實蠅類昆蟲利用視覺和嗅覺定位寄主的分子基礎(chǔ)及應(yīng)用

高秉麗，王浩然，王耀輝，徐鵬輝，牛長纓

湖北省昆蟲資源利用與害蟲可持續(xù)治理重點實驗室/華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，武漢 430070

實蠅類昆蟲（雙翅目Diptera：實蠅科Tephritidae）是雙翅目昆蟲中具有重要經(jīng)濟影響的一個大的類群。據(jù)報道，在全球范圍內(nèi)已有超過1 400 多種實蠅類害蟲，嚴(yán)重為害多種果蔬［1］；實蠅將卵產(chǎn)于寄主植物內(nèi)，幼蟲孵化后蛀食為害果實、葉、花等部位，造成重大經(jīng)濟損失，如橘小實蠅Bactrocera dorsalis、地中海實蠅Ceratitis capitata、昆士蘭實蠅Bactrocera tryoni等是果蔬上的重大害蟲。隨著氣候變暖、貿(mào)易往來的頻繁及種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整，實蠅類害蟲入侵速度快，危害日趨嚴(yán)重，迫切需要建立高效、環(huán)境友好型綠色防控策略。

昆蟲的寄主選擇行為對其取食、交配和產(chǎn)卵等生命活動至關(guān)重要，成蟲定位寄主決定其食性和生態(tài)位［2］。研究發(fā)現(xiàn)，實蠅類昆蟲通過視覺和嗅覺系統(tǒng)快速識別周圍環(huán)境中的各種復(fù)雜信息并做出行為反應(yīng)，其視覺和嗅覺在定位寄主過程中發(fā)揮著重要作用［3-4］。本文綜述了實蠅類昆蟲視覺和嗅覺定位寄主的分子基礎(chǔ)及應(yīng)用，并對未來的研究方向進行了展望。

1 實蠅類昆蟲視覺定位寄主

昆蟲視覺定位寄主需要完整的視覺系統(tǒng)，包括視覺器官、前腦和神經(jīng)構(gòu)成的復(fù)雜通路［5］。復(fù)眼、單眼是昆蟲主要的視覺器官，復(fù)眼直接與前腦左右兩側(cè)突出的視葉（optic lobe）相連，負責(zé)視覺成像，單眼與前腦背側(cè)相連，負責(zé)運動識別。昆蟲復(fù)眼中的小眼通常含8 或9 個感光細胞［6］，是光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的主要場所；感光細胞接收到視覺信號，通過G 蛋白偶聯(lián)受體（G protein-coupled receptors，GPCRs）信號級聯(lián)通路將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，由感光軸突直接傳遞到腦視葉，經(jīng)過處理傳遞到中樞神經(jīng)系統(tǒng)［7-8］。昆蟲感光細胞包含大量視色素（visual pigment），又稱視紫紅質(zhì)（rhodopsin）；視紫紅質(zhì)由視蛋白（opsin）和發(fā)色團（chromophore）組成，可接收特定波長光信號，決定昆蟲視覺的感光范圍［9］。不同目的昆蟲，其視蛋白種類和數(shù)量不同［10-13］；親緣關(guān)系較近的昆蟲，由于受到棲息地、行為、形態(tài)特征等因素的影響，其視蛋白基因種類和數(shù)量會有所不同［14］；昆蟲在幼蟲和成蟲期光感受器表達的視蛋白種類、數(shù)量也會有差異［15］。

實蠅類昆蟲的視葉由視神經(jīng)節(jié)層（lamina，LA）、視髓（medulla，ME）、副視髓（accessory medulla，AME）和視小葉復(fù)合體（lobula complex，LOX）組成。橘小實蠅視葉中可以進行運動識別的神經(jīng)元有15個，每個視葉中包含12 個對視覺和嗅覺有調(diào)節(jié)作用的5-羥色胺能（5-hydroxytryptaminergic, 5-HTergic）神經(jīng)元細胞體［16-17］。實蠅類昆蟲有1 對復(fù)眼和3個單眼［18］。柑橘大實蠅成蟲的復(fù)眼是其主要的視覺器官，其復(fù)眼有3 600～4 600 個小眼，單個小眼中含有8 個感光細胞（R1-8），R7 和R8 垂直排列，R1-6 環(huán)繞R7和R8［19-21］。

實蠅視覺系統(tǒng)的解剖結(jié)構(gòu)同其他雙翅目、鱗翅目昆蟲相似，其視小葉復(fù)合體進一步被分為視小葉（lobula，LO）和視小葉板（lobula plate，LOP）［17，22］。此外，其小眼中感光細胞的數(shù)量同其他雙翅目、直翅目、蜻蜓目和鞘翅目昆蟲一樣［6］，排列形式同黑腹果蠅相近，但其感光細胞的類型尚未報道。實蠅類昆蟲有5 種視蛋白，目前NCBI 的Gene 數(shù)據(jù)庫中有52條實蠅視蛋白基因Rh1、Rh2、Rh3、Rh4、Rh6的數(shù)據(jù)，與果蠅科（Drosophilidae）、麗蠅科（Calliphoridae）、蠅科（Muscidae）等雙翅目昆蟲相比，實蠅類昆蟲缺少Rh5基因。

實蠅類昆蟲視覺定位寄主的研究以探索其對寄主顏色、形狀、大小等視覺信號的行為反應(yīng)為主，這些研究表明視覺發(fā)揮著重要作用。瓜實蠅Zeugodacus cucurbitae利用顏色和形狀等視覺信號定位寄主植物，偏好黃綠色，其視覺在尋找與利用新寄主植物過程中起到主要作用［23-24］。蘋果繞實蠅Rhagoletis pomonella雌蟲在搜尋寄主植物的過程中，主要依賴視覺，偏好紅色球體，尋找到紅色球體所用時間和距離均短于透明球體［25］。柑橘大實蠅雌、雄成蟲具有趨綠習(xí)性，且對綠色球體較為偏好；對柑橘大實蠅視蛋白基因Rh6進行RNAi 功能驗證和行為生測的結(jié)果表明Rh6是其偏好綠色柑橘的關(guān)鍵基因［26］。橘小實蠅對直徑7.5 或9.5 cm 的黃色球體比白色、綠色和紅色的球體更加敏感［27］。番茄實蠅Neoceratitis cyanescens對橙色球體具有強烈趨性［28］。也有研究表明，實蠅在不同生理狀態(tài)下，會對環(huán)境中不同的視覺信號產(chǎn)生不同的反應(yīng)［29-30］，如沙棘繞實蠅Rhagoletis batava產(chǎn)卵時期對橙色趨性最強［29］。橘小實蠅在取食和產(chǎn)卵時對不同顏色的選擇有一定差異，如黃色與綠色比較，取食時更偏向于綠色，而產(chǎn)卵時更偏向于黃色［30］。這些研究反映了實蠅視覺系統(tǒng)的復(fù)雜性和可塑性。

2 實蠅類昆蟲嗅覺定位寄主

昆蟲主要的嗅覺器官是觸角和下顎須，嗅覺器官部分體壁上皮細胞經(jīng)過演變形成毛狀結(jié)構(gòu)的嗅覺感器，感器與神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)合形成嗅覺的神經(jīng)信號傳導(dǎo)通路［31］。氣味物質(zhì)通過昆蟲嗅覺感器的多孔角質(zhì)層進入感器淋巴液，與氣味結(jié)合蛋白（odorant binding proteins，OBPs）和化學(xué)感受蛋白（chemosensory proteins，CSPs）等水溶性分子相互作用，最終被運輸?shù)叫嵊X感覺神經(jīng)元，通過激活嗅覺受體（odorant receptors，ORs）、離子型受體（ionotropic receptors，IRs）、嗅覺受體共受體（odorant receptor co-receptor，Orco）和感受二氧化碳的味覺受體（gustatory receptors，GRs），將化學(xué)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘杺鬟f到觸角葉，隨后向更高級神經(jīng)中樞傳遞，從而調(diào)控昆蟲的嗅覺行為［8，32-33］。

實蠅的嗅覺行為和嗅覺系統(tǒng)的感器形態(tài)等方面研究較多，但嗅覺神經(jīng)系統(tǒng)以及嗅覺信號傳遞通路相關(guān)研究較為缺乏。實蠅的嗅覺感器和果蠅類似，觸角和下顎須上有毛形感器、錐形感器、腔錐形感器等多種嗅覺感器，其中毛形感器分布數(shù)量最多，從觸角柄節(jié)到鞭節(jié)上均有分布，錐形感器通常集中分布于觸角鞭節(jié)和下顎須，腔錐形感器主要在觸角鞭節(jié)表面分布［34-36］。實蠅的嗅覺共受體基因以及大約一半的嗅覺受體基因和果蠅科昆蟲直系同源，且親緣關(guān)系相近的實蠅對同一氣味物質(zhì)的觸角電位（electroantennogram，EAG）的絕對響應(yīng)振幅相似；不同實蠅的EAG 響應(yīng)振幅會受到感覺器官上的感器類型、分布、密度的影響，親緣關(guān)系遠的實蠅其EAG 響應(yīng)差異較大［34，37］。此外，實蠅類昆蟲的嗅覺會受到性成熟和衰老等生理狀態(tài)的影響，隨成蟲日齡增長而變化。昆士蘭實蠅雌蟲對番石榴汁氣味的搜尋活動會隨年齡的增長而下降，活動能力的降低使其對氣味物質(zhì)的反應(yīng)持續(xù)減弱；而雄蟲的嗅覺反應(yīng)在羽化后12周內(nèi)無明顯變化，第15周時顯著降低［38］。

目前實蠅類昆蟲嗅覺定位寄主的研究主要集中在寄主植物揮發(fā)物篩選和嗅覺相關(guān)蛋白的鑒定等方面。寄主植物揮發(fā)物會影響實蠅類昆蟲的產(chǎn)卵行為，以及其觸角和下顎須電位（electropalpogram，EPG）響應(yīng)。不同寄主植物的氣味對橘小實蠅、地中海實蠅和瓜實蠅產(chǎn)卵定位有顯著影響，橘小實蠅偏好在有橙汁的收卵裝置處產(chǎn)卵，地中海實蠅偏好在水和咖啡處產(chǎn)卵，瓜實蠅偏好在南瓜汁處產(chǎn)卵［39］。柑橘大實蠅雌蟲在產(chǎn)卵過程中對柑橘果皮揮發(fā)物壬醛（nonanal）、檸檬醛（citral）、D-檸檬烯（D-limonene）和芳樟醇（linalool）具有強烈趨性，而對柑橘果皮揮發(fā)物糠醇（furfuryl alcohol）和愈創(chuàng)木酚（guaiastil）有驅(qū)避作用［40］。此外，具條實蠅Zeugodacus scutellata對寄主植物揮發(fā)物3-辛酮（3-octanone）的EAG 響應(yīng)顯著高于誘蠅酮（cue lure）、覆盆子酮（raspberry ketone）和姜酮（zingerone）；EPG 響應(yīng)則相反，對誘蠅酮、覆盆子酮和姜酮的響應(yīng)顯著高于3-辛酮［34］。目前，實蠅類昆蟲的嗅覺相關(guān)蛋白研究還處于初步鑒定階段，其分子機制有待深入研究。柑橘大實蠅氣味結(jié)合蛋白OBP9 可以和11 種柑橘揮發(fā)物進行結(jié)合［41］，化學(xué)感受蛋白基因CSP和氣味結(jié)合蛋白基因OBP21參與調(diào)控柑橘大實蠅感受柑橘寄主揮發(fā)物D-檸檬烯［42］。柑橘大實蠅氣味受體OR24 在雌、雄成蟲觸角中高表達，當(dāng)與嗅覺受體共受體Orco 在非洲爪蟾卵母細胞中共表達時，細胞對芳樟醇反應(yīng)強烈［43］。橘小實蠅Orco、OBP2、OR88a參與調(diào)控性成熟雄蟲對植物源誘劑甲基丁香酚（methyl eugenol，ME）的感知過程［44-46］。OR82a和OR13a分別參與調(diào)節(jié)橘小實蠅雌蟲對植物揮發(fā)物乙酸香葉酯（geranyl acetate）和1-辛烯-3-醇的識別，促進其交配后定位產(chǎn)卵寄主［47］。這些研究表明，實蠅在寄主定位過程中，嗅覺發(fā)揮重要作用，且觸角和下顎須上的嗅覺相關(guān)蛋白感受不同寄主揮發(fā)物時具有特異性，反映了實蠅類昆蟲在復(fù)雜的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中與寄主植物互作的適應(yīng)性。

3 基于實蠅視覺、嗅覺定位寄主的應(yīng)用

植食性昆蟲整個生命周期的完成離不開寄主，不同種昆蟲有相對固定的寄主植物譜，因此其對寄主植物的準(zhǔn)確定位尤為重要。植食性昆蟲具有視覺和嗅覺等多種感受機制，可以將植物產(chǎn)生的化學(xué)信號（氣味物質(zhì)）、物理信號（顏色、形狀和質(zhì)地）等轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柡髠鬟f到中樞神經(jīng)系統(tǒng)進行整合，最終實現(xiàn)對寄主植物的定位［48］。

實蠅類昆蟲主要利用視覺和嗅覺發(fā)現(xiàn)、識別、定位寄主植物［23-26］。實蠅被植物釋放的脂肪醛、醇類、酯類、烯類化合物、蟲果中微生物發(fā)酵產(chǎn)生的揮發(fā)物以及寄主植物特異性揮發(fā)物而吸引。對于偏好在果實上產(chǎn)卵的實蠅，當(dāng)其接近寄主時，會根據(jù)果實的形狀、大小和顏色來識別和接近單個果實；對于偏好在未成熟果實上產(chǎn)卵的實蠅，由于果實和葉片顏色相近，果實產(chǎn)生的化學(xué)信號和物理信號會幫助實蠅在葉片間尋找靶標(biāo)寄主。為此，可模擬相關(guān)視覺、嗅覺以及味覺信號對實蠅進行誘殺。

視覺信號的應(yīng)用，是利用實蠅對寄主植物特定物理性狀的趨性，設(shè)計誘捕裝置。比如，實蠅對誘捕裝置的顏色、大小偏好不同。以黃色為主反射光波的誘捕裝置對橘小實蠅、櫻桃繞實蠅Rhagoletis cerasi和西部櫻桃繞實蠅Rhagoletis indifferens等多種實蠅具有良好的誘捕效果，紅色球形誘捕器對蘋果繞實蠅誘捕效果十分顯著［49-52］。不同性別或不同羽化日齡的同種實蠅對顏色的偏好也可能存在差異。黃色和橙色誘蠅球誘捕到的橄欖實蠅Bactrocera oleae雄蟲最多，紅色和黑色誘蠅球誘捕到的雌蟲最多，白色和藍色誘蠅球誘捕效果最差［53］。羽化5～7日齡的南亞實蠅Zeugodacus tau偏好黃色（595 nm），羽化30～32 日齡的南亞實蠅偏好黃綠色（568 nm），反射光譜在515～604 nm 范圍的粘蟲板可以有效誘捕南亞實蠅［54］。

嗅覺信號的應(yīng)用，則是針對實蠅對寄主植物特殊揮發(fā)物或人工合成類似物的偏好性研發(fā)誘劑。例如，單一組分或復(fù)配組分誘劑對實蠅均有一定引誘效果：白柿揮發(fā)物對墨西哥按實蠅Anastrepha ludens有很好的田間誘捕效果［55］；甲基丁香酚、誘蠅酮和覆盆子酮在監(jiān)測實蠅發(fā)生動態(tài)和滅雄（male annihilation technique，MAT）過程中非常有效［56］；使用含乙酸銨（ammonium acetate）和腐胺（putrescine）的人工合成誘餌可誘捕多種實蠅［57］。

將實蠅類昆蟲的視覺和嗅覺引誘信號結(jié)合使用，會增強誘捕效果。含有玉米蛋白水解物和玉米漿的黃色粘蟲板誘殺的西部櫻桃實蠅數(shù)量是用單面黃色粘蟲板的3 倍［58］；在誘捕地中海實蠅過程中，地中海實蠅雄性引誘劑（trimedlure，TML）結(jié)合黃色誘捕裝置比結(jié)合配有藍色蓋子的透明桶型誘捕裝置的效果好［59］；蛋白誘劑（NuLure）和誘捕裝置（Ladd trap）結(jié)合使用，誘捕到的橘小實蠅數(shù)量是單一使用Ladd trap 誘捕裝置的2 倍［60］；將甲基丁香酚同黃色誘捕器結(jié)合使用，對橘小實蠅雄蟲的誘捕效果優(yōu)于紅色、綠色和透明誘捕器［61］。有證據(jù)表明，綠色誘蠅球誘捕到的柑橘大實蠅數(shù)量比糖醋酒液、蛋白餌劑、2 組分固體緩釋劑（含有乙酸銨和腐胺）、3 組分固體緩釋制劑（含有乙酸銨、腐胺和三甲胺）的引誘數(shù)量多［62］。若將柑橘大實蠅視覺和嗅覺信號結(jié)合利用，可能會進一步提高柑橘大實蠅誘蠅球的誘捕效果。綜上，在自然條件下，綜合考慮昆蟲視覺和嗅覺在定位寄主過程中的作用，將視覺信號和嗅覺信號聯(lián)合運用，有助于研制出引誘效果更好的誘捕裝置，能更安全高效地防治害蟲。

4 展 望

動物的視覺和嗅覺，是近年來發(fā)育生物學(xué)、分子生物學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)以及生理學(xué)等學(xué)科的研究熱點。近年來組學(xué)和生物信息學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，為深入探索昆蟲視蛋白和嗅覺相關(guān)蛋白的功能及調(diào)控網(wǎng)絡(luò)提供了分子基礎(chǔ)。

前人研究表明，實蠅視覺和嗅覺在定位寄主植物過程中具有重要作用［23，25，47］，但二者發(fā)揮作用的調(diào)控機制尚不清楚。實蠅類昆蟲如何將感（受）器獲得的視覺或嗅覺信號通過神經(jīng)傳遞到中樞神經(jīng)系統(tǒng)，是未來該領(lǐng)域研究的一個重要方向。目前，昆蟲視覺信號在前腦的整合編碼受到廣泛關(guān)注，但昆蟲視覺研究現(xiàn)主要集中于復(fù)眼結(jié)構(gòu)和光轉(zhuǎn)導(dǎo)方面，對視覺定位的生理學(xué)、神經(jīng)回路的研究有限。實蠅類昆蟲視蛋白在識別寄主顏色、形狀等視覺信號過程中的作用雖已有初步研究，但對于實蠅視紫紅質(zhì)感光的波長范圍、視蛋白結(jié)構(gòu)和小眼類型等方面還需進一步探索。未來可通過異源表達系統(tǒng)，純化實蠅類昆蟲的視紫紅質(zhì)，揭示視蛋白的分子水平變異如何導(dǎo)致實蠅間的光譜敏感差異；通過視網(wǎng)膜電位（electroretinogram，ERG）檢測實蠅不同小眼的敏感光譜。同時，實蠅類昆蟲如何通過視覺中光-電信號轉(zhuǎn)導(dǎo)以及神經(jīng)系統(tǒng)中信號傳遞將視覺信號與定位寄主的行為聯(lián)系起來，也需進一步研究。相較視覺，實蠅類昆蟲嗅覺定位寄主的分子機制研究較多，已鑒定出大量識別寄主揮發(fā)物中特殊物質(zhì)的嗅覺相關(guān)蛋白。昆蟲嗅覺相關(guān)基因家族通過基因復(fù)制和分化而演變，不同實蠅類昆蟲的嗅覺受體基因存在差異，可以通過受體結(jié)構(gòu)研究實蠅嗅覺的進化與起源，通過嗅覺相關(guān)基因家族分析實蠅嗅覺與食性的關(guān)系，進一步揭示嗅覺在實蠅定位寄主過程中的作用。自然界中的揮發(fā)物通常以混合物形式存在，且動物對物質(zhì)的感知并不總由含量最高的揮發(fā)物主導(dǎo)［63］，對實蠅類昆蟲嗅覺的深入研究可利用液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜分析其寄主揮發(fā)物的組成，借助氣相色譜-觸角電位聯(lián)用技術(shù)、EAG 和EPG 等電生理技術(shù)尋找能特異且強烈激活嗅覺受體的化合物。同時，需要利用雙光子鈣成像、基因標(biāo)記和微電極記錄等技術(shù)，對實蠅類昆蟲中腦神經(jīng)元對不同氣味物質(zhì)的響應(yīng)進行記錄，鑒定相關(guān)行為所對應(yīng)的神經(jīng)元，進一步闡明實蠅類昆蟲嗅覺定位寄主的神經(jīng)傳導(dǎo)機制。另外，昆蟲不同的視覺神經(jīng)元在腦部神經(jīng)髓的相互作用較為復(fù)雜，嗅覺神經(jīng)元的相互作用可能也不僅發(fā)生在觸角葉，昆蟲神經(jīng)中樞對多感官信息的處理方面研究較為薄弱，未來可對實蠅神經(jīng)中樞對視覺信號和嗅覺信號的整合編碼和協(xié)同調(diào)控進行研究。

目前，實蠅誘捕器、引誘劑已能商業(yè)化生產(chǎn)，但誘捕裝置的實際誘殺效果參差不齊，導(dǎo)致野外防治靶標(biāo)性較弱，主要由于：（1）實蠅類昆蟲特定的光敏感波譜研究不夠明確；（2）實蠅對寄主大小、形狀的識別機制研究不夠深入；（3）不同植物源引誘劑對專食性、多食性實蠅的作用機制尚不清楚；（4）實蠅是否具有學(xué)習(xí)行為不得而知。針對昆蟲視覺和嗅覺研發(fā)的誘殺技術(shù)，其目標(biāo)是利用實蠅類昆蟲對寄主關(guān)鍵信號所產(chǎn)生的行為反應(yīng)來達到高效專一的誘殺效果。若進一步從寄主植物本身出發(fā)，阻斷昆蟲關(guān)鍵定位信息，可能會顯著提高防治效果。因此，未來應(yīng)結(jié)合實蠅類昆蟲敏感波長、寄主形狀、大小、不同寄主植物揮發(fā)性氣味等多角度，改進和完善實蠅誘捕裝置。同時，隨著分子技術(shù)的不斷進步，昆蟲基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組等組學(xué)數(shù)據(jù)的不斷豐富，可利用RNAi 和CRISPR/Cas9 等技術(shù)，在深入理解昆蟲視覺定位和嗅覺定位寄主機制的基礎(chǔ)上，結(jié)合新型納米核酸農(nóng)藥技術(shù)，干擾或阻斷實蠅定位寄主植物，從而進行有效防治。

在植食性昆蟲與寄主植物長期進化過程中，昆蟲定位寄主是極其精細和復(fù)雜的過程，除視覺、嗅覺以外，味覺、觸覺、昆蟲自身的學(xué)習(xí)行為、體內(nèi)微生物、表觀遺傳等是否也會影響寄主定位，有待深入研究。綜合考慮，從基因到蛋白，從神經(jīng)元到整個神經(jīng)回路層面來闡明實蠅類昆蟲定位寄主植物的機制具有重要意義，這些新的認知將為推動實蠅類害蟲的綠色防控提供理論依據(jù)。