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.     

茶谷蛾触角气味结合蛋白基因分析

茶谷蛾(Agriophara rhombata Meyr.)触角上表达的嗅觉相关基因是其交配、寻找食物来源、寻找产卵地、避免有害化合物等行为的重要分子基础。为了研究茶谷蛾触角的嗅觉机制,分析了雌雄蛾触角功能差异,并筛选触角气味结合蛋白基因,本研究采用转录组测序和实时定量PCR技术,对茶谷蛾雌、雄蛾触角的基因表达情况进行了分析,共注释到37 666个基因,其中雌、雄蛾共有的表达基因数目为34 720个,雌蛾特有表达基因有1 739个,雄蛾特有表达基因有1 207个。在雌、雄蛾触角中共鉴定到170个化学感受相关基因,包括33个气味结合蛋白基因(odorant binding protein genes,OBPs), 42个味觉受体基因(gustatory receptor genes,GRs), 12个化学感受蛋白基因(chemosensory protein genes,CSPs), 52个嗅觉受体基因(olfactory receptor genes,ORs), 27个离子型受体基因(ionotropic receptor genes,IRs), 4个感觉神经元膜蛋白基因(sensor...     

昆虫非典型嗅觉受体Orco的功能和分子结构研究进展

嗅觉受体是参与昆虫嗅觉识别过程的一类重要蛋白。在昆虫的众多嗅觉受体中, 有一类受体明显不同于其他受体, 被称为Orco。该受体基因在不同昆虫种间高度保守, 且表达广泛。Orco在昆虫嗅觉识别过程中发挥关键作用。采用基因突变或RNAi等技术使Orco基因沉默后, 昆虫会出现严重的嗅觉缺陷, 但Orco本身不与气味配体结合, 它与传统嗅觉受体形成复合体Or-Orco, 促进传统嗅觉受体在神经元树突膜上的定位并维持其稳定性, 提高传统嗅觉受体对气味反应的效率。昆虫嗅觉受体的结构与脊椎动物的G蛋白偶联受体相似, 均有7个跨膜区, 但二者的膜拓扑结构相反, 昆虫嗅觉受体的N末端位于细胞质膜内, C末端在细胞质膜外, Orco与传统嗅觉受体通过保守的C末端区域相互作用形成一种新型的配体门控离子通道--Or-Orco复合体。阐明Orco在昆虫嗅觉识别中的功能机制, 可为开创基于昆虫嗅觉行为干扰的新的害虫防治措施提供基础。     

腺苷酸环化酶3缺失下调小鼠嗅觉受体基因表达北大核心CSCD

主要嗅觉表皮组织(MOE)是哺乳动物感知气味分子的重要器官,气味诱导是嗅觉受体神经元(ORN)活动的起点,嗅觉受体(OR)结合气味分子后通过环腺苷酸(c AMP)信号通路向下游传递信号。腺苷酸环化酶3(AC3)是此通路中的重要分子。为了探讨AC3缺失对小鼠MOE内ORs基因表达的影响,本文以AC3敲除型小鼠(AC3-/-)和野生型小鼠(AC3+/+)为材料,采用荧光定量PCR(qRT-PCR)、荧光原位杂交(FISH)技术分析了部分ORs基因及与其相关因子在MOE中的表达。qRT-PCR表明,3月龄AC3-/-小鼠MOE中嗅觉受体Olfr15、Olfr16、Olfr533、Olfr536、Olfr1507和Olfr642的表达量均显著下降。出生后PND7、PND30和PND90三个不同发育时期的AC3-/-小鼠MOE原位杂交显示,嗅觉受体Olfr15、Olfr536和Olfr1507表达的细胞数目均减少。进一步qRTPCR分析发现,3月龄AC3-/-小鼠嗅觉受体相关因子Rtp1、Rtp2、Reep1、Lhx2、Emx2和Ric-8b的表达也均发生显著下调。由此推测,AC3缺失导致的ORs及其相关因子的表达下调可能是嗅觉行为障碍的原因之一。     

锤胁跷蝽YsigOrco基因的克隆、鉴定与表达

昆虫对气味的识别需要专门的嗅觉受体ORs,而嗅觉受体需要与一个保守的非典型嗅觉受体Orco结合成异源杂合体才能起嗅觉作用。有关Orco的同源基因在其它种昆虫中已经被鉴定出来。本研究通过对前期锤胁跷蝽触角转录组数据分析和RT-PCR,也鉴定出了一个Orco基因,并通过q RT-PCR对该基因的组织表达谱进行分析。结果表明,锤胁跷蝽Orco基因ORF全长1 425 bp,编码474个氨基酸残基,包含7个跨膜区,其中C端在膜外,N端在膜内;氨基酸序列对比发现,该基因与其它昆虫Orco同源基因相似度较高,因此,将该基因命名为Ysig Orco(基因登录号:KY883444);实时荧光定量PCR分析显示,Ysig Orco在锤胁跷蝽的雌虫和雄虫触角中表达量较高,但二者之间差异不显著,在胸部、足和喙等不同组织中有少量表达。     

昆虫气味结合蛋白的研究进展

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...     

腺苷酸环化酶3缺失下调小鼠嗅觉受体基因表达

主要嗅觉表皮组织（MOE）是哺乳动物感知气味分子的重要器官,气味诱导是嗅觉受体神经元（ORN）活动的起点,嗅觉受体（OR）结合气味分子后通过环腺苷酸（cAMP）信号通路向下游传递信号。腺苷酸环化酶3（AC3）是此通路中的重要分子。为了探讨AC3缺失对小鼠MOE内ORs基因表达的影响,本文以AC3敲除型小鼠(AC3-/-)和野生型小鼠(AC3+/+)为材料,采用荧光定量PCR（qRT-PCR）、荧光原位杂交（FISH）技术分析了部分ORs基因及与其相关因子在MOE中的表达。qRT-PCR表明,3月龄AC3-/-小鼠MOE中嗅觉受体 Olfr15、Olfr16、Olfr533、Olfr536、Olfr1507和Olfr642的表达量均显著下降。出生后PND7、PND30和PND90 三个不同发育时期的AC3-/-小鼠MOE原位杂交显示,嗅觉受体Olfr15、Olfr536和Olfr1507表达的细胞数目均减少。进一步qRT-PCR分析发现,3月龄AC3-/-小鼠嗅觉受体相关因子Rtp1、Rtp2、Reep1、Lhx2、Emx2和Ric-8b的表达也均发生显著下调。由此推测,AC3缺失导致的ORs及其相关因子的表达下调可能是嗅觉行为障碍的原因之一。     

柑橘大实蝇气味结合蛋白基因BminOBP25的克隆、原核表达及组织表达分析

【目的】昆虫的气味结合蛋白(odorant binding proteins,OBPs)与嗅觉识别密切相关,在触角感受器淋巴液内运输外界的脂溶性气味分子顺利到达嗅觉受体过程中起着关键的作用。本研究对柑橘大实蝇Bactrocera minax的气味结合蛋白基因进行了克隆和表达分析,旨在更好地了解气味结合蛋白在柑橘大实蝇嗅觉识别中的作用及为进一步研究柑橘大实蝇嗅觉传递的分子机制奠定基础。【方法】利用RT-PCR和RACE技术克隆柑橘大实蝇的气味结合蛋白基因,并进行生物信息学分析;构建重组表达载体p ET28a(+)-Bmin OBP25,转化到大肠杆菌Escherichia coli BL21(DE3)中,SDS-PAGE及Western blotting鉴定重组表达蛋白;采用荧光定量PCR检测该基因在柑橘大实蝇成虫不同组织中的表达。【结果】克隆获得柑橘大实蝇气味结合蛋白基因的c DNA全长序列,命名为Bmin OBP25(Gen Bank登录号:MH181875)。测序结果表明,Bmin OBP25开放阅读框全长447 bp,编码148个氨基酸,预测分子量为17.5 k D,编码序列具有OBPs典型的6个保守半胱氨酸和6个α螺旋区域特征。在IPTG诱导下目标蛋白以6×His标签融合蛋白的形式在宿主菌中得到稳定表达。荧光定量PCR分析表明,Bmin OBP25 mRNA在成虫触角、头(去除触角)、胸、腹、足、翅和产卵器中均有表达,其中在触角、头(去除触角)、足和产卵器中表达量较高。【结论】Bmin OBP25在柑橘大实蝇成虫触角、头、足和产卵器中具有高转录活性,提示该基因在非嗅觉组织中可能也具有生理功能,特别是可能在昆虫的取食与产卵地选择过程中起重要作用,其功能还需深入研究。本研究实现了Bmin OBP25基因的原核表达,为深入研究Bmin OBP25基因的功能奠定基础。     

小菜蛾普通气味受体基因PxylOR9的鉴定及功能研究

【目的】克隆小菜蛾Plutella xylostella一普通气味受体基因,明确其在不同组织中的表达分布,并鉴定其功能,为了解小菜蛾对寄主植物的识别机制提供理论基础。【方法】在小菜蛾成虫触角转录组测序和分析的基础上,通过PCR技术克隆得到一气味受体基因的全长序列,利用半定量RT-PCR研究其在雌雄蛾不同组织中的表达,并通过爪蟾卵母细胞体外表达结合双电极电压钳技术测试该受体对59种植物挥发物刺激的反应。【结果】在前期研究中,通过转录组测序和生物信息学分析,预测获得了多条小菜蛾气味受体基因序列。本研究中,我们克隆得到了其中一小菜蛾气味受体基因Pxyl OR9的c DNA全长序列(Gen Bank登录号:KP757898)。Pxyl OR9包括6个跨膜结构域,N末端位于胞内,符合昆虫气味受体的典型特征。与其他鳞翅目昆虫气味受体构建的进化树分析结果显示,Pxyl OR9与性信息素受体具有明显的分离,并与普通气味受体聚集在一起。半定量RT-PCR结果显示,Pxyl OR9仅在雌雄触角中表达且无雌雄差异。双电极电压钳记录结果显示,在测试的植物挥发物中Pxyl OR9只对植物挥发物!-紫罗兰酮的刺激具有反应。【结论】本研究从小菜蛾中克隆得到Pxyl OR9的全长序列,其编码产物具有气味受体的典型特征并且属于普通气味受体。该基因在仅在小菜蛾成虫触角中高表达。体外功能研究证明Pxyl OR9对植物挥发物!-紫罗兰酮具有特异反应,推测其参与了小菜蛾对植物的识别。     

苜蓿盲蝽气味结合蛋白基因Alin-OBP1的克隆及表达谱分析

有证据表明昆虫气味结合蛋白(odorant binding proteins, OBPs)与其嗅觉识别密切相关,起着运输外界脂溶性气味分子通过嗅觉感器淋巴液到达嗅觉受体的关键作用.为了更好地了解OBPs在苜蓿盲蝽Adelphocoris lineolatus (Goeze)嗅觉识别中的作用,本研究首次克隆了苜蓿盲蝽气味结合蛋白基因Alin-OBP1 (GenBank序列号GQ477022). 测序和序列分析结果表明,该基因开放阅读框长438 bp, 编码145个氨基酸,预测分子量为15.69 kDa,等电点为5.01,N-末端疏水区包含由18个氨基酸组成的信号肽.蛋白特征分析表明,该基因翻译后的蛋白质具有昆虫气味结合蛋白的典型特征,即氨基酸序列中有6个保守的半胱氨酸残基.利用RT-PCR和Real-time PCR技术对Alin OBP1在苜蓿盲蝽成虫不同组织和各个发育阶段的表达水平进行了测定,结果显示Alin-OBP1几乎全部在触角中表达.不同发育阶段Alin-OBP1表达量不同,在5龄若虫和成虫阶段表达水平最高.结果提示Alin-OBP1可能在苜蓿盲蝽感受包括性信息素在内的外界化合物的过程中发挥着重要作用.     

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...     

Protease inhibitors:recent advancement in its usage as a potential biocontrol agent for insect pest management

Plant derived protease inhibitors(PIs)are a promising defensin for crop im-provement and insect pest management.Although agronomist made significant efforts in utilizing PIs for managing insect pests.the potentials of PIs are still obscured.Insect ability to compensate nutrient starvation induced by dietary PI feeding using different strategies,that is,overexpression of PI-sensitive protease,expression of PI-insensitive proteases,degradation of PI,has made this innumerable collection of PIs worthless.A practical challenge for agronomist is to identify potent PI candidates,to limit insect compensatory responses and to elucidate insect compensatory and resistance mechanisms activated upon herbivory.This knowledge could be further efficiently utilized to identify potential targets for RNAi-mediated pest control.These vital genes of insects could be functionally anno-tated using the advanced gene-editing technique,CRISPR/Cas9.Contemporary research is exploiting different in silico and modern molecular biology techniques to utilize PIs in controlling insect pests efficiently.This review is structured to update recent advancements in this field,along with is chronological background.     

昆虫的RNA干扰

RNA干扰(RNAi)是一种强有力的分子生物学技术, 在昆虫研究中得到了较多的应用。目前, RNAi技术主要应用于昆虫功能基因和功能基因组研究, 已在多个目的19种昆虫上实现了RNAi。在昆虫上实现RNAi的方法主要有注射、浸泡、喂食、转基因和病毒介导等方法, 这些方法各有特点, 其中喂食法因其简单而最有应用前景。昆虫RNAi的系统性较为复杂, 只有部分昆虫具有RNAi的系统性。昆虫中RNAi信号传导的基因可能是sid-1, 但昆虫RNAi的系统性机理还不是很清楚。转基因植物产生的dsRNA实现了对作物的保护, 证实了RNAi技术可用于害虫控制, 为害虫控制开辟了新领域。昆虫的RNAi研究处在起步阶段, 研究昆虫RNAi的机理, 特别是RNAi在昆虫体内的系统性扩散机理, 改进实现RNAi的方法, 提高RNAi技术在昆虫研究中的应用, 有利于昆虫基因功能鉴定和害虫控制, 促进昆虫学科的发展。     

RNA干扰在昆虫中的作用机理及应用进展

RNA干扰（RNAi）是生物体内源基因发生转录后特异性降解的一种生理现象,作为抵抗病毒的免疫机制,广泛存在于生物体内。RNAi在秀丽隐杆线虫中的发生机制已明确,但昆虫的系统性RNAi不同于线虫,在昆虫中尚未发现线虫跨膜蛋白SID．2的同源蛋白,且果蝇中不存在依赖于RNA的RNA聚合酶（RdRP）,但存在具有相似活性的物质。昆虫发生RNAi的效率不仅与靶标基因自身及双链RNA的选择有关,而且与虫体的发育状态及摄入双链RNA的剂量相关。随着RNAi在昆虫中作用特点的阐明,RNAi的应用价值也逐渐体现。近年来,通过RNAi沉默靶标基因,不但促进了昆虫基因功能研究的发展,而且被广泛用于重要农业害虫抗药性基因的研究。最新研究表明,RNAi结合第2代测序技术,针对非模式昆虫,能迅速找到具有致死效应的靶标序列,加快了利用RNAi技术生产生物农药的步伐。     

害虫遗传防治的研究历史与现状

作为防治或根除重大害虫最为有效的手段之一,害虫遗传防治在世界范围内被广泛采用并取得了巨大成功。本文综述了不育昆虫技术、雌性致死系统和昆虫显性致死技术等经典害虫遗传防治策略的发展历史、技术特点和应用情况。近年来,许多新的分子生物手段被不断提出并整合到害虫遗传防治策略中,包括归巢核酸内切酶基因、锌指核酸酶、转录激活因子样效应因子核酸酶、CRISPR/Cas9系统、Medea元件、Killer-Rescue系统、Wolbachia-细胞质不亲和性系统等。基于这些新的工具手段,许多国家已经在不同程度上启动了下一代害虫遗传防治项目。而我国在该领域的研究相对薄弱,需要在借鉴国外成功经验的同时,进一步加强害虫遗传防治的基础和应用研究,从而实现本地有害生物的可持续治理和外来入侵生物的有效狙击,确保我国未来的粮食和生态安全。     

CRISPR系统用于昆虫基因表达调控的研究进展与展望

昆虫基因功能研究因缺少相应的工具而受到明显限制,但CRISPR/Cas9系统的出现为昆虫基因编辑及转录调控研究提供巨大助力。将Cas9核酸酶的RuvC和HNH剪切结构域失活改造得到的dCas9系统近年来在基因转录调控方面得到了广泛应用,同时CRISPR/dCpf1和最新发现的CRISPR/Cas13(a/b)系统为基因功能研究提供更多选择。本文综述了dCas9, dCpf1及Cas13(a/b)系统作用机理及在果蝇中的转录调控研究进展,以期为相关昆虫研究提供参考。