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。     

农业昆虫气味受体功能研究进展

昆虫主要依靠嗅觉系统寻找食物、发现配偶、控制交配、选择产卵地、逃避天敌等,因此嗅觉系统对昆虫的繁殖和生存至关重要.气味受体(odorant receptor,OR)是嗅觉系统中的关键成分之一,可被信息化合物激活引发特定行为产生.随着测序技术的发展,大量的农业昆虫的基因组和转录组被测序,从测序数据中分析获得了它们的OR家...     

基于果蝇DNA甲基化的AFLP体系的建立及优化

以黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)Canton-S品系为材料,采用改良SDS法提取高质量DNA,对连接、预扩增及选择性扩增进行分析,建立适用于果蝇基因组DNA甲基化多态性研究的AFLP优化体系:1)10μL连接体系加T4连接酶1 U,AluⅠ接头50 pmol,EcoR Ⅰ接头5 pmol,4℃反应12 h;2)25μL预扩增体系含Mg2+0.2 mmol/L,dNTPs 0.15 mmol/L,模板1.0μL,Taq DNA聚合酶2 U,E-00 50 ng,A-00 50 ng;3)25μL选择性扩增体系含Mg2+0.1 mmol/L,dNTPs 0.15 mmol/L,模板2.0μL,Taq DNA酶1.5 U、E+340 ng,A+3 40 ng.该体系稳定性高、重复性好,适用于果蝇基因组DNA甲基化多态性研究.     

period基因的Thr—Gly区段在果蝇和部分双翅目昆虫中的分子进化特征

以亲缘关系极近的近缘种类群、中等距离的远缘种类群为对象,分析生物钟基因period的Thr-Gly区段的分子进化特征,发现Thr-Gly区段在果蝇和部分双翅目昆虫中未曾经历性选择和其他定向的正选择。Thr-Gly区段在果蝇nasuta亚群中的分子进化速率为10.4×10     

中国黑腹果蝇中分离变相因子[Segregation Distorter(SD)]的初步研究

黑腹果蝇（Ｄｒｏｓｏｐｈｉｌａ ｍｅｌａｎｏｇａｓｔｅｒ）中的分离变相因子「Ｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ Ｄｉｓｔｏｒｔｅｒ（ＳＤ）」是一种非常典型的具有减数分裂驱动性质的特殊遗传因子，ＳＤ在世界不同地区的黑腹果蝇群体中广泛存在，通过杂交的方法测得其频率在１％－５％范围之内。首次在中国北京，青岛采集大量野生黑腹果蝇样本，对ＳＤ进行频率测定，发现ＳＤ在中国野生黑腹果蝇群体中也广泛存在，且频率与世界其他地区     

饥饿胁迫下黑腹果蝇长链非编码RNA的差异表达和调控网络分析

【目的】饥饿是生命体普遍经历的一种胁迫,本文旨在探究饥饿胁迫下黑腹果蝇Drosophila melanogaster长链非编码RNA(lncRNA)的表达变化及其参与的调控网络,揭示lncRNA在饥饿应激反应中的潜在功能。【方法】下载NCBISRA数据库中黑腹果蝇非生物胁迫相关的RNA-seq文库,进行转录组组装,预测lncRNA基因。利用DEseq2软件分析不同时间饥饿胁迫下lncRNA的差异表达,利用WGCNA共表达分析发现与饥饿胁迫相关的基因模块,构建差异表达lncRNA与蛋白编码基因的调控网路,用clusterProfiler进行GO功能注释和KEGG通路富集分析。【结果】从34个果蝇非生物胁迫转录组中共鉴定得到3 612个lncRNA。与正常喂食组相比,在4、12、16和24 h饥饿胁迫下,分别有260、28、200和26个lncRNA表达上调,133、28、148和25个lncRNA表达下调（以下简称为饥饿相关lncRNA）。这些lncRNA分别与790、2 950、725、2 961个蛋白编码基因表达相关。GO和KEGG富集分析显示,这些蛋白编码基因分别富集于吞噬体和溶酶体通路、糖代谢通路、长寿调节途径、化学刺激和味觉感受及细胞增殖和凋亡等通路中。在饥饿胁迫4、12、16和24h下,分别有66、1、23和3个lncRNA基因处于调控网络中的核心（hub gene）节点位置（|基因显著性（GS）|>0.4,|模块成员（MM）|>0.8）。这些核心RNA可能具有更为关键的调控作用。【结论】LncRNA参与了果蝇的饥饿应激反应,并与饥饿处理的时间有关。在较短时间饥饿处理下,饥饿相关lncRNA主要参与调控自噬及能量代谢等过程,以保证能量供应;在较长时间饥饿处理下,饥饿相关lncRNA则主要参与觅食、细胞增殖及凋亡以及长寿调节途径等。     

黑腹果蝇黑条体突变型的基因定位研究

黑腹果的体色突变类型常见的有黄体（yellow,y）、黑体（black,b）和黑檀体（ebony,e）,分别位于X染色体,第二染色体和第三染色体上,.黑条体突变型是本实验室1991年9月从野外采集的黑腹果蝇野生型单雌系后代中发现的自发突变品系,为了探明黑条体突变型是原有黑体突变类型的再现还是新的突变,采用常规杂交方法和互补7实验技术对黑腹果蝇黑条体突变型的定位进行了探讨,互补测验的结果表明,黑条体与黑檀体杂交的子一代为反式排列的杂合体无互补,表现为突变型,子二代中,由于交换而产生重组类型的顺式排列的杂合体表现为野生型。因此确定黑条体突变基因（bsr）与黑檀体突变基因（e）是等位的,位于第三染色体的93D2区,但分别位于不同的位点上,属于同一顺反子的新的点突变,同时对于各体色间的相互作用及遗传传递方式的进行了讨论。     

鱼藤酮对果蝇运动行为及果蝇头部多巴胺合成相关酶基因表达的影响

为了探讨鱼藤酮对黑腹果蝇Drosophila melanogaster运动行为的影响与其头部多巴胺水平之间的关系,我们测定了鱼藤酮对黒腹果蝇成虫运动行为、头部多巴胺水平及酪氨酸羟化酶和多巴脱羧酶基因表达的影响。结果表明：与取食未加入药剂饲料的果蝇相比雌成虫用0.2～0.8 mmol/L、雄成虫用0.1～0.8 mmol/L浓度药液配制的饲料连续饲养6 d后运动能力显著下降,在0.8 mmol/L浓度下雌、雄成虫的运动能力分别仅为对照的55.6%和49.1%。取食用0.8 mmol/L浓度药液配制饲料6,12和21 d的果蝇雌、雄成虫头部多巴胺水平均显著下降,雌成虫头部多巴胺水平分别为对照雌成虫的83.2%,72.3%和59.8%;雄成虫头部多巴胺水平分别为对照雄成虫的79.3%,66.8%和53.2%。用0.8 mmol/L浓度鱼藤酮处理6,12和21d,雌成虫头部酪氨酸羟化酶基因（pale）的表达水平分别为对照的76.3%,51.4%和37.3%,多巴脱羧酶基因（Ddc）的表达水平分别为对照的87.1%,78.2%和63.5%, 均显著下降。结果提示,鱼藤酮可干扰果蝇成虫头部酪氨酸羟化酶和多巴脱羧酶基因的表达,导致果蝇头部多巴胺水平下降,进而影响了果蝇的运动行为。     

果蝇衰老的调控机制

衰老是一个复杂的生物学过程,涉及到有害物质的积累导致整体生命功能的下降,生物的生理状况逐渐恶化,最终导致疾病和死亡。黑腹果蝇Drosophila melanogaster作为最重要的遗传学工具之一,近年来常被用于衰老的研究,以阐明衰老的发生与发展机制。本文结合本实验室的研究进展,综述了果蝇寿命调控的生理生化机制,如保幼激素、胰岛素/类胰岛素生长因子、TOR信号网络、腺苷酸活化蛋白激酶信号通路、热量限制和饮食限制、氧化应激、小分子RNA以及鞘脂类代谢都会对果蝇的寿命产生影响。除此之外,基因调控网络研究还能够发现潜在的与长寿相关的基因组区域,将有可能发现更多寿命相关基因。以果蝇为模式生物的研究,对于其他昆虫衰老、存活等种群生物学问题的研究以及天敌、益虫保育和害虫控制,具有十分重要的指导意义。     

模拟自然选择条件下黑腹果蝇基因频率变化的实验

条件致死突变是指在某些条件下存活,而在另一些条件下致死的突变。利用黑腹果蝇的条件致死突变,模拟自然选择的环境,将自然选择在一个较短的时间内还原出来,探究了在自然选择条件下黑腹果蝇的基因频率的变化情况。本实验为人教版高中《生物遗传与进化（必修2）》中,探究实验“自然选择对基因频率变化的影响”人为创设的情境提供了实验的支持,也为自然选择的机制等相关内容的教学提供了实践背景。     

利用帕金森症的果蝇模型测试具有神经保护作用的化学活性分子(英文)

帕金森症的果蝇模型对解析疾病的分子细胞机制贡献极大.为探讨利用地中海黑腹果蝇的疾病模型来筛选新型治疗帕金森症药物的可能性,我们构建了基于DJ-1A和PINK1两个遗传致病因子的帕金森症果蝇模型,测试抗氧化和消炎活性分子米诺环素和辅酶Q10对脑多巴胺浓度的影响.结果表明,米诺环素对DJ-1A果蝇模型有明显保护作用,能显著提高脑多巴胺的浓度,但是对PINK1果蝇模型没有保护作用;辅酶Q10对两种模型均有保护作用.因此,帕金森病的果蝇模型能够反映药物分子的特异性作用,为筛选新的帕金森病治疗药物提供了一条便捷的途径.     

双酚A(BPA)与黑腹果蝇雌激素相关受体(dERR)的结合模式及对其基因表达的影响

【目的】雌激素相关受体(estrogen-related receptors, ERRs)属于核受体(nuclear receptor, NR)超家族,在昆虫新陈代谢和能量转换调节中发挥重要作用。双酚A(bisphenol A, BPA)与昆虫生殖和神经系统疾病有关。本研究旨在探究BPA影响黑腹果蝇Drosophila melanogaster ERR(dERR)的作用机理。【方法】通过AutoDock Vina模拟小分子BPA与Modeller 9.25构建的dERR蛋白的分子对接,使用Gromacs 5.1.9进行分子动力学模拟,并结合自由能的计算探究BPA与dERR的结合模式。利用qRT-PCR方法检测3种浓度(0.1, 1和10 μg/L) BPA处理6, 12和24 h对黑腹果蝇成虫和2龄幼虫中dERR基因转录水平的影响。【结果】通过分子对接和极性溶剂化能发现,Phe370及Leu334等侧链氨基酸是BPA与dERR结合的关键氨基酸。qRT-PCR分析显示,不同浓度的BPA处理6和12 h时黑腹果蝇成虫和2龄幼虫中dERR基因转录水平均发生显著变化,而0.1 μg/L BPA处理24 h时的几乎接近对照。【结论】BPA能够影响黑腹果蝇体内dERR的表达,作用机理可能跟BPA与dERR的潜在特异性结合有关。     

缺失Df(3R)Espl3/TM6C基因片段影响黑腹果蝇的睡眠时间

【目的】果蝇的睡眠活动具有生物节律性, 可受到基因的调控。为了寻找影响果蝇睡眠时间的基因, 本研究对与果蝇睡眠时间相关的基因型进行了筛选。【方法】选择黑腹果蝇Drosophila melanogaster基因缺失系5601, 8904, 7061, 7146, 27327, 669, 8103, 691, 9697, 24416, 26525, 5411, 3096, 5877和7682的7日龄成虫和野生CS品系7日龄成虫为研究对象, 利用果蝇活动监测器系统（Drosophila Activity Monitoring System, DAMS）, 记录果蝇的睡眠时间, 累计计算24 h内果蝇睡眠时间, 将测得的各品系果蝇睡眠时间进行对比分析。【结果】与野生型CS品系7日龄成虫相比, 缺失Df(3R)Espl3/TM6C基因片段的 5601品系7日龄成虫睡眠时间明显缩短（P<0.001）。【结论】缺失Df(3R)Espl3/TM6C基因片段与果蝇睡眠有关。本研究结果为揭示影响果蝇睡眠时间的基因提供数据支持, 进而为研究人类睡眠提供线索。     

重金属镉胁迫对果蝇dDnmt2、dMBD2/3表达量的影响

【目的】探明重金属镉(Cadmium,Cd)对黑腹果蝇Drosophila melanogaster DNA甲基化修饰相关基因表达的影响,初步分析镉胁迫可能导致果蝇的表观遗传变异及其可遗传性。【方法】收集8 h内羽化未交配的雌、雄果蝇,在添加不同质量浓度(0、0.9375、1.875、3.75、7.5、15.0、30.0、60.0 mg/kg)Cd的培养基中培养,以Real-time PCR定量检测亲代(F0)果蝇生殖系统、去生殖系统体细胞、整体表达量变化趋势及解除胁迫的子代(F1)果蝇DNA甲基化修饰系统相关基因(dDnmt2、dMBD2/3)在mRNA水平的表达变化。【结果】重金属镉胁迫诱导了果蝇卵巢、精巢、去卵巢雌果蝇、去精巢雄果蝇、完整雌果蝇、完整雄果蝇的dDnmt2、dMBD2/3在mRNA水平的表达上调,呈现一定剂量依赖性及雌、雄组织差异性,且这种表达变化持续至子一代。【结论】研究结果揭示了重金属镉胁迫可诱导果蝇dDnmt2、dMBD2/3表达量上调,其可能与果蝇的DNA甲基化修饰过程相关联,导致表观遗传变异并可能向子代传递。     

Henna基因突-变是导致北京紫眼果蝇眼部蝶呤含量减少的重要原因

苯丙氨酸羟化酶被认为参与黑腹果蝇眼部蝶呤代谢,但是始终都缺乏有力证据．Henna是苯丙氨酸羟化酶的编码基因,“北京紫眼”果蝇（Hnbp）是Henna基因的一个隐性突变体,Hn^bp突变形成的原因是Henna基因的第二外显子上具有插入片段．在Hn^bp中,其编码产物的Biopterin—Hydroxyl功能域中增加了15个氨基酸残基．蛋白预测结果显示,插入的残基改变了原有的蛋白结构,这种变化很可能降低了苯丙氨酸羟化酶与四氢生物蝶呤结合的能力．为了恢复突变表型,利用UAS—GAL4转基因体系使野生型Henna基因在Hn^bp的背景下表达．在双拷贝的转基因系GMR—GAL4 UAS—Henna／UAS—Henna;Hn^bp／Hn^bp中,突变表型得到完全恢复：果蝇的眼色由突变体的紫色恢复到野生型的红色,蝶呤含量也从突变体的30％升至98％,与野生型差异不显著（P〉0．05）．上述实验结果充分说明,Henna基因突变是导致Hn^bp突变体眼部喋呤含量降低的重要原因,为苯丙氨酸羟化酶参与果蝇眼部蝶呤代谢提供了体内实验的直接证据．     

转飞蝗羧酸酯酶基因果蝇品系的构建及其在有机磷农药代谢解毒中的作用

【目的】在活体水平验证飞蝗Locusta migratoria羧酸酯酶基因LmCesA1和LmCesA2是否参与有机磷杀虫剂的代谢解毒。【方法】采用Gal4/UAS系统,借助转基因技术,构建两个转基因黑腹果蝇Drosophila melanogaster品系,选取3品系Gal4(act-Gal4, tub-Gal4和c601-Gal4)果蝇作为母本分别与两种转基因果蝇(UAS-LmCesA1和UAS-LmCesA2)以及一种亲本对照果蝇(RB0006{y v; attP40, y+})进行杂交。对子一代转基因果蝇从DNA和RNA水平进行验证,筛选出成功构建的品系。采用生物测定方法检测转基因果蝇与Gal4果蝇杂交后代对马拉硫磷的抗性。【结果】转基因果蝇DNA水平鉴定结果显示,转基因果蝇tub>LmCesA1和tub>LmCesA2中分别扩增到目的基因LmCesA1和LmCesA2,而对照组果蝇tub>attP40中未扩增到目的基因。转基因果蝇RNA水平的检测结果显示,这两个基因在相应的杂交后代中均有表达,表明转基因果蝇构建成功。目的基因在转基因果蝇成虫不同组织中的表达结...     

黑腹果蝇Mst84Db敲降引起的父本缺陷类似Wolbachia诱导的细胞质不亲和

【目的】Wolbachia 是广泛存在于昆虫体内的一类通过母系传递的共生菌,能够通过多种方式影响宿主的生殖。细胞质不亲和（CI）是Wolbachia 引起的最普遍的一种表型,即感染Wolbachia的雄性和未感染的雌性宿主交配后,胚胎发育停滞于早期阶段。但目前有关CI的分子机理还不清楚。本研究组前期实验表明,Wolbachia感染引起黑腹果蝇Drosophila melanogaster 3龄幼虫精巢中Mst84Db基因的表达显著下调。本研究的目的是进一步研究Mst84Db与CI的关系。【方法】我们体外合成了Mst84Db的双链RNA（dsRNA）,注射雄性果蝇,将注射过的雄果蝇与野生雌果蝇交配,检测其繁殖力。基因表达采用定量RT-PCR方法进行检测。胚胎表型采用DAPI染色进行分析。【结果】注射dsRNA 24 h后,Mst84Db基因的表达水平发生显著下调。注射后72 h,基因表达下调幅度最大。与对照组相比,基因敲降后的雄蝇繁殖能力显著下降,与雌果蝇交配后胚胎孵化率显著低于对照组,这与Wolbachia诱导的CI现象类似。未孵化胚胎的表皮上没有体节出现,说明胚胎停滞于发育的早期。部分胚胎细胞核分裂不同步,且有染色质间桥出现,这也与CI胚胎中的细胞学表型一致。【结论】Wolbachia感染可能抑制果蝇精子发生过程中Mst84Db基因的表达,从而使精子失去正常功能,最终导致与雌性果蝇交配后,胚胎发育停滞,并最终死亡。Mst84Db基因在雄性果蝇中表达下调可能是产生CI的重要原因之一。     

果蝇翅原基发育分化的主要过程及分子机理

翅原基发育分化与昆虫的个体发育紧密联系, 对昆虫翅发育的研究有助于阐述昆虫的发育过程。另外, 翅的形成是一些农林害虫泛滥的主要原因之一, 研究翅发育分化有助于我们从翅发育的角度控制农林害虫。目前, 翅发育分化在果蝇Drosophila中研究已较为深入详细。果蝇翅发育分化主要包括4个阶段： 翅原基（wing disc）的确定, 前-后（antero-posterior, A-P）和背-腹（dorso-ventral, D-V）组织中心（organizing center）的建立, 翅区（wing region）的确定, 以及翅区的进一步分化。具有homeobox序列的基因（homeobox 基因）如Engrailed (En)、 Apterous (Ap)和Ultrabithorax (Ubx), 分泌蛋白如Wnt家族成员Wingless (Wg)及TGF-β超家族成员Decapentaplegic (Dpp)和Hedgehog (Hh), 以及翅原基特有的核蛋白编码基因Vestigial (Vg), 共同调控了翅原基的正常发育分化。本文综述了果蝇翅原基发育分化的过程及分子机理方面的研究发现, 为翅原基的研究提供了参考。     

转飞蝗羧酸酯酶基因果蝇品系的构建及其在有机磷农药代谢解毒中的作用

【目的】在活体水平验证飞蝗Locusta migratoria羧酸酯酶基因LmCesA1和LmCesA2是否参与有机磷杀虫剂的代谢解毒。【方法】采用Gal4/UAS系统,借助转基因技术,构建两个转基因黑腹果蝇Drosophila melanogaster品系,选取3品系Gal4(act-Gal4, tub-Gal4和c601-Gal4)果蝇作为母本分别与两种转基因果蝇(UAS-LmCesA1和UAS-LmCesA2)以及一种亲本对照果蝇(RB0006{y v; attP40, y+})进行杂交。对子一代转基因果蝇从DNA和RNA水平进行验证,筛选出成功构建的品系。采用生物测定方法检测转基因果蝇与Gal4果蝇杂交后代对马拉硫磷的抗性。【结果】转基因果蝇DNA水平鉴定结果显示,转基因果蝇tub>LmCesA1和tub>LmCesA2中分别扩增到目的基因LmCesA1和LmCesA2,而对照组果蝇tub>attP40中未扩增到目的基因。转基因果蝇RNA水平的检测结果显示,这两个基因在相应的杂交后代中均有表达,表明转基因果蝇构建成功。目的基因在转基因果蝇成虫不同组织中的表达结果表明,两个目的基因LmCesA1和LmCesA2分别在转基因果蝇c601>LmCesA1和c601>LmCesA2的肠道中高表达; LmCesA1在c601>LmCesA1果蝇肠道中的表达量分别是脑和表皮中的7.6和16.7倍, LmCesA2在c601>LmCesA2果蝇肠道中的表达量分别是脑和表皮中的5.4和10.9倍。杀虫剂生物测定结果显示,与对照组果蝇(c601>attP40)相比,超表达LmCesA2的果蝇(c601>LmCesA2)对马拉硫磷的抗性显著提高,抗性倍数为1.67。【结论】本研究的结论与我们前期采用RNAi结合杀虫剂生测的研究结论一致,即羧酸酯酶基因LmCesA2可能参与飞蝗对马拉硫磷的代谢解毒过程。