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。     

用于昆虫嗅觉行为研究的四臂嗅觉仪的设计、制作和应用

昆虫在寻找奇主植物的过程中,寄主植物的气味传递着有关取食、产卵及其它活动的可行性信息,对昆虫的行为反应起着关键的作用~[1]。因此研究昆虫的嗅觉行为不仅能够揭示害虫与寄主植物间的化学联系,而且可为害虫的防治、预测预报提供新的思路与途径。笔者在参考国外文献的基础上,自行设计、制作了用于研究棉铃虫等飞翔活动能力较强的昆虫的四臂嗅觉仪。它兼具了国外文献介绍的嗅觉仪及风洞的特点,在研究棉铃虫对其寄主植物挥发性信息物质中取得了较好的结果,现将其结构、工作原理及初步的测试效果介绍如下。l基本结构及各部分的功能1．…     

视觉和嗅觉信号对果蝇食物搜寻行为的协同作用

为了探索视觉和嗅觉信号在昆虫食物搜寻过程中的作用, 本研究利用杨梅和橘子为引诱物, 在实验室条件下测定了嗅觉和视觉信号诱集到的黑腹果蝇Drosophila melanogaster数量, 分析了嗅觉经历对果蝇嗅觉和视觉食物搜寻的影响。发现同源性嗅觉和视觉信号存在的杨梅诱集到的果蝇数量显著大于单一的视觉信号和嗅觉信号, 但异源性嗅觉和视觉信号组合诱集到的果蝇数量和单独的嗅觉信号相似。嗅觉信号预处理不仅能够显著增加嗅觉信号诱集到的果蝇数量, 其中杨梅嗅觉信号对杨梅预处理果蝇的吸引能力与视觉和嗅觉信号存在的杨梅相似, 而且异源性嗅觉和视觉信号组合诱集到的预处理果蝇数量也不低于视觉和嗅觉信号存在的杨梅。另外杨梅嗅觉信号预处理也能够显著增强杨梅视觉信号诱集到的果蝇数量。但嗅觉预处理并不会改变同源性视觉和嗅觉信号组合诱集到的果蝇数量。本研究表明, 果蝇同时利用视觉和嗅觉信号进行食物搜寻, 因此同源性视觉和嗅觉信号在果蝇诱集过程中具有协同作用。另外果蝇具有较强的记忆和学习能力, 能够将记忆中的嗅觉信号应用于食物搜寻。本研究结果不仅有利于我们了解果蝇在自然状态下的食物搜寻机制, 而且有利于开发更有效的果蝇新型诱捕器。     

韭菜迟眼蕈蚊Bradysia odoriphaga嗅觉行为反应

【目的】韭菜迟眼蕈蚊Bradysia odoriphaga Yang et Zhang是韭菜生产中最主要的害虫。通过嗅觉趋性试验测定了3龄幼虫和雌虫对多种味源植物的寄主选择性及行为反应,为进一步研发绿色高效的生态防控技术提供理论依据。【方法】利用"Y"型嗅觉仪测定幼虫对健康韭菜、灰霉菌侵染韭菜、平菇、大葱和小白菜等几种寄主植物的嗅觉趋性反应,利用四臂嗅觉仪测定雌虫对健康韭菜、机械损伤韭菜、腐殖质和浸泡大豆4种味源材料的行为反应。【结果】"Y"型嗅觉仪测定结果表明健康韭菜、平菇和大葱对3龄幼虫的引诱作用较强;四臂嗅觉仪测定结果表明韭菜迟眼蕈蚊雌虫对机械损伤韭菜和腐殖质表现出较强趋性。【结论】应用嗅觉仪观测了韭菜迟眼蕈蚊3龄幼虫、雌虫对不同味源材料在不同条件下的定向选择行为,此项工作可为韭菜迟眼蕈蚊植物源引诱剂或驱避剂的进一步研发奠定基础。     

大蒜素调控黑腹果蝇产卵偏嗜性和适合度

[目的]研究果蝇对大蒜素的产卵选择,并解析果蝇产卵避性的机制和生物学意义.[方法]应用产卵双向选择装置,检测黑腹果蝇Drosophila melanogaster雌成虫对0.01％,0.015％和0.02％大蒜素的产卵选择性;利用产卵装置,检测黑腹果蝇对大蒜素的位置效应;通过毛细管摄食法检测黑腹果蝇摄食行为;利用黑暗(...     

寄主利它素和学习行为对赤眼蜂嗅觉反应的影响

为弄清灰白蚕蛾Ocinara varians利它素以及探讨两种卵寄生蜂搜索寄主的过程中的学习记忆能力,本实验采用四臂嗅觉仪测定了松毛虫赤眼蜂Trichogramma dendrolimi和短管赤眼蜂Trichogramma pretiosum对来源于灰白蚕蛾不同部位挥发性物质的嗅觉反应,结果表明,灰白蚕蛾交配未产卵雌蛾腹末鳞片、卵表及其卵液中存在吸引两种赤眼蜂的利它素,且腹末鳞片和卵表中的利它素溶于正己烷,而灰白蚕蛾处女蛾和交配已产卵雌蛾腹末鳞片中没发现吸引两种赤眼蜂的利它素.在学习行为方面,松毛虫赤眼蜂成蜂的学习能力较强,其羽化后学习经历可明显增强其对灰白蚕蛾卵表和卵液的挥发性物质的趋性,而幼期经历对其行为没影响;短管赤眼蜂的学习能力较弱,无论是羽化后的学习经历还是幼期的学习经历对其在卵表和卵液挥发性物质的搜索行为中均无影响.     

大肠杆菌改变果蝇产卵偏嗜性

【目的】用大肠杆菌Escherichia coli和黑腹果蝇Drosophila melanogaster分别作为微生物和宿主模型,研究微生物对宿主产卵行为的影响,并探讨大肠杆菌对果蝇存活率的影响。【方法】本研究首先利用野生型果蝇在双选择食物装置分别检测果蝇对大肠杆菌发酵食物的产卵偏嗜性和位置效应;利用大肠杆菌细胞和上清液解析诱导这种行为的原因;利用视觉、味觉和嗅觉突变体果蝇检测作用的感觉系统;通过蛹和成虫存活率检验果蝇对大肠杆菌发酵食物的产卵选择后果。【结果】黑腹果蝇产卵对大肠杆菌发酵的食物具有极显著趋避行为,产卵指数为-0.89。黑腹果蝇产卵对大肠杆菌代谢产物的产卵指数为-0.52,对大肠杆菌菌体的产卵指数为0.02。Orco2突变体果蝇产卵对大肠杆菌发酵的食物趋避行为严重受损,对应的产卵指数为-0.25。大肠杆菌在食物上生长,黑腹果蝇后代的存活率不足5%,而划破食物表面可以显著地降低大肠杆菌引起的黑腹果蝇死亡,将其存活率恢复到正常水平。【结论】大肠杆菌会改变黑腹果蝇产卵行为,使黑腹果蝇避开在其发酵食物上产卵;大肠杆菌代谢产物引起黑腹果蝇产卵的趋避性,果蝇主要通过嗅觉并联合其他感觉系统感知大肠杆菌代谢产物;黑腹果蝇对大肠杆菌产卵趋避行为可提高后代存活率,因为大肠杆菌形成一层菌膜,会引起果蝇缺氧死亡。     

寄生黑腹果蝇的日本开臂反颚茧蜂生物学特性及其寄生对寄主发育及免疫反应的影响

[目的]调查寄生黑腹果蝇Drosophila melanogaster的日本开臂反颚茧蜂Asobara japonica的生物学特性,明确其寄生对寄主生长发育及免疫反应的影响.[方法]运用解剖成像和实时荧光定量PCR技术调查分析了日本开臂反颚茧蜂的各发育阶段发育历期、形态特征,以及日本开臂反颚茧蜂寄生黑腹果蝇2龄幼虫后...     

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。     

嗅觉缩短了果蝇的寿命

一项研究指出,食物的嗅觉特征也许是调节寿命的一个关键,食物的味道可能是潜在的可得到的营养信号。过去的研究显示,包括啮齿类以及灵长类的大多数动物,它们摄入的热量被严格限制时,寿命会更长。酵母是果蝇食物的主要成分。Sergiy Libert和同事让被严格限制热量的果蝇Drosophil     

Genetic variability and robustness of host odor preference in Drosophila melanogaster

Chemosensory stimuli play a crucial role for host selection in insects, including the fruit fly Drosophila melanogaster. Drosophila has been instrumental in unraveling the neurological basis of olfactory processing in insects. Basic knowledge regarding chemical ecology and thorough studies of olfactory preferences are still lacking to a great extent in D. melanogaster, however. We have characterized repeatable variation in olfactory preference between five classical D. melanogaster wild-type strains toward a large array of natural host odors and synthetic compounds. By recording the rate of attraction over up to 24 hr, we could compare stimuli varying in attractiveness and characterize phenotypic parameters on the basis of individual stimuli and the whole stimulus array. Behavioral differences between strains were predominantly due to variation in a single phenotypic parameter: their overall responsiveness toward optimal and suboptimal olfactory stimuli. These differences were not explained by variation in olfactory sensitivity, locomotory activity, or general vigor monitored by survival. Comparisons with three recently established wild-type strains indicated that a high behavioral threshold against accepting suboptimal olfactory stimuli is the characteristic phenotype of wild D. melanogaster.     

短小乳杆菌的代谢产物对黑腹果蝇产卵选择性的影响

【目的】研究黑腹果蝇Drosophila melanogaster对短小乳杆菌Lactobacillus brevis有氧与无氧代谢产物的产卵选择,并解析这些代谢产物影响果蝇产卵行为的机制和生物学意义。【方法】应用产卵双选择装置,检测成年雌果蝇产卵的选择行为;利用黑暗条件(暗盒)、嗅觉突变体和摘除前足味觉感受器的方式探究介导该行为的感觉系统;通过在不同浓度乳酸(0, 70, 280 mmol/L)的培养基上培养黑腹果蝇,探究乳酸对其后代的发育历期和存活率的影响;利用免疫荧光染色法检测乳酸对果蝇肠道上皮细胞增殖情况的影响。【结果】短小乳杆菌无氧代谢产物引起成年雌性黑腹果蝇产卵避性,产卵指数为-0.47;短小乳杆菌有氧代谢产物乳酸含量为0.4 mmol/L,无氧代谢产物乳酸含量为126.8 mmol/L;雌性果蝇对乳酸同样产生产卵避性反应,且产卵避性随乳酸浓度的增高而增强。切除前足的果蝇对乳酸的产卵避性显著降低。与对照相比, 70 mmol/L的乳酸使幼虫的成蛹时间和成虫羽化时间分别延长了1.42 d和1.17 d,存活率降低了36.0%。乳酸明显破坏肠道上皮的完整性,促进肠道上皮细胞的增殖。【结论】短小乳杆菌无氧代谢产物引起成年果蝇产卵避性。果蝇主要通过味觉感知短小乳杆菌无氧代谢产物乳酸,这引起果蝇产卵避性,从而提高后代的生长发育和幼虫的存活率。     

艾草和窃衣挥发物的提取鉴定及其对烟粉虱MED隐种成虫选择性的影响

[目的]在前期研究中,我们发现艾草Artemisia argyi和窃衣Torilis scabra都有吸引或驱避昆虫的作用.然而还未见有研究报道艾草和窃衣以及它们的挥发物对烟粉虱Bemisia tabaci MED隐种成虫的作用.本研究旨在检测能否利用艾草和窃衣及其挥发物对烟粉虱MED隐种成虫实施绿色防控.[方法]通过...     

意大利蜜蜂对两种油菜花朵气味的偏爱性

【目的】明确意大利蜜蜂Apis mellifera ligustica（简称“意蜂”）对两种油菜（甘蓝型胜利油菜 Brassica napus cv. Shengli和芥菜型马尾油菜 B. juncea cv. Mawei）的气味偏爱性及选择行为特征。【方法】本研究开展大田访花偏爱性试验、室外群体气味偏爱性试验以及室内“Y”型嗅觉仪行为反应和学习记忆试验,测定意蜂蜂群及青年采集蜂对甘蓝型胜利油菜和芥菜型马尾油菜两种油菜花朵的选择次数,并通过采集蜂训练时及训练后的喙伸反应率分析两种油菜花朵气味对采集蜂学习记忆能力的影响,最终评估意蜂蜂群及个体对这两种油茶花朵气味的选择性。【结果】大田试验12:00-13:00时间段,访问胜利油菜的意蜂数量显著高于访问马尾油菜的数量(P<0.05）。群体气味偏爱性试验14:00-15:00时间段意蜂访问胜利油菜的数量显著高于访问马尾油菜的数量（P<0.05）。行为反应试验结果显示意蜂选择胜利油菜的次数（3.86±2.83）显著高于访问马尾油菜的次数（2.28±1.87）（P<0.05）。在学习记忆试验中,随着训练次数的增加,意蜂对两种油菜花朵气味的喙伸反应率逐渐升高,相同的训练次数,意蜂对两种油菜气味的学习能力差异不显著（P>0.05）;训练结束后,随着时间的增加,意蜂对胜利油菜及马尾油菜的气味记忆逐渐下降,在24 h对胜利油菜的气味记忆明显高于对马尾油菜的气味记忆（P<0.05）。【结论】本研究证明意蜂较偏爱胜利油菜的花朵气味,花朵气味是影响其采集偏爱的重要因素,气味响应性试验可定量分析蜜蜂对花朵气味的嗅觉敏感性。     

黑腹果蝇对高盐的产卵避性反应及其生物学意义

【目的】研究黑腹果蝇Drosophila melanogaster对高盐的产卵避性,并通过高盐下后代生存率和发育历期的变化来揭示这一现象的生物学意义。【方法】应用产卵双选择装置,检测黑腹果蝇和雅库巴果蝇D. yakuba雌成虫分别对含有0. 25和1 mol/L NaCl的培养基的产卵选择性;利用产卵装置,检测黑腹果蝇对1 mol/L NaCl的位置效应;通过强迫产卵实验检测钠盐胁迫下黑腹果蝇的产卵能力;通过毛细管摄食法和观察口器延伸,检测钠盐胁迫下黑腹果蝇的摄食行为。利用黑暗条件和突变体Orco2分别探究视觉和嗅觉对高盐的产卵选择性。通过外科手术法摘除黑腹果蝇前足部分味觉感受器,并使用咸味突变体Ionotropic Receptor 76b (IR76b),研究介导该行为的感觉系统。在含有不同浓度NaCl (0,0. 25,0. 50,0. 75和1 mol/L)的培养基上培养黑腹果蝇,探究NaCl对黑腹果蝇后代的发育历期和存活率的影响。【结果】雌性黑腹果蝇产卵对高盐产生避性反应,对0. 25和1 mol/L NaCl的产卵偏嗜指数分别为-0. 45和-0. 59;雅库巴果蝇对高盐的反应与黑腹果蝇相同,对0. 25和1 mol/L NaCl的产卵偏嗜指数分别为-0. 78和-0. 99;并且两种果蝇均对0. 25和1 mol/L KCl和CaCl2产生产卵避性反应。黑腹果蝇避开含0. 25和1 mol/L NaCl培养基,位置指数分别为-0. 74和-0. 88。高盐不影响黑腹果蝇的生育能力,其对0,0. 25和1 mol/L NaCl的产卵指数分别为5. 59,6. 63和5. 41。黑腹果蝇对0. 25和1 mol/L NaCl摄食产生明显排斥反应,摄食指数分别为-0. 37和-0. 41,且随浓度增大食欲越低。同时在黑暗条件下,黑腹果蝇对0. 25和1 mol/L NaCl仍产生了显著的避性反应,产卵偏嗜指数分别为-0. 49和-0. 59,摘除前足的黑腹果蝇对0. 25 mol/L NaCl的产卵偏嗜指数为-0. 05,IR76b突变体对高盐的产卵避性反应消失,对0. 25和1 mol/L NaCl的产卵偏嗜指数分别为0. 46和0. 39。0. 25 mol/L NaCl明显延长了后代成蛹时间0. 40 d,后代幼虫存活率降低了16. 5%,而在1 mol/L NaCl上后代卵完全不能形成蛹和成虫。【结论】黑腹果蝇雌成虫通过咸味感觉器官感知高盐而产生产卵避性反应,以促进后代的生长发育和提高后代的幼虫存活率。     

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。     

石斛篓象成虫对不同来源气味的行为反应

【目的】研究不同来源气味对石斛篓象Nassophasis sp.成虫嗅觉选择行为的影响,对于发展新型石斛篓象成虫防治技术具有重要意义。【方法】应用陷阱式嗅觉测定仪测试了石斛篓象成虫对同种个体气味、蛹壳气味、成虫粪便、球花石斛Dendrobium thyrsiflorum受害植株气味的嗅觉反应。【结果】雌成虫气味对雄成虫有引诱作用,对雌成虫没有引诱作用;雄虫气味对雌、雄成虫均无引诱效果。雌、雄蛹壳气味对雌、雄成虫均有显著引诱效果。两性成虫聚集时产生的粪便对雌、雄成虫均有显著引诱作用,雌虫或者雄虫单独放置时产生的粪便对雌、雄成虫均无引诱效果。被雌虫为害的球花石斛植株茎干释放的气味仅对雌虫有引诱作用, 而受雄虫为害后的茎干产生的气味仅对雄成虫有引诱作用。【结论】本研究为进一步分离、 鉴定对该虫有引诱作用的活性物质奠定了基础。     

人工光暗条件下花绒寄甲成虫活动行为节律

【目的】花绒寄甲 Dastarcus helophoroides (Fairmaire)是林木蛀干害虫重要的天敌昆虫,研究其行为活动昼夜节律,可以深入了解该虫的生物学特性、阐明其生活习性。【方法】采用室内（温度27±1℃、相对湿度65%±10%）条件下雌雄单头隔离饲养的方法,将该虫的行为活动分为移动、取食、饮水、木块处静息和木块外静息5种行为,每隔30 min记录一次,于2014年7月10-15日连续进行观察。【结果】移动和木块处静息行为存在明显的昼夜节律;移动行为主要发生在暗期,移动高峰发生在20:30-22:30和2:00-4:00之间,而在光期的6:00-16:30之间移动行为发生较少木块处静息行为主要发生在光期的9:30-16:30和暗期的0:00-1:30之间,而在20:30-23:00 的暗期中木块处静息行为发生较少。一天内,该虫发生取食和饮水行为均较少,两类行为主要发生在0:00-14:00之间。木块外静息行为主要发生在暗期的0:30-3:30和20:00-22:00之间。雌、雄成虫的各行为出现的时间和发生百分率无显著差异。【结论】花绒寄甲成虫活动行为受到光、暗条件的显著影响,移动行为主要发生在暗期,而各活动行为在雌、雄虫之间无显著性差异。     

Vertical T-maze Choice Assay for Arthropod Response to Odorants

Given the economic importance of insects and arachnids as pests of agricultural crops, urban environments or as vectors of plant and human diseases, various technologies are being developed as control tools. A subset of these tools focuses on modifying the behavior of arthropods by attraction or repulsion. Therefore, arthropods are often the focus of behavioral investigations. Various tools have been developed to measure arthropod behavior, including wind tunnels, flight mills, servospheres, and various types of olfactometers. The purpose of these tools is to measure insect or arachnid response to visual or more often olfactory cues. The vertical T-maze oflactometer described here measures choices performed by insects in response to attractants or repellents. It is a high throughput assay device that takes advantage of the positive phototaxis (attraction to light) and negative geotaxis (tendency to walk or fly upward) exhibited by many arthropods. The olfactometer consists of a 30 cm glass tube that is divided in half with a Teflon strip forming a T-maze. Each half serves as an arm of the olfactometer enabling the test subjects to make a choice between two potential odor fields in assays involving attractants. In assays involving repellents, lack of normal response to known attractants can also be measured as a third variable.