昆蟲嗅覺離子型受體的研究進(jìn)展

楊小禎，倪雪琦，黃婉婷，陳靜茹

(1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002；2.福建農(nóng)林大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，福建 福州 350002)

為了識別環(huán)境中各種各樣的化學(xué)信號，動物進(jìn)化出了完整的嗅覺系統(tǒng)[1]。經(jīng)過長期進(jìn)化，動物的嗅覺系統(tǒng)已經(jīng)具有高敏感性、特異性和靈活性，能夠從廣闊的環(huán)境中提取重要信息[1]。昆蟲可以將這些信息進(jìn)行整合，從而對覓食、尋找配偶、寄主定位、躲避天敵和產(chǎn)卵等行為進(jìn)行指導(dǎo)。然而昆蟲識別和整合環(huán)境化學(xué)信號的通路過程極其復(fù)雜，涉及到外周嗅覺系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)[2]。在昆蟲觸角和上顎須等毛發(fā)狀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)擴(kuò)散到神經(jīng)元。這個(gè)過程包括2種途徑，一種是氣味分子在淋巴液中與氣味結(jié)合蛋白(odorant binding proteins, OBPs結(jié)合形成復(fù)合體，以復(fù)合體的形式激活神經(jīng)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(jīng)元表面離子型受體(IRs)，從而引起神經(jīng)元反應(yīng)[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(jié)合的離子通道過程中發(fā)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(tǒng)中的重要性[4]。本文將近幾年不同昆蟲IRs的研究進(jìn)行綜述，為從嗅覺系統(tǒng)入手對有害昆蟲進(jìn)行防治提供基礎(chǔ)。

1 IRs的特征

通過對果蠅IR家族進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其是由離子型谷氨酸受體(Ionotropic glutamate receptors，iGluRs)進(jìn)化而來，屬于iGluRs的一個(gè)變種亞家族[4]。與iGluRs結(jié)構(gòu)相似，IRs含有一個(gè)胞外N端、配體結(jié)合域(LBD)包含由離子通道區(qū)和一個(gè)短胞漿末端分隔開的2個(gè)裂片(S1和S2)。其中IR8a和IR25a中發(fā)現(xiàn)一個(gè)與iGluRs一樣的氨基末端結(jié)構(gòu)域(ATD)，而大多數(shù)IRs在LBD的S1結(jié)構(gòu)域之前只有相對較短的N末端區(qū)域[5]。目前IRs主要分為2個(gè)亞家族：觸角IRs(antennal IRs)和發(fā)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(fā)散IRs亞族表現(xiàn)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(guān)研究

果蠅IR64a作為觸角IRs中的一員，是目前大多數(shù)研究的重點(diǎn)。通過在果蠅IR64a的內(nèi)含子中插入Minos元件，獲得的突變體的觸角中IR64a mRNA轉(zhuǎn)錄和IR64a蛋白顯著減少，從而導(dǎo)致腎小球DC4對酸的反應(yīng)顯著減弱，表明IR64a是酸感應(yīng)機(jī)制中的一部分[6]。同樣對IR64a功能喪失的果蠅突變體在進(jìn)行飛行測試，發(fā)現(xiàn)突變體果蠅在CO2中停留時(shí)間顯著減少，證明了果蠅需要離子型酸性傳感器IR64來追蹤C(jī)O2[7]。另外，多個(gè)IRs組成復(fù)合體對外界信號作出反應(yīng)，例如IR76a、IR76b和IR25a共表達(dá)形成一個(gè)嗅覺受體對苯乙胺進(jìn)行反應(yīng)[8]。IR64a和IR8a共表達(dá)形成復(fù)合體對酸性氣味進(jìn)行反應(yīng)[9]。嗅覺系統(tǒng)在雌性蚊子吸血過程中的識別宿主環(huán)節(jié)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(jī)制提供線索[10]。在岡比亞按蚊(Anophelesgambiae)中，IRs也多作為復(fù)合體發(fā)揮作用[11]。通過測試在爪蟾卵母細(xì)胞中異源表達(dá)的受體復(fù)合物對400單一氣味的反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)AgIr41a、AgIr25a和AgIr76b復(fù)合物對胺或亞胺化合物有反應(yīng)，包括2-甲基-2-噻唑啉和吡咯烷引[11]。而AgIr75k和AgIr8a復(fù)合物對羧酸有較強(qiáng)的反應(yīng)，主要是庚酸、辛酸和壬酸。這些結(jié)果表明岡比亞按蚊的IRs復(fù)合體對胺和羧酸的識別起到重要調(diào)節(jié)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(zhì)的檢測[9,11]，在埃及伊蚊(Aedesaegypti)對人類宿主氣味中的酸性物質(zhì)識別也起到重要作用[12]。通過CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)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(yīng)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(gè)假定的IRs基因(AalbIrs)[13]，中華按蚊也鑒定出35個(gè)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(dá)水平的變化發(fā)現(xiàn)，在喂血后，白紋伊蚊雌蚊觸角表達(dá)的AalbIr87a.3、AalbIr41a.2和AalbIr75d.2這3個(gè)基因的表達(dá)水平顯著下調(diào)[13]，在中華按蚊雌蚊觸角中表達(dá)的AsIR140和AsIR75k的表達(dá)水平在喂血后顯著上調(diào)[14]。這為定位白紋伊蚊和中華按蚊尋找宿主吸血和產(chǎn)卵的靶基因提供了基礎(chǔ)。

2.2 鱗翅目IRs的相關(guān)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(fā)性寄主化合物，為信息化學(xué)在鱗翅目害蟲防治中的應(yīng)用提供了新的途徑[15]。Vincent Croset等人在家蠶(Bombyxmori)中鑒定出12個(gè)IRs基因(BemorIRs)，并與黑腹果蠅的IRs進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)具有一定的同源性，同時(shí)也證明了IRs在昆蟲中的保守性[4]。 隨后在?；页嵋苟?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(xù)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(tǒng)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(yīng)。存在3-甲基戊酸情況下其產(chǎn)卵數(shù)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(chǎn)卵，尋找一個(gè)合適的產(chǎn)卵地點(diǎn)至關(guān)重要[15]。

2.3 其他昆蟲IRs的相關(guān)研究

與雙翅目和鱗翅目昆蟲相比，其他昆蟲嗅覺系統(tǒng)的分子機(jī)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(shù)使飛蝗的IR8a基因沉默后發(fā)現(xiàn)其對醛類物質(zhì)的反應(yīng)明顯降低，但沒有完全消除對醛類物質(zhì)的反應(yīng)[16]。而ORCO和IR8a雙突變品系對己醛幾乎不反應(yīng)，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(jié)與展望

目前基于基因鑒定、構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹和基因表達(dá)譜等方法，對部分昆蟲的IRs基因進(jìn)行同源性分析。結(jié)果處理的大量IRs基因?qū)檫@些昆蟲嗅覺系統(tǒng)的分子基礎(chǔ)研究提供有力的資料，有助于識別潛在的重要分子靶標(biāo)，并促進(jìn)我們對昆蟲嗅覺機(jī)制的認(rèn)識。利用RNA干擾和CRISPR/Cas9基因編輯等技術(shù)對這些基因進(jìn)行進(jìn)一步的功能驗(yàn)證，對其在嗅覺傳導(dǎo)機(jī)制中的作用進(jìn)行研究，為害蟲的防治提供理論依據(jù)，從而為開發(fā)新的害蟲管理方法奠定基礎(chǔ)。

嗅覺系統(tǒng)一直被認(rèn)為是昆蟲從環(huán)境獲取化學(xué)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(tǒng)的研究取得顯著進(jìn)展，但目前昆蟲的嗅覺受體表達(dá)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(xué)感受的分子機(jī)制，如何被激活以及許多特異性IRs在昆蟲嗅覺中的發(fā)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(yīng)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(tǒng)，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(jī)制利用嗅覺、味覺、視覺和觸覺系統(tǒng)共同對外界環(huán)境的化學(xué)信號進(jìn)行整合和處理，以此來促進(jìn)對宿主和天敵檢測反應(yīng)，仍有待驗(yàn)證。