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     

草地贪夜蛾幼虫对四种刺激物质的味觉感受和取食选择

【目的】为了筛选有效的草地贪夜蛾Spodoptera frugiperda幼虫取食激食素和抑制剂并探究其味觉感受机理,为生态防治草地贪夜蛾提供理论和实践上的依据。【方法】利用单感受器记录法测定草地贪夜蛾5龄第2天幼虫下颚外颚叶上中栓锥感器和侧栓锥感器对不同浓度的蔗糖、黑芥子苷、单宁酸和盐酸奎宁4种刺激物质的电生理反应,并采用二项叶碟法测定草地贪夜蛾幼虫对这些刺激物质的取食选择行为。【结果】草地贪夜蛾幼虫中栓锥感器和侧栓锥感器内均存在对蔗糖、黑芥子苷和单宁酸敏感的味觉受体神经元,但是神经元的活性随着刺激物的种类及浓度而变化。其中,两类感器内神经元对蔗糖和黑芥子苷的反应均呈现典型的浓度梯度反应。中栓锥感器内存在对盐酸奎宁敏感的味觉受体神经元,但是呈现逆浓度梯度的反应模式,侧栓锥感器内不存在对盐酸奎宁敏感的神经元。蔗糖显著诱导幼虫的取食行为,而盐酸奎宁、黑芥子苷和单宁酸均抑制幼虫的取食行为,且都呈现浓度梯度的抑制活性。【结论】草地贪夜蛾幼虫中栓锥感器和侧栓锥感器内均存在对取食激食素和抑制剂敏感的味觉受体神经元,但是两类感器不论在反应谱上还是敏感性上均存在差异。蔗糖可以作为取食激食素,盐酸奎宁、黑芥子苷和单宁酸可以作为取食抑制剂的有效候选物质。幼虫对蔗糖、黑芥子苷和单宁酸的味觉反应在一定程度上解释了其取食选择行为的味觉基础。本研究为草地贪夜蛾的生态防治提供了味觉信息。     

昆虫味觉研究进展及相关原理在害虫防治中的应用

味觉在昆虫取食和产卵选择中发挥重要作用,而昆虫的味觉感受主要依赖于味觉感官中表达的味觉受体(Gustatoryreceptors)。很多化合物能引起昆虫的味觉反应,在行为上表现为喜好或厌恶,在选择压力下昆虫的味觉还可能发生改变。本文介绍昆虫味觉受体功能研究的新技术和新方法,综述了昆虫糖受体和苦味受体功能的研究进展,探讨了昆虫取食(或产卵)阻碍素和刺激素在害虫防治中的应用潜力。深刻理解昆虫的味觉感受机制,不仅有助于开发新型昆虫行为调节物,设计以味觉受体为潜在靶标的害虫绿色防控技术,还在昆虫行为抗药性治理,合理规划作物种植体系及品种选育等方面具有重要意义。     

昆虫单个感觉器记录技术研究进展

单感器记录技术是一种昆虫细胞外电生理技术,可以测量昆虫单个感受器对刺激物的电生理反应。该技术有助于探明昆虫嗅觉和味觉感受器对不同信息化合物的电生理响应机制,将单感器记录技术与其他技术相结合,不仅可以阐明昆虫嗅觉反应的分子机制,还可以研制昆虫行为调节剂、检测挥发性有机化合物的生物传感器。本文介绍了单感器记录仪的结构和昆虫单感器记录的原理,并对单感器记录技术在昆虫学研究方面的应用进行了综述,以期为探明昆虫感受化学信息物质的机理和应用提供依据。     

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。     

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。     

哺乳动物味觉感受机制研究进展

味觉系统对于食品风味、营养和毒害的"主动认知"对保证哺乳动物生存具有积极意义。哺乳动物具有甜、鲜、苦、咸、酸五类基本味觉。近年来,随着微电子技术及分子生物学等学科的快速发展,人类对味觉系统的研究取得了较大的进展。呈味分子与味觉感受器上的受体结合后,引起味觉细胞去极化和神经递质的释放,神经纤维接收递质并将产生的神经信号传达到脑的味觉感受区,完成味觉识别过程。本文对味觉系统中味觉感受器的组成、味觉受体介导的信号途径以及味觉信息的神经传导过程进行了系统的论述。     

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。     

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。     

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。     

Expression of T1Rs and gustducin in palatal taste buds of mice

The palatal region of the oral cavity in rodents houses 100-300 taste buds and is particularly sensitive to sweet and umami compounds; yet, few studies have examined the expression patterns of transduction-related molecules in this taste field. We investigated the interrelationships between members of the T1R family and between each T1R and gustducin in palatal taste buds. Similar to lingual taste buds, T1R1 and T1R2 are generally expressed in separate palatal taste cells. In contrast to lingual taste buds, however, T1R2 and T1R3-positive palatal taste cells almost always coexpress gustducin, suggesting that sweet taste transduction in the palate is almost entirely dependent on gustducin. T1R1-positive palate taste cells coexpress gustducin about half the time, suggesting that other G proteins may contribute to the transduction of umami stimuli in this taste field.     

哺乳动物舌面味蕾的发育

根据近年来有关大鼠、小鼠味觉发育方面的大量研究,对哺乳动物味蕾(taste buds)发育的情况进行了综述和讨论.哺乳动物舌面上的味蕾分布在菌状乳头(fungiform papillae,FF)、叶状乳头(foliate papillae,FL)、轮廓状乳头(circumvallate papillae,CV)之中,味蕾细胞(taste bud cells)不断地进行着周期性的更新,味蕾的形态、数量和功能随动物随年龄而变化.有关味孔头的研究表明,味乳头(gustatory papillae)在味蕾形成和维持味蕾存在及正常发育方面有着独特的功能.味乳头和味蕾的发育过程与细胞信号分子(signaling molecules)、味觉神经(gustatory nerve fibers)等许多因素有着密切的关系,其中有些作用机理至今尚无定论.     

昆虫对CO2感受机制的研究进展

CO2是空气的重要组分,它既是植物光合作用的主要原料之一,也可以作为环境中的化学信号直接影响昆虫的生命活动.CO2在双翅目、鞘翅目和鳞翅目昆虫的觅食行为中都发挥着重要作用;CO2可以影响蝇类和蛾类的产卵行为;CO2是社会性昆虫调节巢穴内气候条件的重要指标.对昆虫感受CO2的机制研究一方面可以拓展对昆虫化学感受体系的认知...     

昆虫化学感受蛋白研究进展

昆虫化学感受蛋白(chemosensory proteins)是在长期进化过程中形成的一类低分子量酸性可溶性蛋白,广泛分布于昆虫触角、跗节等各种化学感受器中,蛋白质序列具有较高的保守性,种内种间同源性一般为30%～90％。其主要功能是感受、识别、转运、传导环境化学因子刺激信息,参与调节生理节律和生长发育。该文从昆虫化学感受蛋白的生态进化意义、分布表达部位、生化特性、分子结构、生理功能和研究方法等角度,较详细地综述了近年来国内外昆虫化学感受蛋白的研究进展,指出昆虫化学感受蛋白的深入研究,对于阐明昆虫与环境化学信息联系规律、昆虫行为反应本质原因,探索害虫综合治理和益虫利用效率新途径,开辟创制昆虫行为控制剂新领域等具有重要的理论和实践意义。     

Linoleic and oleic acids alter the licking responses to sweet, salt, sour, and bitter tastants in rats

The free fatty acids (FFAs), linoleic and oleic acids, commonly found in dietary fats can be detected by rats on the basis of gustatory cues following conditioned taste aversion pairings. FFAs depolarize the membrane potential of isolated rat taste receptor cells by inhibiting delayed rectifying potassium channels. This study examined the licking response of rats to sweet, salt, sour, and bitter taste solutions when 88 muM linoleic acid, 88 muM oleic acid, or an 88 muM linoleic-oleic acid mixture was added to the solutions. The presence of linoleic, oleic, and the linoleic-oleic acid mixture in sweet solutions produced increases in the licking responses, whereas adding linoleic, oleic, and the linoleic-oleic acid mixture to salt, sour, or bitter taste solutions produced decreases in licking responses when compared with the licking responses to the solutions in the absence of the FFAs. We conclude that FFAs may act in the oral cavity to depolarize taste receptor cells and therefore to increase the perceived intensity of concomitant tastants, thus contributing to the enhanced palatability associated with foods containing high dietary fat.     

New perspectives on taste and primate evolution: the dichotomy in gustatory coding for perception of beneficent versus noxious substances as supported by correlations among human thresholds

In various environments where primates are presently observed, as well as in forests and savannas which have been inhabited by australopithecines and early hominids, there are (or there have been presumably) categories of substances eliciting taste signals associated with stereotyped responses. Such is the case for various soluble sugars of fruits and nectars, attracting consumers, and for several plant compounds in which bitter or strongly astringent properties have a repulsive effect. The occurrence of such classes of tasty substances among natural products appears to be related to the evolutionary trends that shaped primate sensory perception (for detecting either beneficent or potentially noxious substances) in the context of a long history of coevolution between animals and plants. Here, we present original psychophysical data on humans (412 individuals aged 17-59 years) as an analogy with which to test recent evidence from electrophysiology in nonhuman primates (Hellekant et al. [1997] J. Neurophysiol. 77:978-993; Danilova et al. [1998] Ann. N.Y. Acad. Sci. 855:160-164) that taste fibers can be grouped into clusters of "best-responding fibers" with two more specific clusters, one for sugars and one for quinine and tannins. The collinearity found between human taste responses (recognition thresholds) for fructose and sucrose, as well as for quinine and tannins, is presented and discussed as another evidence of the two-direction evolutionary trend determining taste sensitivity. Salt perception appears to be totally independent of these trends. Accordingly, the appreciation of a salty taste seems to be a recent culturally learned response, and not a primary taste perception. The very existence of primary tastes is discussed in the context of evolutionary trends, past and present.     

Perception of insect feeding by plants

The recognition of phytophagous insects by plants induces a set of very specific responses aimed at deterring tissue consumption and reprogramming metabolism and development of the plant to tolerate the herbivore. The recognition of insects by plants requires the plant’s ability to perceive chemical cues generated by the insects and to distinguish a particular pattern of tissue disruption. Relatively little is known about the molecular basis of insect perception by plants and the signalling mechanisms directly associated with this perception. Importantly, the insect feeding behaviour (piercing‐sucking versus chewing) is a decisive determinant of the plant’s defence response, and the mechanisms used to perceive insects from different feeding guilds may be distinct. During insect feeding, components of the saliva of chewing or piercing‐sucking insects come into contact with plant cells, and elicitors or effectors present in this insect‐derived fluid are perceived by plant cells to initiate the activation of specific signalling cascades. Although receptor–ligand interactions controlling insect perception have yet not been molecularly described, a significant number of regulatory components acting downstream of receptors and involved in the activation of defence responses against insects has been reported. Some of these regulators mediate changes in the phytohormone network, while others directly control gene expression or the redox state of the cell. These processes are central in the orchestration of plant defence responses against insects.     

Analysis of slow depolarizing potential in frog taste cell induced by parasympathetic efferent stimulation under hypoxia

Strong electrical stimulation (ES) of the frog glossopharyngeal (GP) efferent nerve induced slow depolarizing potentials (DPs) in taste cells under hypoxia. This study aimed to elucidate whether the slow DPs were postsynaptically induced in taste cells. After a block of parasympathetic nerve (PSN) ganglia by tubocurarine, ES of GP nerve never induced slow DPs in the taste cells, so slow DPs were induced by PSN. When Ca(2+) in the blood plasma under hypoxia was decreased to approximately 0.5 mM, the slow DPs reduced in amplitude and lengthened in latency. Increasing the normal Ca(2+) to approximately 20 mM increased the amplitude of slow DPs and shortened the latency. Addition of Cd(2+) to the plasma greatly reduced the amplitude of slow DPs and lengthened the latency. These data suggest that the slow DPs depend on Ca(2+) and Cd(2+) concentration at the presynaptic PSN terminals of taste disk. Antagonists, [D-Arg(1), D-Trp(7,9), Leu(11)]-substance P and L-703 606, of neurotransmitter substance P neurokinin(1) receptor completely blocked the slow DPs. Intravenous application of substance P induced a DP of approximately 7 mV and a reduction of membrane resistance of approximately 48% in taste cells. A nonselective cation channel antagonist, flufenamic acid, completely blocked the slow DPs. These findings suggest that the slow DPs are postsynaptically initiated in frog taste cells under hypoxia by opening nonselective cation channels on the postsynaptic membrane after substance P is probably released from the presynaptic PSN axon terminals.