昆蟲嗅覺離子型受體的研究進展

楊小禎，倪雪琦，黃婉婷，陳靜茹

(1.福建農林大學林學院，福建 福州 350002；2.福建農林大學植物保護學院，福建 福州 350002)

為了識別環境中各種各樣的化學信號，動物進化出了完整的嗅覺系統[1]。經過長期進化，動物的嗅覺系統已經具有高敏感性、特異性和靈活性，能夠從廣闊的環境中提取重要信息[1]。昆蟲可以將這些信息進行整合，從而對覓食、尋找配偶、寄主定位、躲避天敵和產卵等行為進行指導。然而昆蟲識別和整合環境化學信號的通路過程極其復雜，涉及到外周嗅覺系統和中樞神經系統[2]。在昆蟲觸角和上顎須等毛發狀結構中含有大量外周感受器，氣味分子可以通過感受器表面的孔結構擴散到神經元。這個過程包括2種途徑，一種是氣味分子在淋巴液中與氣味結合蛋白(odorant binding proteins, OBPs結合形成復合體，以復合體的形式激活神經元表面的氣味受體(Olfactory receptor，ORs)或者通過OBPs釋放氣味分子來激活ORs。另一途徑是氣味分子直接激活神經元表面離子型受體(IRs)，從而引起神經元反應[3]。

IRs是Richard Benton等人首次在果蠅(Drosophila)中鑒定出來的一種新的嗅覺受體，主要在與配體結合的離子通道過程中發揮作用。隨著研究的深入，IRs在其他昆蟲中也得到鑒定，包括雙翅目蚊科、鱗翅目和鞘翅目等，表明IRs在昆蟲中的高度保守性及在昆蟲嗅覺系統中的重要性[4]。本文將近幾年不同昆蟲IRs的研究進行綜述，為從嗅覺系統入手對有害昆蟲進行防治提供基礎。

1 IRs的特征

通過對果蠅IR家族進行研究，發現其是由離子型谷氨酸受體(Ionotropic glutamate receptors，iGluRs)進化而來，屬于iGluRs的一個變種亞家族[4]。與iGluRs結構相似，IRs含有一個胞外N端、配體結合域(LBD)包含由離子通道區和一個短胞漿末端分隔開的2個裂片(S1和S2)。其中IR8a和IR25a中發現一個與iGluRs一樣的氨基末端結構域(ATD)，而大多數IRs在LBD的S1結構域之前只有相對較短的N末端區域[5]。目前IRs主要分為2個亞家族：觸角IRs(antennal IRs)和發散IRs(divergent IRs)[4]。觸角IRs亞族在雙翅目和膜翅目昆蟲中相對保守，可能存在于所有昆蟲中，而發散IRs亞族表現出物種特異性，在其他物種中的同源性較低[4]。

2 不同昆蟲IRs的研究

2.1 雙翅目IRs的相關研究

果蠅IR64a作為觸角IRs中的一員，是目前大多數研究的重點。通過在果蠅IR64a的內含子中插入Minos元件，獲得的突變體的觸角中IR64a mRNA轉錄和IR64a蛋白顯著減少，從而導致腎小球DC4對酸的反應顯著減弱，表明IR64a是酸感應機制中的一部分[6]。同樣對IR64a功能喪失的果蠅突變體在進行飛行測試，發現突變體果蠅在CO2中停留時間顯著減少，證明了果蠅需要離子型酸性傳感器IR64來追蹤CO2[7]。另外，多個IRs組成復合體對外界信號作出反應，例如IR76a、IR76b和IR25a共表達形成一個嗅覺受體對苯乙胺進行反應[8]。IR64a和IR8a共表達形成復合體對酸性氣味進行反應[9]。嗅覺系統在雌性蚊子吸血過程中的識別宿主環節起到重要作用，其中包括氣味受體(ORs)和離子受體(IRs)的參與，因此針對這2種受體的研究將為揭示昆蟲對宿主識別機制提供線索[10]。在岡比亞按蚊(Anophelesgambiae)中，IRs也多作為復合體發揮作用[11]。通過測試在爪蟾卵母細胞中異源表達的受體復合物對400單一氣味的反應，發現AgIr41a、AgIr25a和AgIr76b復合物對胺或亞胺化合物有反應，包括2-甲基-2-噻唑啉和吡咯烷引[11]。而AgIr75k和AgIr8a復合物對羧酸有較強的反應，主要是庚酸、辛酸和壬酸。這些結果表明岡比亞按蚊的IRs復合體對胺和羧酸的識別起到重要調節作用[11]。保守的IR8a不僅在果蠅和岡比亞按蚊中參與酸性物質的檢測[9,11]，在埃及伊蚊(Aedesaegypti)對人類宿主氣味中的酸性物質識別也起到重要作用[12]。通過CRISPR/Cas9基因編輯技術建立的埃及伊蚊IR8a基因突變品系，對人類氣味中乳酸的識別和電生理反應明顯減弱，表明了埃及伊蚊需要IR8a來識別乳酸[12]。同樣在白紋伊蚊(Aedesalbopictus)和中華按蚊(Anophelessinensis)中，IR8a也是高度保守的[13]。白紋伊蚊中鑒定出102個假定的IRs基因(AalbIrs)[13]，中華按蚊也鑒定出35個假定的IRs基因(AsIRs)[14]。通過分析比對白紋伊蚊和中華按蚊在吸血前后IRs表達水平的變化發現，在喂血后，白紋伊蚊雌蚊觸角表達的AalbIr87a.3、AalbIr41a.2和AalbIr75d.2這3個基因的表達水平顯著下調[13]，在中華按蚊雌蚊觸角中表達的AsIR140和AsIR75k的表達水平在喂血后顯著上調[14]。這為定位白紋伊蚊和中華按蚊尋找宿主吸血和產卵的靶基因提供了基礎。

2.2 鱗翅目IRs的相關研究

明確IRs在鱗翅目昆蟲嗅覺中的作用，有助于鑒定新的揮發性寄主化合物，為信息化學在鱗翅目害蟲防治中的應用提供了新的途徑[15]。Vincent Croset等人在家蠶(Bombyxmori)中鑒定出12個IRs基因(BemorIRs)，并與黑腹果蠅的IRs進行比對，發現具有一定的同源性，同時也證明了IRs在昆蟲中的保守性[4]。 隨后在海灰翅夜蛾(Spodopteralittoralis)、蘋果蠹蛾(Cydiapomonella)、棉鈴蟲(Helicoverpaarmigera)、小地老虎(Agrotisipsilon)、斜紋夜蛾(Spodopteralitura)、煙草天蛾(Manducasexta)、甜菜夜蛾(Spodopteraexigua)等鱗翅目昆蟲中陸續鑒定出IRs基因家族，而且相互之間都具有較高的同源性[4]。利用CRISPR/Cas9系統敲除煙草天蛾IR8a，從而顯著降低對3-甲基戊酸和己酸的反應。存在3-甲基戊酸情況下其產卵數顯著增多，表明了煙草天蛾的IR8a參與識別同類煙草天蛾糞便中羧酸3-甲基戊酸和己酸的過程。該過程對煙草天蛾避糞產卵，尋找一個合適的產卵地點至關重要[15]。

2.3 其他昆蟲IRs的相關研究

與雙翅目和鱗翅目昆蟲相比，其他昆蟲嗅覺系統的分子機理研究較少。目前在赤擬谷盜(Triboliumcastaneum)、咖啡滅字虎天牛(Xylotrechusquadripes)、廣聚螢葉甲(Ophraellacommuna)、大猿葉蟲(Colaphellusbowringi)等鞘翅目昆蟲觸角中鑒定出IRs基因，并且鞘翅目昆蟲之間的IRs也具有較高的同源性[4]。在直翅目飛蝗(Locustamigratoria)和沙漠蝗(Schistocercagregaria)觸須中都檢測到IRs的存在[16]。Zhang等人利用RNAi干擾技術使飛蝗的IR8a基因沉默后發現其對醛類物質的反應明顯降低，但沒有完全消除對醛類物質的反應[16]。而ORCO和IR8a雙突變品系對己醛幾乎不反應，這證明IR8a參與飛蝗參與己醛的識別通路，但并不能完全控制其對己醛的識別[16]。

3 小結與展望

目前基于基因鑒定、構建系統發育進化樹和基因表達譜等方法，對部分昆蟲的IRs基因進行同源性分析。結果處理的大量IRs基因將為這些昆蟲嗅覺系統的分子基礎研究提供有力的資料，有助于識別潛在的重要分子靶標，并促進我們對昆蟲嗅覺機制的認識。利用RNA干擾和CRISPR/Cas9基因編輯等技術對這些基因進行進一步的功能驗證，對其在嗅覺傳導機制中的作用進行研究，為害蟲的防治提供理論依據，從而為開發新的害蟲管理方法奠定基礎。

嗅覺系統一直被認為是昆蟲從環境獲取化學信號主要手段之一，影響著昆蟲生活的方方面面[2]。近些年來，對昆蟲嗅覺系統的研究取得顯著進展，但目前昆蟲的嗅覺受體表達模式尚未描繪完全，依然存在許多問題。例如，離子受體(IRs)如何參與化學感受的分子機制，如何被激活以及許多特異性IRs在昆蟲嗅覺中的發揮什么作用等。除此之外，不少研究都表明IRs和ORs對一些氣味的反應有重疊，但是這二者之間的功能組合模式仍未描述清楚。除了嗅覺系統，昆蟲還要依靠味覺、視覺和觸覺來感受外界信息。而昆蟲以何種機制利用嗅覺、味覺、視覺和觸覺系統共同對外界環境的化學信號進行整合和處理，以此來促進對宿主和天敵檢測反應，仍有待驗證。