昆蟲感受氣味物質的分子機制

胡基華，李 晶，張淑梅，陳靜宇，孟利強，姜 威，曹 旭，劉宇帥，張鵬遠(.黑龍江省科學院微生物研究所，黑龍江哈爾濱5000;.黑龍江省科學院高技術研究所，黑龍江哈爾濱5000;.東北農業大學資環學院應用生物技術，黑龍江哈爾濱5000)

在長期的進化過程中，昆蟲嗅覺系統已經成為一個高度專一、極其靈敏的化學監測器。昆蟲依賴觸角上的嗅覺感受器鑒定和識別環境中的化學氣味分子，這些嗅感器可以敏感和特異地分辨出環境中對昆蟲自身具有重要意義的氣味，接收后傳入中樞神經系統。中樞神經系統對所有感受器接收到的信號進行整合，并將這些化學信號轉化為電信號，從而啟動了昆蟲的專一行為反應，如尋找食物、產生交配反應、搜尋產卵及生殖場所等。筆者對昆蟲感受氣味物質的分子機制進行了探討。

1 觸角嗅感器類型分布

昆蟲的觸角表面具有很多不同類型的感受器，感受器是表皮特化而形成的，是昆蟲感受外界信息的最小功能單位(圖1)。昆蟲感受器按外部形狀分為以下類型:①毛形感器(Sensillat richodea);②椎形感器(Sensilla basiconica);③刺形感器(Sensilla chaetica);④腔錐形感器(Sensilla coeloconica);⑤栓錐形感器(Sensilla styloconica);⑥Bobhm氏鬃毛(Bobhm bristles);⑦鱗形感器(Sensilla squamiformia);⑧耳形感器(Sensilla auricillica);⑨鐘形感器(Sensilla campaniformia);⑩板形感器(Sensilla placodea);?瓶形感器(Sensilla ampullacea);?劍梢感器(Sensilla scolopadia)［1］。

2 昆蟲嗅感器的內部構造

嗅覺感受器是壁孔感受器，即感受器的壁上具有微孔(Pore)，是外界氣味分子進入感覺器的通道［3］，單壁嗅感器的內腔在微孔附近常常有孔道微管(Pore tubules)，來協助氣味分子的運輸［4］。

圖1 東北大黑鰓金龜(Holotrichia oblita Faldermann)觸角感器掃描電鏡下各種類型的感器在鰓片上的分布

每個嗅感器由嗅覺神經元(Olfactory receptor neuron)、包圍神經元的輔助細胞及最外層的表皮組成(圖2)。神經元的細胞體為圓形，細胞核較大，細胞質內線粒體呈香腸形，含量豐富。神經元頂端逐漸變細形成“內樹突節”(Inner dendritic segment)，并與“外樹突節”(Out dendritic segment)之間形成縊縮，外樹突節深入嗅感器的椎體或盤體內，并在端部形成樹突分支(Dendritic branch)，外樹突節上包含受體和離子通道，是神經元唯一能與氣味分子接觸的部分［5－6］。包圍神經元的輔助細胞是鞘原細胞(Tormogen cell)，形成了內感受淋巴腔和樹突鞘，鞘細胞的外層是毛原細胞(Trichogen cell)形成了外感受淋巴腔，毛原細胞的微管發達。

圖2 昆蟲嗅感器的內部構造

3 氣味結合蛋白

昆蟲感受到的氣味物質大多為脂溶性的小分子化合物，這些小分子物質通過觸角上皮細胞間的孔道擴散到達觸角感器淋巴液，而觸角感器是親水性的液體，外界親脂性分子不能直接穿過這些親水性的液體到達嗅覺神經樹突末梢［8］。Vogt和Riddiford采用標記性外激素的方法證實了昆蟲觸角感器淋巴液中存在1種蛋白，它可溶解并運輸脂溶性的性外激素穿過親水性的淋巴液，并將這種蛋白命名為性外激素PBP(Pheromone binding protein，PBP)［9］。昆蟲觸角內的氣味結合蛋白OBP(Odrant binding proteins)是水溶性酸性蛋白，多肽鏈全長約144個氨基酸，相對分子量較小，一般為15～17 kD，N2末端有一段20個氨基酸左右的信號肽，序列中有6個保守的半胱氨酸位點，具有相似的水溶性及次級結構［10］。當氣味分子和嗅覺結合蛋白OBP結合后，被運送到嗅覺神經元樹突膜上的跨膜受體蛋白上，氣味分子與氣味受體作用后，激發G-蛋白偶聯級聯反應。受調節的G蛋白激活與第二信使連鎖的關鍵酶使腺苷酸環化酶催化5－腺苷三磷酸形成3，5-環化腺苷酸(c-AMP)，也可使磷脂酶C(PLC)水解膜上的磷脂酰肌醇，釋放1，4，5-三磷酸肌醇(IP3)和二酰甘油(DAG)。細胞內IP3和c-AMP濃度的升高激活了膜上的離子通道，產生感受器電位［11－12］。

迄今為止，關于氣味結合蛋白的分子結構，在鱗翅目蛾類昆蟲中已鑒定了10種29個OBP。根據它們的氨基酸序列同源性，可分為3類:第一類為PBP，主要存在于雄蛾觸角中。研究發現，玉米穗蟲(Helicoverpa zea)等3種鱗翅目雌蛾觸角中PBP的表達量也很高，與雄蛾觸角中相當，它們與昆蟲感受性外激素有關［13］。另外2類在雌雄蛾觸角中有相同的表達，它們都屬于GOBP，并分別稱為GOBP1和GOBP2，其在昆蟲感受普通氣味物質過程中起作用［14］。在小地老虎的研究中，利用免疫細胞化學方法，克隆的AipsPBP1－3蛋白在雄蛾的毛狀感受器的淋巴液中高表達，其中AipsPBP1與信息素Z7－12和Z9－14有很高的親和力［15］。

4 氣味降解酶

當氣味分子刺激感受器神經膜受體后，一定存在某種機制降解剩余的氣味分子，否則昆蟲會因為連續刺激而死亡。這種酶起著雙重作用，一方面主要分解性外激素中的醛類物質，另一方面還可能參與普通氣味的分解作用，因為醛類化合物普遍存在于植物揮發物中，最后氣味分子被特殊的酶(E)降解為失活狀態。已經發現的幾類在昆蟲觸角中高水平表達的酶類，即酯酶、氧化酶類和谷胱甘肽－S－轉移酶。這種酯酶能夠降解多聲大蠶蛾性外激素中的乙酸酯組分，并且在雄蛾觸角中特異性表達［16］。

5 氣味受體

氣味結合蛋白對氣味分子初步過濾和識別外，昆蟲對成千上萬種結構各異的氣味分子的識別主要依賴于氣味受體介導的氣味分子與嗅覺神經的專一性結合。經長期的研究發現，氣味受體具有G-蛋白偶聯受體的特征，有7個親脂性跨膜區、1個糖基化位點和1個磷酸化位點(圖3)。

刺激分子(S)通過嗅感器表面的孔(P)和孔道進入感器淋巴腔，氣體分子與氣味結合蛋白結合，被轉移到嗅神經細胞樹突膜上的受體分子上。高度特異性的受體被激活，引致胞內第二信使串聯產生動作電位(放電信號)，同時改變氣味結合蛋白的性質(B')，使氣味蛋白不再激活受體(R')。

圖3 昆蟲嗅覺化學感受機制示意［17］

6 展望

行為是昆蟲的感受器官接收刺激后通過神經系統的綜合而使效應器官產生的反應。昆蟲行為是一個復雜、神秘而有趣的問題，是一個值得深入研究的領域。化學聯系是昆蟲同種個體之間及與環境其他生物之間最普遍的聯系，這種聯系的范圍和內容都是極其豐富的，起到信號作用的信息化學物質常常是揮發性的，由昆蟲的嗅覺系統感受。昆蟲生命中一些重要的行為(如寄主定位、尋找配偶、聚集及產卵等)常常需要揮發性化學信息物質的指引，這些信息化學物質和它們所引起的行為反應是昆蟲對環境的一種適應，有利于其生存或生殖成功，所以昆蟲的行為與嗅覺的關系尤為密切。昆蟲的嗅覺系統的構造、生理功能以及參與化學識別的分子等，與脊椎動物有很多相似之處。因此，研究昆蟲的嗅覺識別機理，對研究脊椎動物和其他對昆蟲嗅覺識別機制的研究不僅可以提示生物體識別環境氣味分子的基本原理，而且還具有重要的生態和經濟意義。

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