昆蟲感受氣味物質(zhì)的分子機(jī)制

胡基華，李 晶，張淑梅，陳靜宇，孟利強(qiáng)，姜 威，曹 旭，劉宇帥，張鵬遠(yuǎn)(.黑龍江省科學(xué)院微生物研究所，黑龍江哈爾濱5000;.黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究所，黑龍江哈爾濱5000;.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資環(huán)學(xué)院應(yīng)用生物技術(shù)，黑龍江哈爾濱5000)

在長期的進(jìn)化過程中，昆蟲嗅覺系統(tǒng)已經(jīng)成為一個(gè)高度專一、極其靈敏的化學(xué)監(jiān)測器。昆蟲依賴觸角上的嗅覺感受器鑒定和識(shí)別環(huán)境中的化學(xué)氣味分子，這些嗅感器可以敏感和特異地分辨出環(huán)境中對(duì)昆蟲自身具有重要意義的氣味，接收后傳入中樞神經(jīng)系統(tǒng)。中樞神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)所有感受器接收到的信號(hào)進(jìn)行整合，并將這些化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從而啟動(dòng)了昆蟲的專一行為反應(yīng)，如尋找食物、產(chǎn)生交配反應(yīng)、搜尋產(chǎn)卵及生殖場所等。筆者對(duì)昆蟲感受氣味物質(zhì)的分子機(jī)制進(jìn)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(nèi)部構(gòu)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(jìn)入感覺器的通道［3］，單壁嗅感器的內(nèi)腔在微孔附近常常有孔道微管(Pore tubules)，來協(xié)助氣味分子的運(yùn)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(gè)嗅感器由嗅覺神經(jīng)元(Olfactory receptor neuron)、包圍神經(jīng)元的輔助細(xì)胞及最外層的表皮組成(圖2)。神經(jīng)元的細(xì)胞體為圓形，細(xì)胞核較大，細(xì)胞質(zhì)內(nèi)線粒體呈香腸形，含量豐富。神經(jīng)元頂端逐漸變細(xì)形成“內(nèi)樹突節(jié)”(Inner dendritic segment)，并與“外樹突節(jié)”(Out dendritic segment)之間形成縊縮，外樹突節(jié)深入嗅感器的椎體或盤體內(nèi)，并在端部形成樹突分支(Dendritic branch)，外樹突節(jié)上包含受體和離子通道，是神經(jīng)元唯一能與氣味分子接觸的部分［5－6］。包圍神經(jīng)元的輔助細(xì)胞是鞘原細(xì)胞(Tormogen cell)，形成了內(nèi)感受淋巴腔和樹突鞘，鞘細(xì)胞的外層是毛原細(xì)胞(Trichogen cell)形成了外感受淋巴腔，毛原細(xì)胞的微管發(fā)達(dá)。

圖2 昆蟲嗅感器的內(nèi)部構(gòu)造

3 氣味結(jié)合蛋白

昆蟲感受到的氣味物質(zhì)大多為脂溶性的小分子化合物，這些小分子物質(zhì)通過觸角上皮細(xì)胞間的孔道擴(kuò)散到達(dá)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(dá)嗅覺神經(jīng)樹突末梢［8］。Vogt和Riddiford采用標(biāo)記性外激素的方法證實(shí)了昆蟲觸角感器淋巴液中存在1種蛋白，它可溶解并運(yùn)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(nèi)的氣味結(jié)合蛋白OBP(Odrant binding proteins)是水溶性酸性蛋白，多肽鏈全長約144個(gè)氨基酸，相對(duì)分子量較小，一般為15～17 kD，N2末端有一段20個(gè)氨基酸左右的信號(hào)肽，序列中有6個(gè)保守的半胱氨酸位點(diǎn)，具有相似的水溶性及次級(jí)結(jié)構(gòu)［10］。當(dāng)氣味分子和嗅覺結(jié)合蛋白OBP結(jié)合后，被運(yùn)送到嗅覺神經(jīng)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(fā)G-蛋白偶聯(lián)級(jí)聯(lián)反應(yīng)。受調(diào)節(jié)的G蛋白激活與第二信使連鎖的關(guān)鍵酶使腺苷酸環(huán)化酶催化5－腺苷三磷酸形成3，5-環(huán)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(xì)胞內(nèi)IP3和c-AMP濃度的升高激活了膜上的離子通道，產(chǎn)生感受器電位［11－12］。

迄今為止，關(guān)于氣味結(jié)合蛋白的分子結(jié)構(gòu)，在鱗翅目蛾類昆蟲中已鑒定了10種29個(gè)OBP。根據(jù)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(fā)現(xiàn)，玉米穗蟲(Helicoverpa zea)等3種鱗翅目雌蛾觸角中PBP的表達(dá)量也很高，與雄蛾觸角中相當(dāng)，它們與昆蟲感受性外激素有關(guān)［13］。另外2類在雌雄蛾觸角中有相同的表達(dá)，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(zhì)過程中起作用［14］。在小地老虎的研究中，利用免疫細(xì)胞化學(xué)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(dá)，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(dāng)氣味分子刺激感受器神經(jīng)膜受體后，一定存在某種機(jī)制降解剩余的氣味分子，否則昆蟲會(huì)因?yàn)檫B續(xù)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(zhì)，另一方面還可能參與普通氣味的分解作用，因?yàn)槿╊惢衔锲毡榇嬖谟谥参飺]發(fā)物中，最后氣味分子被特殊的酶(E)降解為失活狀態(tài)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的幾類在昆蟲觸角中高水平表達(dá)的酶類，即酯酶、氧化酶類和谷胱甘肽－S－轉(zhuǎn)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(dá)［16］。

5 氣味受體

氣味結(jié)合蛋白對(duì)氣味分子初步過濾和識(shí)別外，昆蟲對(duì)成千上萬種結(jié)構(gòu)各異的氣味分子的識(shí)別主要依賴于氣味受體介導(dǎo)的氣味分子與嗅覺神經(jīng)的專一性結(jié)合。經(jīng)長期的研究發(fā)現(xiàn)，氣味受體具有G-蛋白偶聯(lián)受體的特征，有7個(gè)親脂性跨膜區(qū)、1個(gè)糖基化位點(diǎn)和1個(gè)磷酸化位點(diǎn)(圖3)。

刺激分子(S)通過嗅感器表面的孔(P)和孔道進(jìn)入感器淋巴腔，氣體分子與氣味結(jié)合蛋白結(jié)合，被轉(zhuǎn)移到嗅神經(jīng)細(xì)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(nèi)第二信使串聯(lián)產(chǎn)生動(dòng)作電位(放電信號(hào))，同時(shí)改變氣味結(jié)合蛋白的性質(zhì)(B')，使氣味蛋白不再激活受體(R')。

圖3 昆蟲嗅覺化學(xué)感受機(jī)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(jīng)系統(tǒng)的綜合而使效應(yīng)器官產(chǎn)生的反應(yīng)。昆蟲行為是一個(gè)復(fù)雜、神秘而有趣的問題，是一個(gè)值得深入研究的領(lǐng)域?；瘜W(xué)聯(lián)系是昆蟲同種個(gè)體之間及與環(huán)境其他生物之間最普遍的聯(lián)系，這種聯(lián)系的范圍和內(nèi)容都是極其豐富的，起到信號(hào)作用的信息化學(xué)物質(zhì)常常是揮發(fā)性的，由昆蟲的嗅覺系統(tǒng)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(chǎn)卵等)常常需要揮發(fā)性化學(xué)信息物質(zhì)的指引，這些信息化學(xué)物質(zhì)和它們所引起的行為反應(yīng)是昆蟲對(duì)環(huán)境的一種適應(yīng)，有利于其生存或生殖成功，所以昆蟲的行為與嗅覺的關(guān)系尤為密切。昆蟲的嗅覺系統(tǒng)的構(gòu)造、生理功能以及參與化學(xué)識(shí)別的分子等，與脊椎動(dòng)物有很多相似之處。因此，研究昆蟲的嗅覺識(shí)別機(jī)理，對(duì)研究脊椎動(dòng)物和其他對(duì)昆蟲嗅覺識(shí)別機(jī)制的研究不僅可以提示生物體識(shí)別環(huán)境氣味分子的基本原理，而且還具有重要的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)意義。

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