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...     

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...     

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。     

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。     

昆虫嗅觉受体的研究进展

昆虫的嗅觉对昆虫的栖息地选择、觅食、群集、趋避、繁殖以及信息传递等行为具有重要的影响。对昆虫嗅觉机理的深入研究和嗅觉信号传导途径的完整阐述,是探索农业害虫的专一性防治的基础。嗅觉受体(olfactory receptors,Ors)是G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptor)的一种,是嗅觉系统的关键成分。近年来嗅觉受体的研究日益受到关注。本文对昆虫嗅觉的基本过程、基因结构和表达调控特征、蛋白分子结构、生理功能、分布部位和相关配体的研究等进行了综述。     

昆虫信息化学物质的应用进展

介绍昆虫性信息素(sex pheromone)、示踪信息素(trail pheromone)、聚集信息素(aggregation pheromone)、产卵(oviposition)和产卵忌避(oviposition deterring)信息化合物(semioche micals)和种间协同素(synomone)在害虫控制方面的最新应用进展,其中,重点介绍性信息素在害虫种群监测、大量诱捕和干扰交配3个方面的应用进展情况。与性信息素相比,人们对示踪信息素、聚集信息素、产卵和产卵忌避信息化合物和种间协同素的报道较少,但这些信息素也正在不断的被人们发现和利用。从一种昆虫信息素被鉴定出来,到其在生产当中很好应用,尚有很多问题需要解决,所以,文中对昆虫信息化学物质田间应用效果的影响因子进行分析。     

植物源挥发物对昆虫信息素的增效作用及其增效机制

植物源挥发物和昆虫信息素是昆虫的重要信息物质,二者协同作用以调节昆虫的行为.通过增加触角电位、信息素接收神经元动作电位和脉冲频率,特异性植物源挥发物能显著增强昆虫性信息素和聚集信息素的引诱力.这种对昆虫信息素的增效作用受昆虫体内的章鱼胺及其受体介导.特异性植物源挥发物和章鱼胺受体结合,降低性信息素接收神经元对性信息素的反应阈值,增强性信息素接收神经元敏感性.这可能是植物源挥发物对昆虫信息素具有增效作用的主要机制.     

昆虫聚集信息素

昆虫聚集信息素是昆虫重要的信息化学物质之一,对昆虫的聚集行为有重要意义。近三十年来,国外鉴定了多种昆虫聚集信息素,主要成分为一些烃、醇、醛、酮、酯、酸、酸酐、胺以及腈类化合物,但其在有害生物可持续治理中的应用潜能尚未充分利用;昆虫聚集信息素的来源多样,除蛹外,多个虫态均有聚集信息素释放,有些学者甚至把一些寄主释放的挥发物作为聚集信息素的组分;同种昆虫,不同生理状态,其聚集信息素可以完全不同或同一信息化学物质的功能不同;但是,并非所有昆虫的聚集行为均为聚集信息素调节,利他素、性信息素以及报警信息素等其它信息化学物质均能导致一些昆虫的聚集。本文综述了5目17科55种昆虫的聚集信息素。     

蝗虫化学信息物质研究进展

详述了蝗虫主要化学信息物质的种类、功能及主要成分等研究进展。蝗虫化学信息物质包括种内通讯的化学信息素和种间通讯的化学信息物质。其中种内通讯的化学信息素主要有群居信息素、成熟信息素、产卵信息素(含促产卵化学信息素和群集产卵化学信息素)、性信息素、聚集信息素等;种间通讯的化学信息物质主要介绍用于防卫的化学信息物质,包括卵分泌的信息物质、特定腺体分泌的信息物质、粪便挥发的信息物质、口腔分泌物和内部毒素等,对其天敌均有一定的防卫作用。化学通讯是蝗虫种内和种间通讯联系的普遍方式。     

植食性金龟子信息化学物质的研究

金龟子信息化学物质包括性信息素、聚集信息素和植物源引诱剂。目前已鉴定出的性信息素大多集中于丽金龟科和鳃金龟科,犀金龟科只鉴定出了几种聚集信息素,有关植物源引诱剂方面的研究则集中于丽金龟科和花金龟科。本文总结了金龟子信息化学物质的化学结构特点,并评述了金龟子化学通讯中独特的手性性信息素相互拮抗作用及性信息素生物合成的研究。     

Odorant Receptors of the New Zealand Endemic Leafroller Moth Species Planotortrix octo and P. excessana

Moths use their sense of smell to find food sources, mating partners and oviposition sites. For this they possess a family of odorant receptors (ORs). Some ORs are used by both sexes whereas others have sex-specific roles. For example, male moths possess ORs specifically tuned to sex pheromones produced by conspecific females. Here we identify sets of ORs from the antennae of New Zealand endemic leafroller moths Planotortrix octo (48 ORs) and P. excessana (47 ORs) using an RNA-Seq approach. Two orthologous ORs show male-biased expression in the adult antennae of both species (OR7 and OR30) and one other OR in each species was female-biased in its expression (PoctOR25, PexcOR14) by qPCR. PAML analysis conducted on male-biased ORs indicated positive selection acting on the male-biased OR7. The fact that OR7 is likely under positive selection, that it is male-biased in its expression and that its orthologue in C. obliquana, CoblOR7, responds to sex pheromone components also utilised by Planotortrix species, suggests that this receptor may also be important in sex pheromone reception in Planotortrix species.     

Odorant receptor phylogeny confirms conserved channels for sex pheromone and host plant signals in tortricid moths

The search for mates and food is mediated by volatile chemicals. Insects sense food odorants and sex pheromones through odorant receptors (ORs) and pheromone receptors (PRs), which are expressed in olfactory sensory neurons. Molecular phylogenetics of ORs, informed by behavioral and functional data, generates sound hypotheses for the identification of semiochemicals driving olfactory behavior. Studying orthologous receptors and their ligands across taxa affords insights into the role of chemical communication in reproductive isolation and phylogenetic divergence. The female sex pheromone of green budworm moth Hedya nubiferana (Lepidoptera, Totricidae) is a blend of two unsaturated acetates, only a blend of both elicits male attraction. Females produce in addition codlemone, which is the sex pheromone of another tortricid, codling moth Cydia pomonella. Codlemone also attracts green budworm moth males. Concomitantly, green budworm and codling moth males are attracted to the host plant volatile pear ester. A congruent behavioral response to the same pheromone and plant volatile in two tortricid species suggests co‐occurrence of dedicated olfactory channels. In codling moth, one PR is tuned to both compounds, the sex pheromone codlemone and the plant volatile pear ester. Our phylogenetic analysis finds that green budworm moth expresses an orthologous PR gene. Shared ancestry, and high levels of amino acid identity and sequence similarity, in codling and green budworm moth PRs offer an explanation for parallel attraction of both species to the same compounds. A conserved olfactory channel for a sex pheromone and a host plant volatile substantiates the alliance of social and habitat signals in insect chemical communication. Field attraction assays confirm that in silico investigations of ORs afford powerful predictions for an efficient identification of behavior‐modifying semiochemicals, for an improved understanding of the mechanisms of host plant attraction in insect herbivores and for the further development of sustainable insect control.     

Sex-linked pheromone receptor genes of the European corn borer, Ostrinia nubilalis, are in tandem arrays

Background

Tuning of the olfactory system of male moths to conspecific female sex pheromones is crucial for correct species recognition; however, little is known about the genetic changes that drive speciation in this system. Moths of the genus Ostrinia are good models to elucidate this question, since significant differences in pheromone blends are observed within and among species. Odorant receptors (ORs) play a critical role in recognition of female sex pheromones; eight types of OR genes expressed in male antennae were previously reported in Ostrinia moths.

Methodology/Principal Findings

We screened an O. nubilalis bacterial artificial chromosome (BAC) library by PCR, and constructed three contigs from isolated clones containing the reported OR genes. Fluorescence in situ hybridization (FISH) analysis using these clones as probes demonstrated that the largest contig, which contained eight OR genes, was located on the Z chromosome; two others harboring two and one OR genes were found on two autosomes. Sequence determination of BAC clones revealed the Z-linked OR genes were closely related and tandemly arrayed; moreover, four of them shared 181-bp direct repeats spanning exon 7 and intron 7.

Conclusions/Significance

This is the first report of tandemly arrayed sex pheromone receptor genes in Lepidoptera. The localization of an OR gene cluster on the Z chromosome agrees with previous findings for a Z-linked locus responsible for O. nubilalis male behavioral response to sex pheromone. The 181-bp direct repeats might enhance gene duplications by unequal crossovers. An autosomal locus responsible for male response to sex pheromone in Heliothis virescens and H. subflexa was recently reported to contain at least four OR genes. Taken together, these findings support the hypothesis that generation of additional copies of OR genes can increase the potential for male moths to acquire altered specificity for pheromone components, and accordingly, facilitate differentiation of sex pheromones.