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。     

昆虫嗅觉受体及其介导的信号转导机制研究进展

高度灵敏的嗅觉系统,能够帮助昆虫准确识别环境中不同来源的挥发性化合物,在昆虫觅食、交配和产卵等生命活动过程中起着至关重要的作用.通过感觉神经元膜上数量巨大且种类繁多的嗅觉受体,昆虫可以识别不同的气味物质,进而调控其行为.已知的昆虫嗅觉受体主要有三种,离子型受体、气味受体和响应二氧化碳及信息素的味觉受体.目前嗅觉受体的分子结构及其介导的信号转导机制仍然没有得到完整的阐释,嗅觉受体配体的鉴定工作也还任重道远.本综述就昆虫嗅觉受体的结构、进化、功能表征方法以及气味受体介导信号转导的机制等方面的研究进展进行了综述,以期对研究昆虫嗅觉编码和调控,以及昆虫与植物间互作提供一定的理论参考.     

昆虫外周嗅觉系统信号转导机制研究进展

嗅觉对昆虫的生存至关重要.长期的进化中,昆虫发展了一套完备的嗅觉系统.在昆虫嗅觉识别过程中,有多种嗅觉蛋白参与其中.在过去的十几年中,随着生物信息技术的发展,与昆虫嗅觉识别相关的基因家族得到了鉴定,如气味受体、离子型受体等,结合电生理及行为学方面的研究,这些基因的功能也逐步得到了验证,使对昆虫嗅觉识别的分子基础有了更深入的理解.本文综述了与昆虫外周嗅觉系统神经转导过程相关的嗅觉蛋白的生化特性及生理功能,概述了昆虫外周嗅觉系统神经转导机制的最新研究进展.     

荧光竞争结合技术在昆虫嗅觉相关蛋白结合能力检测上的应用

昆虫嗅觉相关蛋白在其觅食、交配、防御、产卵、信息交流、栖息地选择等行为及生理活动方面起着十分重要的作用。荧光竞争结合试验是目前用于检测昆虫气味结合蛋白(OBPs)和化学感受蛋白(CSPs)与外界环境气味分子结合特性的典型方法。本文对荧光竞争结合试验在昆虫OBPs和CSPs上的相关研究及应用进行综述,为深入了解昆虫嗅觉识别机制、制定害虫防治和经济昆虫保护策略提供理论参考。     

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。     

本期重点推介

正气味结合蛋白(odorant binding proteins,OBPs)是昆虫嗅觉机制中的关键物质之一,参与昆虫专一性识别外界环境的第一步生化反应。而昆虫嗅觉对其生理和行为又起着重要作用。研究OBPs的分子构造和功能,对认识昆虫的嗅觉机制并在害虫防治中加以应用都有重要意义。福建农林大学应用生态研究所程小娟、蔡立君和尤民生等在克隆和分析小菜蛾OBP2基因Pxyl OBP2 c DNA序列的基础上,通过实时定量PCR(qRT-PCR)分析Pxyl OBP2在小菜蛾不同发育阶段和不同组织中的表达模式,对Pxyl OBP2进行了原核表达及蛋     

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。     

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。     

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。     

植食性昆虫取食行为过程及机制研究

昆虫取食行为包括定向、趋性、辨认、取食等一系列的活动,涉及复杂的行为生理过程,如视觉、嗅觉、味觉感受及神经调控等。昆虫取食行为不仅受外界物理环境因素、寄主植物化学成份影响,而且跟昆虫自身生理状态紧密相关。本文综述了昆虫取食过程、寄主定位的感受机制、神经肽调节机制、影响取食的理化因素、环境因素等方面的研究进展,旨在为深入研究昆虫与环境关系、开发害虫取食行为调控新技术提供参考。     

啮齿动物的嗅觉通讯研究进展

通过对近40 年来啮齿动物嗅觉通讯的研究综述, 主要介绍嗅觉信号的来源、组成及其对啮齿动物行为生理所产生的作用。啮齿动物嗅觉通讯的信号来源主要是粪便、尿液和特化皮肤腺等, 对这些化学信号的成分分析主要集中在各种信息素(Pheromone) 的结构、来源及其引起的行为反应。目前, 在对啮齿动物嗅觉通讯神经通路的研究中, 对主嗅觉系统和犁鼻器系统在动物嗅觉通讯中的作用仍将是人们研究的重点; 而通过信息素作用所产生的各种行为反应的神经内分泌机制也是动物嗅觉通讯领域研究的热点之一。研究气味信号对动物行为和生理等方面所产生的作用, 将有助于揭示啮齿动物嗅觉通讯在其社会行为中的重要作用。     

植物气味多样性与昆虫关系的研究进展

植物气味是多种挥发物组成的混合物,具有丰富的多样性。由于植物气味多样性在植食性昆虫及其天敌与植物的关系中起着决定性作用,近年来将昆虫化学生态学、昆虫行为学与景观生态学研究相结合,探讨田间和不同景观尺度上植物气味多样性与昆虫嗅觉行为的关系受到关注。本文从植物气味多样性相关概念的分析、植物气味多样性与植食性昆虫的关系、植物气味多样性与天敌昆虫的关系、植物气味多样性研究方法等方面,介绍了国内外最新的研究进展,期望为推进我国该领域研究提供参考。     

昆虫嗅觉相关蛋白的结构和功能

昆虫在长期进化的过程中形成了复杂的嗅觉系统,气味剂结合蛋白(odorant binding proteins,OBPs)、嗅觉受体(olfactory receptors,ORs)是其最主要的组分.其主要作用是结合外围挥发性的气味分子并将信号传递给细胞内的第二信使.OBPs和ORs的结构、功能、表达、进化是昆虫行为与进化关系的重要研究领域和研究热点.本文主要总结了近年来昆虫OBPs和ORs的结构特点、生理功能、表达特点、遗传进化等方面研究的最新进展,对OBPs和ORs的研究趋势进行了展望,为昆虫嗅觉系统进化研究及寻找害虫防治新途径提供参考信息.     

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。     

酵母双杂交筛选华北大黑鳃金龟触角均一化cDNA文库

昆虫错综复杂的嗅觉系统在昆虫寻找寄主、 交配、 产卵以及逃避行为中起到了至关重要的作用。因此, 对昆虫嗅觉感受机理的研究将有助于揭开昆虫感受和识别环境中的气味物质并引起相关行为反应的秘密。为了更多地了解华北大黑鳃金龟Holotrichia oblita Faldermann 嗅觉相关蛋白互作机制, 本实验利用DUALhunter Starter Kits酵母双杂交筛选试剂盒, 构建了华北大黑鳃金龟气味结合蛋白OBP2诱饵载体, 筛选了华北大黑鳃金龟触角酵母双杂交系统均一化的cDNA文库。通过β-半乳糖苷酶活性检测以及GenBank中Blast比对分析, 以OBP2为诱饵鉴定出6个阳性互作物。我们推测其中的一种较强的阳性互作物凝固酶原可能是华北大黑鳃金龟在嗅觉识别过程中的相关蛋白。     

植食性昆虫寄主植物嗅觉搜寻述介

植食性昆虫与寄主植物关系的本质是化学。植食性昆虫搜寻寄主的嗅觉媒介是植物气味即化学信息物质。在介绍植物气味构成及其扩散模型基础上，阐述了植物气味在地上植食性昆虫成虫、幼虫和地下植食性昆虫搜寻寄主过程中的嗅觉导向作用，并指出了今后相关研究需要注意的问题。从植物与环境因子的关系来看，植物气味包括构成性气味和诱发性气味两类，这两类气味的概念既相联系而又不同。构成性气味组分及构成因植物分类地位等而不同。诱发性气味组分因植食性昆虫取食、植物病原微生物、机械致伤等因子的胁迫而变化，这种变化性状随植物属和/或种、植株生长发育阶段、胁迫因子性质及其作用方式而不同。无论是哪种植物气味，其释放均具有节律性。气味扩散过程比较复杂，扩散状态可用数学模型表征。对于地上植食性昆虫成虫，植物气味对其寄主搜寻行为具有导向特异性，重点分析了这种特异性形成的两个假说；鳞翅目昆虫幼虫，能够利用植物化学信息物质趋向寄主植物或回避非寄主植物；地下植食性昆虫搜寻寄主，既与寄主植物地下组织释放或分泌的次级代谢物有关，又与一些初级代谢物有关。初级代谢物中的CO₂,起着“搜寻触发器”作用。有助于增强人们对昆虫与植...