雄性棉鈴蟲(chóng)感受性信息素的分子和神經(jīng)機(jī)制研究進(jìn)展

劉曉嵐, 尹新明, 王桂榮, 趙新成,*

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院, 鄭州 450002; 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所, 植物病蟲(chóng)害生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100193)

通常，性成熟雌性昆蟲(chóng)釋放的微量信息化合物即性信息素，作為化學(xué)信號(hào)作用于同種雄性個(gè)體，引起趨向和交配行為(Karlson and Butenandt, 1959)。蛾類(lèi)昆蟲(chóng)主要依賴(lài)于性信息素通訊引誘同種異性個(gè)體，完成雌雄識(shí)別，實(shí)現(xiàn)交配和種群繁衍。關(guān)于蛾類(lèi)性信息素的研究一直是化學(xué)生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)和重心，研究結(jié)果有助于開(kāi)發(fā)和改進(jìn)害蟲(chóng)防治的性引誘劑(Symonds and Elgar, 2008)。國(guó)內(nèi)學(xué)者曾就實(shí)夜蛾屬Heliothis和鈴夜蛾屬Helicoverpa性信息素通訊系統(tǒng)(趙新成等, 2003a)、蛾類(lèi)性信息素通訊系統(tǒng)的遺傳與進(jìn)化(趙新成和王琛柱, 2006)和昆蟲(chóng)觸角葉的結(jié)構(gòu)(趙新成等, 2015)方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。本文將對(duì)棉鈴蟲(chóng)Helicoverpaarmigera雄蟲(chóng)感受雌蟲(chóng)釋放的性信息素的分子和神經(jīng)機(jī)制的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以期為深入研究棉鈴蟲(chóng)及其他相關(guān)昆蟲(chóng)的嗅覺(jué)機(jī)理提供參考。

1 棉鈴蟲(chóng)性信息素組分及功能

1959年，首個(gè)蛾類(lèi)性信息素即家蠶Bombyxmori雌性信息素成分反-10, 順-12-十六碳雙烯醇(trans-10,cis-12-hexadecadienol,E10,Z12-16∶OH)獲得鑒定(Karlson and Butenandt, 1959)，其后，鱗翅目其他昆蟲(chóng)信息素的提取鑒定工作陸續(xù)展開(kāi)。Piccardi等(1977)首次從棉鈴蟲(chóng)雌蟲(chóng)性信息素腺體提取物中鑒定到順-11-十六碳烯醛(cis-11-hexadecenal,Z11-16∶Ald)。隨后，順-11-十六碳烯醇(cis-11-hexadecenol,Z11-16∶OH)、順-9-十六碳烯醛(cis-9-hexadecenal,Z9-16∶Ald)、十六醛(hexadecanal, 16∶Ald)和十六醇(hexadecanol, 16∶OH)等化合物在棉鈴蟲(chóng)雌蟲(chóng)性信息素腺體中獲得鑒定(Nesbittetal., 1979)。Kehat 和 Dunkelblum(1990)發(fā)現(xiàn)棉鈴蟲(chóng)雌蟲(chóng)性信息素腺體內(nèi)除上述已鑒定的成分外，還有順-7-十六碳烯醛(cis-7-hexadecenal,Z7-16∶Ald)和順-9-十四碳烯醛(cis-9-tetradecenal,Z9-14∶Ald)(Kehat and Dunkelblum, 1990)。Zhang JP等(2012)在棉鈴蟲(chóng)雌蟲(chóng)性信息素腺體內(nèi)共鑒定出10種化合物成分，其中庚醛(heptanal, 7∶Ald)、壬醛(nonanal, 9∶Ald)和十四醛(tetradecanal, 14∶Ald)為新鑒定出的組分。腺體中10種組分7∶Ald, 9∶Ald, 14∶Ald,Z9-14∶Ald, 16∶Ald,Z7-16∶Ald,Z9-16∶Ald,Z11-16∶Ald, 16∶OH和Z11-16∶OH的含量相對(duì)比例為0.56∶4.92∶0.81∶0.30∶3.77∶0.96∶1.37∶100∶1.27∶4.40(Zhang JPetal., 2012)。在不同的研究中，所有被鑒定出的化合物中，Z11-16∶Ald在信息素腺體內(nèi)的相對(duì)含量均為最高，然而，與其他組分的比例存在變異，其原因可能是在不同地理位置分布的棉鈴蟲(chóng)本身信息素腺體成分含量具有差異。電生理研究表明，9∶Ald,Z9-14∶Ald,Z7-16∶Ald,Z9-16∶Ald,Z11-16∶Ald和Z11-16∶OH均能引起棉鈴蟲(chóng)雄蟲(chóng)觸角的電生理反應(yīng)(Piccardietal., 1977; Nesbittetal., 1979; Zhang JPetal., 2012)。

室內(nèi)行為生測(cè)和田間誘捕試驗(yàn)證明，單獨(dú)使用Z11-16∶Ald就能夠引誘棉鈴蟲(chóng)雄蟲(chóng)，證明Z11-16∶Ald是棉鈴蟲(chóng)重要的性信息素成分(Piccardietal., 1977; Nesbittetal., 1979; Kehatetal., 1980; Kehat and Dunkelblum, 1990; Wuetal., 1997; Zhang JPetal., 2012)。但是，單獨(dú)的Z11-16∶Ald引誘率非常低，而加入少量Z9-16∶Ald組成混合物可顯著增加引誘活性(Kehatetal., 1980; Nesbittetal., 1980)。這說(shuō)明性信息素腺體內(nèi)次要成分Z9-16∶Ald也是棉鈴蟲(chóng)的性信息素成分。但對(duì)不同的地理種群，性信息素混合物Z11-16∶Ald與Z9-16∶Ald的誘捕效果最佳比例不同，變化范圍一般為90%～99%的Z11-16∶Ald對(duì)1%～10%的Z9-16∶Ald(Kehatetal., 1980; Wuetal., 1997; Tamhankaretal., 2003)，在我國(guó)山東棉鈴蟲(chóng)種群Z11-16∶Ald與Z9-16∶Ald的比例為97∶3時(shí)田間誘捕效果最佳(Wuetal., 1997)。然而，在性信息素混合物Z11-16∶Ald與Z9-16∶Ald中加入Z11-16∶OH或Z9-14∶Ald均顯著降低了對(duì)棉鈴蟲(chóng)雄蟲(chóng)的引誘效果(Kehat and Dunkelblum, 1990; Wuetal., 1997)，所以Z11-16∶OH和Z9-14∶Ald是抑制棉鈴蟲(chóng)引誘行為的拮抗劑。最近研究發(fā)現(xiàn)，Z11-16∶OH具有調(diào)節(jié)棉鈴蟲(chóng)最佳交配時(shí)間的作用，新羽化的棉鈴蟲(chóng)雌蟲(chóng)性腺內(nèi)含有較高比例的Z11-16∶OH，能抑制棉鈴蟲(chóng)雄蟲(chóng)與未成熟的雌蟲(chóng)交配(Changetal., 2017)。但最新研究發(fā)現(xiàn)棉鈴蟲(chóng)雌蟲(chóng)在實(shí)際交配過(guò)程中不太可能釋放出足量的Z11-16∶OH來(lái)抑制交配行為，雌蟲(chóng)釋放Z11-16∶OH在求偶交配發(fā)揮的作用還有待進(jìn)一步研究(Hughes and Cardé, 2020)。而化合物Z9-14∶Ald雖能抑制棉鈴蟲(chóng)雄蟲(chóng)對(duì)性信息素的反應(yīng)，但當(dāng)在Z11-16∶Ald與Z9-16∶Ald混合物中加入0.3%的Z9-14∶Ald時(shí)，性信息素混合物對(duì)棉鈴蟲(chóng)雄蟲(chóng)的誘捕量增加1倍(Zhang JPetal., 2012)，這說(shuō)明Z9-14∶Ald也是棉鈴蟲(chóng)的性信息素成分，但只在低劑量時(shí)具有引誘效果，而劑量較高時(shí)會(huì)表現(xiàn)出抑制效果(Wuetal., 2015)。田間誘捕試驗(yàn)證明Z7-16∶Ald對(duì)性信息素混合物誘捕效果沒(méi)有影響，但實(shí)驗(yàn)室內(nèi)行為試驗(yàn)證明在混合物中添加1%的Z7-16∶Ald可以提高交配率(Kehat and Dunkelblum, 1990)。化合物9∶Ald雖能引起棉鈴蟲(chóng)雄蟲(chóng)觸角的電生理反應(yīng)，但室內(nèi)行為生測(cè)和田間誘捕均證明9∶Ald沒(méi)有行為活性(Zhang JPetal., 2012)?；衔?6∶Ald不能引起明顯的雄蟲(chóng)觸角電生理活性(Nesbittetal., 1979)，但Wu等(1997)發(fā)現(xiàn)在混合物Z11-16∶Ald與Z9-16∶Ald加入4%～7%的16∶Ald能明顯增加田間誘捕效果。然而Kehat和Dunkelblum(1990)在風(fēng)洞試驗(yàn)和Zhang JP等(2012)在田間誘捕試驗(yàn)卻未發(fā)現(xiàn)16∶Ald有增效作用。因此，16∶Ald是否有行為引誘活性還需要開(kāi)展更多試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。性信息素腺體內(nèi)其他化合物7∶Ald, 14∶Ald和16∶OH對(duì)棉鈴蟲(chóng)雄蟲(chóng)沒(méi)有電生理活性，也沒(méi)有行為活性。

綜上所述，棉鈴蟲(chóng)雌蟲(chóng)性信息素腺體合成和釋放多種長(zhǎng)鏈、飽和或非飽和的脂肪醛和醇，其中Z11-16∶Ald為主要性信息素成分，Z9-16∶Ald和Z9-14∶Ald為次要性信息素成分，不同組分間按一定比例混合可明顯增強(qiáng)對(duì)棉鈴蟲(chóng)雄蟲(chóng)的引誘效果，而化合物Z11-16∶OH和高劑量的Z9-14∶Ald對(duì)性信息素引誘活性具有明顯的抑制效果。

煙青蟲(chóng)Helicoverpaassulta是棉鈴蟲(chóng)近緣種，其性信息素腺體成分包括16∶Ald,Z9-16∶Ald,Z11-16∶Ald, 順-9-十六碳烯醇(cis-9-hexadecenol,Z9-16∶OH),Z11-16∶OH, 十六碳酯(hexadecenyl acetate, 16∶Ac), 順-9-十六碳烯乙酸酯(cis-9-hexadecenyl acetate,Z9-16∶Ac), 順-11-十六碳烯乙酸酯(cis-11-hexadecenyl acetate,Z11-16∶Ac)和Z7-16∶Ald，其中Z9-16∶Ald和Z11-16∶Ald為煙青蟲(chóng)的性信息素，比例為93∶7時(shí)引誘效果最佳，與棉鈴蟲(chóng)性信息素的比例恰好相反(Wangetal., 2005; Zhaoetal., 2006; 董鈞鋒等, 2015)。化合物Z9-16∶OH為行為拮抗劑，抑制煙青蟲(chóng)雄蟲(chóng)對(duì)性信息素的行為反應(yīng)。除此之外，在性信息素混合物中加入Z9-14∶Ald，性信息素對(duì)煙青蟲(chóng)雄蟲(chóng)的引誘活性也被抑制。棉鈴蟲(chóng)和煙青蟲(chóng)性信息素腺體成分相似，性信息素引誘活性成分和抑制活性成分也相似，這為比較研究性信息素感受的分子機(jī)制、神經(jīng)機(jī)制以及物種形成機(jī)制提供了適宜的模型。煙青蟲(chóng)和棉鈴蟲(chóng)主要性信息素和次要性信息素比例不同；此外，煙青蟲(chóng)性信息素腺體內(nèi)含有棉鈴蟲(chóng)性腺所沒(méi)有的酯類(lèi)，并且其醇類(lèi)化合物含量也高于棉鈴蟲(chóng)，這些差異可能為近緣種之間的生殖隔離提供了保障(Lietal., 2017)。

2 棉鈴蟲(chóng)感受性信息素的分子機(jī)制

昆蟲(chóng)感受氣味化合物的過(guò)程，需要多種化學(xué)感受蛋白共同參與(圖1)。氣味分子大多為脂溶性化合物，氣味分子進(jìn)入昆蟲(chóng)嗅覺(jué)感器內(nèi)，與對(duì)應(yīng)的氣味結(jié)合蛋白(odorant binding proteins, OBPs)結(jié)合，穿過(guò)昆蟲(chóng)血淋巴到達(dá)感器內(nèi)嗅覺(jué)受體神經(jīng)元(olfactory receptor neurons, ORNs)的樹(shù)突膜，與相應(yīng)的氣味受體(odorant receptors, ORs)相互作用，從而激活嗅覺(jué)受體神經(jīng)元，產(chǎn)生膜電位，使氣味化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為神經(jīng)元電信號(hào)沿神經(jīng)元軸突傳入腦。氣味分子隨后被氣味降解酶(odorant degrading enzyme, ODE)降解(Leal, 2013)。

圖1 棉鈴蟲(chóng)的嗅覺(jué)系統(tǒng)及神經(jīng)通路

目前在棉鈴蟲(chóng)中已鑒定出3種性信息素結(jié)合蛋白(pheromone binding proteins, PBPs)，分別是HarmPBP1, HarmPBP2和HarmPBP3(表1)(Wangetal., 2004; Guoetal., 2012; Liuetal., 2012; Zhang TTetal., 2012; Zhangetal., 2015)。3種PBP主要在雄蛾觸角上表達(dá)。它們與近緣種的PBP的氨基酸序列一致性很高：HarmPBP1與煙青蟲(chóng)的PBP1(HassPBP1)和煙芽夜蛾Heliothisvirescens的PBP1(HvirPBP1)的氨基酸序列一致性分別達(dá)到75.29%和88.82%；HarmPBP2與HassPBP2和HvirPBP2的氨基酸序列一致性分別達(dá)到83.03%和96.67%；HarmPBP3與HassPBP3的氨基酸序列一致性達(dá)到97.56%。運(yùn)用熒光競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，HarmPBP1可以與Z11-16∶Ald和Z9-16∶Ald結(jié)合，與Z9-16∶Ald的結(jié)合力較強(qiáng)(Zhang TTetal., 2012; Dongetal., 2017a; Yeetal., 2017)。HarmPBP2和HarmPBP3與Z11-16∶Ald和Z9-16∶Ald的結(jié)合能力表現(xiàn)為弱或無(wú)，但HarmPBP3對(duì)低濃度的Z9-16∶Ald具有親和力。這3種PBPs與Z9-14∶Ald均不結(jié)合。進(jìn)一步利用RNA干擾技術(shù)研究PBP功能發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)對(duì)PBP1或PBP2進(jìn)行干擾對(duì)雄蛾感受Z11-16∶Ald的電生理及行為反應(yīng)無(wú)顯著影響，而PBP1與PBP2同時(shí)沉默則會(huì)導(dǎo)致雄蛾對(duì)Z11-16∶Ald感受的敏感性降低，說(shuō)明PBP1與PBP2都參與了主要性信息素組分的識(shí)別(Dongetal., 2017b)。而利用CRISPR-Cas9基因敲除技術(shù)敲除PBP1基因后，雄蛾對(duì)Z11-16∶Ald,Z9-16∶Ald,Z9-14∶Ald的電生理反應(yīng)都會(huì)顯著降低，表明了PBP1對(duì)感受雌蛾釋放的性信息素混合物有重要作用(Yeetal., 2017)。HarmPBP1的3D模型模擬以及定點(diǎn)誘變與熒光競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合試驗(yàn)證明Phe12, Trp37和Phe119是HarmPBP1結(jié)合性信息素化合物配體的關(guān)鍵殘基(Zhang TTetal., 2012; Dongetal., 2017a)。除PBP外，普通氣味結(jié)合蛋白HarmOBP7對(duì)Z11-16∶Ald和Z9-16∶Ald也有結(jié)合作用，說(shuō)明普通氣味結(jié)合蛋白也可能參與性信息素的識(shí)別(Sunetal., 2013)。

表1 棉鈴蟲(chóng)性信息素結(jié)合蛋白

通過(guò)序列分析鑒定了棉鈴蟲(chóng)7個(gè)性信息素受體，分別為HarmOR6, HarmOR11, HarmOR13, HarmOR14(或HarmOR14a)HarmOR14b, HarmOR15和HarmOR16(表2)。其中HarmOR13, HarmOR11和HarmOR16在第一次報(bào)道中分別被稱(chēng)為HarmOR1, HarmOR2和HarmOR3(Zhangetal., 2010)。爪蟾卵母細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)、鈣離子成像系統(tǒng)、CRISPR-Cas9基因敲除技術(shù)和轉(zhuǎn)基因果蠅系統(tǒng)為研究棉鈴蟲(chóng)性信息素受體的功能提供了有力工具(Liuetal., 2013; Jiangetal., 2014; Liuetal., 2014; Changetal., 2017; Wangetal., 2018)。研究發(fā)現(xiàn)，受體HarmOR13的配體是Z11-16∶Ald(Liuetal., 2013; Liuetal., 2014; Jiangetal., 2014; Changetal., 2017; Wangetal., 2018)，HarmOR14b配體為Z9-14∶Ald(Jiangetal.,2014; Changetal., 2016)，HarmOR16的配體是Z11-16∶OH和Z9-14∶Ald(Liuetal., 2013; Changetal., 2017; Wangetal., 2018)，HarmOR6的配體是Z9-16∶Ald和Z9-14∶Ald(Liuetal., 2013)，或Z9-16∶OH(Jiangetal., 2014)，最近，果蠅Or67dGAL4系統(tǒng)證明HarmOR6的配體為Z9-16∶OH和順-9-十四碳烯醇(cis-9-tetradecenol,Z9-14∶OH)(Wangetal., 2018)。不同的研究中，HarmOR6的配體化合物存在差異，可能與表達(dá)系統(tǒng)的不同和測(cè)定化合物譜的大小相關(guān)。然而，在煙青蟲(chóng)內(nèi)，HarmOR14b直系同源體HassOR14b的配體為Z9-16∶Ald。HarmOR14b與HassOR14b僅在2個(gè)氨基酸位點(diǎn)F232I和T355I具有差異，說(shuō)明氨基酸的單點(diǎn)突變可以改變受體對(duì)化合物的結(jié)合特性(Yangetal., 2017)。這也說(shuō)明了此前Jiang 等(2014)和Chang等(2016)所獲得的HassOR14b因3個(gè)氨基酸位點(diǎn)之差未能鑒定到其配體。氨基酸的點(diǎn)突變?yōu)槔斫饨壏N棉鈴蟲(chóng)和煙青蟲(chóng)的演化關(guān)系提供了新視角。在煙青蟲(chóng)中，與棉鈴蟲(chóng)直系同源的其他受體HassOR6, HassOR13和HassOR16的配體分別為Z9-16∶OH,Z11-16∶Ald和Z9-14∶Ald(Jiangetal., 2014)。目前尚未發(fā)現(xiàn)受體OR11, OR14與OR15的配體。最近研究發(fā)現(xiàn)，OR14基因突變的棉鈴蟲(chóng)成蟲(chóng)交配時(shí)間和持續(xù)時(shí)長(zhǎng)發(fā)生變化，說(shuō)明OR14參與調(diào)控棉鈴蟲(chóng)的交配行為(Caoetal., 2020)。

表2 棉鈴蟲(chóng)性信息素受體

3 棉鈴蟲(chóng)的嗅覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)

3.1 嗅覺(jué)外周神經(jīng)系統(tǒng)

昆蟲(chóng)的嗅覺(jué)器官主要是觸角，上面密布著不同類(lèi)型的感器。棉鈴蟲(chóng)觸角上主要包含6種感器類(lèi)型，分別為毛形感器、錐形感器、腔錐形感器、栓錐形感器、刺形感器及耳形感器，其中毛形感器數(shù)量最多，約占80%。毛形感器分為長(zhǎng)毛和短毛2種亞型，長(zhǎng)毛形感器長(zhǎng)約20～30 μm，與觸角表面呈50～80°，端部呈弧形或鉤狀；短毛形感器長(zhǎng)約10～20 μm，多數(shù)基部彎曲(王桂榮等, 2002; Changetal., 2016)。觸角電位圖記錄顯示棉鈴蟲(chóng)雄蟲(chóng)觸角對(duì)雌蟲(chóng)性信息素有明顯的電生理反應(yīng)(趙新成等, 2003b)。目前，通過(guò)單感器記錄(single sensillum recording, SSR)技術(shù)已鑒定出棉鈴蟲(chóng)觸角上對(duì)不同信息素成分反應(yīng)的A, B和C類(lèi)3種類(lèi)型的毛形感器(圖1)。A類(lèi)型毛形感器感受主要性信息素成分Z11-16∶Ald; B類(lèi)型毛形感器感受Z9-14∶Ald; C類(lèi)型毛形感器感受Z9-16∶Ald和Z9-14∶Ald,Z11-16∶OH和Z11-16∶Ac(Changetal., 2016)。其中，B類(lèi)型毛形感器可分為2種亞型，B1亞型能感知Z9-14∶Ald，B2亞型能感知Z9-14∶Ald和Z11-16∶OH；C類(lèi)型毛形感器可分為3種亞型，C1亞型感受Z9-14∶Ald,Z9-16∶Ald,Z11-16∶OH和Z11-16∶Ac, C2亞型感受Z9-14∶Ald,Z11-16∶OH和Z9-16∶Ald, C3亞型感受Z9-14∶Ald和Z9-16∶Ald(Xuetal., 2016)。各類(lèi)感器亞型的存在可能是物種形成過(guò)程中化學(xué)感覺(jué)適應(yīng)的一種現(xiàn)象(Xuetal., 2016)。棉鈴蟲(chóng)雄性的A類(lèi)型毛形感器數(shù)量最多，B類(lèi)型的數(shù)量次之，C類(lèi)型毛形感器數(shù)量最少；而煙青蟲(chóng)雄性的A和C類(lèi)型感器數(shù)量與棉鈴蟲(chóng)的正好相反(Wuetal., 2013, 2015; Xuetal., 2017)。棉鈴蟲(chóng)和煙青蟲(chóng)的種間雜交實(shí)驗(yàn)表明，棉鈴蟲(chóng)的A類(lèi)型與C類(lèi)型感器數(shù)量比例在雜交后代中呈顯性(Zhaoetal., 2006; Xuetal., 2017)。雙色原位雜交技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)棉鈴蟲(chóng)雄蛾觸角A, B和C類(lèi)型毛形感器內(nèi)均含有2個(gè)ORNs，A類(lèi)型毛型感器內(nèi)的2個(gè)ORNs分別表達(dá)OR11與OR13，B類(lèi)型毛型感器內(nèi)分別表達(dá)OR15和OR14b，C類(lèi)型毛型感器內(nèi)分別表達(dá)OR6和OR16(Changetal., 2016)。同時(shí)，在該項(xiàng)研究中Chang等(2016)還發(fā)現(xiàn)煙青蟲(chóng)表達(dá)OR6和OR16的2個(gè)ORNs共同位于同一個(gè)C類(lèi)型感器內(nèi)，與棉鈴蟲(chóng)的相似。然而，Yang等(2017)開(kāi)展的共定位研究發(fā)現(xiàn)C類(lèi)型毛形感器內(nèi)2個(gè)ORNs分別表達(dá)OR6和OR14b或者分別表達(dá)OR16和OR14b。表達(dá)OR6和OR16的2個(gè)ORNs總是位于不同感器中，而不在同一感器內(nèi)。類(lèi)似于受體HassOR14b功能的研究，兩項(xiàng)研究的結(jié)果不同，原因或許是作者使用的聚合酶和表達(dá)載體不同(Yangetal., 2017)。關(guān)于棉鈴蟲(chóng)和煙青蟲(chóng)受體OR6, OR16及OR14b在ORN的定位上的差異仍需要進(jìn)一步研究和驗(yàn)證。

3.2 棉鈴蟲(chóng)嗅覺(jué)中樞神經(jīng)系統(tǒng)

觸角葉(antennal lobe, AL)為昆蟲(chóng)腦內(nèi)第一個(gè)整合和處理嗅覺(jué)信息的神經(jīng)中樞，具有氣味識(shí)別、處理、整合和學(xué)習(xí)的功能(Hansson and Stensmyr, 2011)。棉鈴蟲(chóng)觸角葉呈半球狀，成對(duì)，位于中腦，食道咽喉兩側(cè)，通過(guò)觸角神經(jīng)束與外周2觸角連接。熒光染色標(biāo)記證明棉鈴蟲(chóng)觸角葉由4類(lèi)神經(jīng)元構(gòu)成，即嗅覺(jué)受體神經(jīng)元(ORN)、局域中間神經(jīng)元(local interneuron, LN)、投射神經(jīng)元(projection neuron, PN)和遠(yuǎn)心神經(jīng)元(centrifugal neuron, CN)(Zhaoetal., 2016a)。這4類(lèi)神經(jīng)元通過(guò)突觸聯(lián)系，形成許多球狀神經(jīng)纖維網(wǎng)，稱(chēng)為觸角葉神經(jīng)纖維球(Zhaoetal., 2016a)。棉鈴蟲(chóng)每個(gè)觸角葉內(nèi)約有80個(gè)神經(jīng)纖維球。纖維球形態(tài)和位置具有明顯雌雄二型性(Zhaoetal., 2016b)。棉鈴蟲(chóng)雄蟲(chóng)觸角葉具有3個(gè)特異的神經(jīng)纖維球，位于觸角神經(jīng)進(jìn)入腦的入口處，分別為云狀體(cumulus, Cu)、背中間前側(cè)纖維球(anterior dorsomedial glomerulus, DMA)和背中間后側(cè)纖維球(posterior dorsomedial glomerulus, DMP)，其體積分別為222.47×103, 45.1×103和46.54×103μm3，合稱(chēng)為擴(kuò)大型纖維球復(fù)合體(macroglomerular complex, MGC)(Zhaoetal., 2016a, 2016b)。

通過(guò)鈣離子成像技術(shù)研究表明，棉鈴蟲(chóng)神經(jīng)纖維球Cu感受性信息素Z11-16∶Ald，DMP感受Z9-16∶Ald，DMA感受Z9-14∶Ald,Z11-16∶OH和Z11-16∶Ac(Wuetal., 2013, 2015; Xuetal., 2016)。這說(shuō)明棉鈴蟲(chóng)神經(jīng)纖維球Cu和DMP參與性信息素引誘信息的接受和處理，而DMA參與性信息素拮抗劑的接受和處理。最近我們采用單感器記錄和熒光染色標(biāo)記相結(jié)合的技術(shù)成功地記錄和染色標(biāo)記了對(duì)Z11-16∶Ald反應(yīng)的受體神經(jīng)元，結(jié)果顯示其軸突末端投射到神經(jīng)纖維球Cu(馬百偉等，2020)。

神經(jīng)纖維球接受和處理的氣味化合物的信息將通過(guò)投射神經(jīng)元投射到腦的高級(jí)中樞蕈形體冠(mushroom body calyx, CA)和側(cè)角(lateral horn, LH)，產(chǎn)生行為指令調(diào)控棉鈴蟲(chóng)的行為反應(yīng)。到目前，關(guān)于棉鈴蟲(chóng)的嗅覺(jué)腦高級(jí)中樞對(duì)性信息素的反應(yīng)尚未見(jiàn)有報(bào)道。

4 小結(jié)與展望

綜上所述，目前，已在棉鈴蟲(chóng)雄蟲(chóng)觸角上明確了感受性信息素腺體活性成分的感器，鑒定了感器內(nèi)氣味結(jié)合蛋白和受體等感受性信息素的功能；在中樞神經(jīng)水平上，已利用鈣離子成像技術(shù)鑒定了接受和處理不同性信息素腺體活性成分的觸角葉神經(jīng)纖維球。這些研究成果為深入了解棉鈴蟲(chóng)對(duì)性信息素的編碼機(jī)制奠定了重要基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)之上，以下幾個(gè)方面值得深入研究。首先，一些棉鈴蟲(chóng)性信息素受體的功能和定位尚未明確，需要進(jìn)一步鑒定。其次，棉鈴蟲(chóng)性信息素單個(gè)組分活性低或無(wú)，而特定比例的性信息素組分混合物具有明顯的增效作用，其機(jī)制亟待研究。深入研究腦內(nèi)嗅覺(jué)初級(jí)中樞和高級(jí)中樞對(duì)性信息素信息的接受、處理和整合機(jī)制將有助于揭示性信息素混合物的增效機(jī)制。再者，棉鈴蟲(chóng)一個(gè)受體神經(jīng)元可以感受多種性信息素成分刺激并呈現(xiàn)出不同的反應(yīng)特征，具體體現(xiàn)在反應(yīng)的頻率、振幅和時(shí)間的持久度差異；不同亞型的毛形感器內(nèi)受體神經(jīng)元感受的氣味化合物有重疊的現(xiàn)象，這現(xiàn)象是否是一種性信息素感受的保障機(jī)制且在物種分化或生殖隔離發(fā)揮更重要的作用？這一問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。還有，棉鈴蟲(chóng)性信息素感受受到寄主植物、光周期、溫度、濕度等環(huán)境因素的影響，環(huán)境因子對(duì)棉鈴蟲(chóng)性信息素感受的影響及其分子和神經(jīng)機(jī)制也是重要的研究?jī)?nèi)容。最后，在明確棉鈴蟲(chóng)嗅覺(jué)信息處理的神經(jīng)及生理基礎(chǔ)上，以環(huán)保綠色的化學(xué)生態(tài)學(xué)手段防控害蟲(chóng)，將科研工作與實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合也是重要的研究目標(biāo)。