多数挥发性化学物质进行识别, 后者对同种个体释放的信息素进行识别。本文从嗅觉感受器、嗅球、嗅球以上脑区三个水平综述了这两种嗅觉系统对化学信息识别的编码模式。犁鼻器用较窄的调谐识别信息素成分, 不同于嗅上皮用分类性合并受体的方式识别气味; 副嗅球以接受相同受体输入的肾丝球所在区域为单位整合信息, 而主嗅球通过对肾丝球模块的特异性合并编码信息; 在犁鼻系统, 信息素的信号更多地作用于下丘脑区域, 引起特定的行为和神经内分泌反应。而在主要嗅觉系统, 嗅皮层可能采用时间模式编码神经元群, 对气味的最终感受与脑的不同区域有关。犁鼻系统较主要嗅觉系统的编码简单, 可能与其执行的功能较少有关。     

本期重点推介

正研究棉铃虫Helicoverpa armigera嗅觉感受的神经机制,可为进一步研发棉铃虫引诱剂技术提供理论依据。单感器记录与神经元示踪技术相结合是研究昆虫嗅觉受体神经元的功能及其投射的神经纤维球的重要方法。为了鉴定棉铃虫雄性成虫触角性信息素感器嗅觉受体神经元的功能、形态及中枢投射路径,河南农业大学植物保护学院马百伟和赵新成及中国农业科学院植物保护研究所王桂荣等以雄性棉铃虫成虫为试虫,利用单感器记录技术记录其嗅觉受体神经元