昆蟲普通氣味結(jié)合蛋白研究進(jìn)展

張 雪， 黃 聰， 武 強(qiáng)， 楊念婉， 錢萬強(qiáng)， 萬方浩*

1青島農(nóng)業(yè)大學(xué)植物醫(yī)學(xué)學(xué)院，山東 青島 266109; 2中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所，廣東 深圳 518120; 3中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所植物病蟲害生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193

昆蟲是地球上數(shù)量最多、種類最豐富的動物類群。多數(shù)昆蟲在尋找棲境、覓食、交配以及產(chǎn)卵等過程中，依靠嗅覺系統(tǒng)識別外部環(huán)境中的各種化學(xué)信息物質(zhì)，包括寄主植物產(chǎn)生的揮發(fā)性氣味物質(zhì)(volatile organic compounds, VOCs)和昆蟲產(chǎn)生的信息素(pheromone)等，進(jìn)而引起相應(yīng)的行為反應(yīng)(Martinetal.,2011)。昆蟲對氣味分子的識別主要由位于觸角上的嗅覺感器完成，氣味分子通過嗅覺感器上的小孔進(jìn)入感器淋巴腔內(nèi)，并與水溶性的氣味結(jié)合蛋白(odorant binding proteins, OBPs) 結(jié)合，形成氣味結(jié)合蛋白-氣味分子復(fù)合體，隨后被運(yùn)送至嗅覺神經(jīng)元樹突膜上的氣味受體(olfactory receptor, ORs)或離子型受體(ionotropic receptor, IRs)并使之激活，引起膜電位發(fā)生變化并刺激神經(jīng)，經(jīng)軸突傳到中樞神經(jīng)系統(tǒng)，大腦整合后發(fā)出指令，從而引發(fā)相應(yīng)的嗅覺行為反應(yīng)(Bentonetal.,2009; Vogt & Riddiford,1981)。其中，OBPs是一類主要存在于觸角感器內(nèi)的小分子量的球狀蛋白，具有數(shù)量多、水溶性和偏酸性等特點(diǎn) (Vogtetal.,2002)，在昆蟲嗅覺活動中發(fā)揮重要作用(Sunetal.,2018; Zwiebel & Takken,2004)。氣味分子通過觸角感器表面的孔和孔道進(jìn)入到觸角感器淋巴液，然而脂溶性的氣味分子不能直接穿過親水性的淋巴液，此時OBPs承擔(dān)起運(yùn)載氣味化合物的角色，該過程是昆蟲識別環(huán)境氣味物質(zhì)的第一步生理反應(yīng) (Vogt & Riddiford,1981)，在昆蟲與外界進(jìn)行信息交流活動中具有重要意義(紀(jì)萍等,2013; Vosshall & Stensmyr,2005)。

Vogt & Riddiford (1981)利用同位素標(biāo)記的方法，在多音天蠶Antheraeapolyphemus(Cramer)雄蛾的觸角中鑒定出信息素結(jié)合蛋白(pheromone binding protein, PBPs)，這是首個被鑒定的OBP家族成員。Breeretal.(1990)研究發(fā)現(xiàn)了另一類結(jié)合植物源氣味的OBPs，并命名為普通氣味結(jié)合蛋白(general odorant binding proteins, GOBPs) ，其中根據(jù)氨基酸序列的差異，GOBPs又分為GOBPs Ⅰ和GOBPs Ⅱ(劉柳,2019; 任珍珍等,2010)。隨著研究的深入，科學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)一類觸角特異蛋白(antennal specific proteins, ASPs)，這類蛋白最初在西方蜜蜂ApismelliferaL.中發(fā)現(xiàn)，包括觸角特異蛋白ASP1和ASP2(Dantyetal.,1998)。研究發(fā)現(xiàn)，并非所有OBPs都是嗅覺所必需的，如在果蠅Drosophilamelanogaster中，即使在敲除某些感器上的OBPs的情況下，這些感器仍可以對氣味作出反應(yīng)(Xiaoetal.,2019)，但對于鱗翅目昆蟲尤其是蛾類昆蟲來說，GOBPs在其嗅覺中不可或缺(Huangetal.,2018; Khuhroetal.,2017; Tianetal.,2019)，說明GOBPs在鱗翅目蛾類昆蟲嗅覺行為中起到至關(guān)重要的作用。起初，人們認(rèn)為 GOBPs只與植物揮發(fā)物等普通氣味分子結(jié)合，然而隨著昆蟲基因組和轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)的發(fā)展，越來越多的GOBPs被鑒定出來，GOBPs的功能也被深入研究，人們發(fā)現(xiàn)，GOBPs不僅可與植物揮發(fā)物結(jié)合，也能夠與性信息素分子發(fā)生結(jié)合，甚至結(jié)合能力高于PBPs(Acinetal.,2009; Gongetal.,2006; Pelosietal.,2006)。本文從GOBPs的分子特征、表達(dá)特性、生理功能、進(jìn)化，以及在害蟲防治中的應(yīng)用等方面進(jìn)行了綜述，以期為GOBPs的功能研究以及GOBPs作為靶標(biāo)在害蟲監(jiān)測及防治方面提供一些參考建議。

1 GOBPs的分子和結(jié)構(gòu)特征

昆蟲GOBPs 的分子質(zhì)量為16.0～17.2 kD，氨基酸序列在140～150位氨基酸，大部分GOBPs具有N-信號肽 (20個氨基酸左右)，等電點(diǎn)為4.9～5.1(繆森等，2003)；一般都具有6個保守的半胱氨酸 (Cys)，并通過特定的組合方式形成3對二硫鍵，形成穩(wěn)定的蛋白結(jié)構(gòu)，且二硫鍵形成的α螺旋疏水結(jié)合腔可以調(diào)控普通氣味分子的結(jié)合與釋放，這種6-Cys模式已經(jīng)成為昆蟲OBPs的“典型特征” (Pelosietal.,2014)。研究發(fā)現(xiàn)，鱗翅目昆蟲GOBPs二級結(jié)構(gòu)大都包含7個α螺旋、2個310-螺旋和2個β轉(zhuǎn)角，二級結(jié)構(gòu)較為相似 (圖1) (張升祥等,2010a)；與PBP相比，鱗翅目昆蟲不同種同一類型GOBP間有較高的氨基酸相似性，而GOBP1與GOBP2之間則有較低的氨基酸相似性 (50%左右)，但GOBPs和PBPs之間序列一致性更低 (<50%) (劉乃勇,2015)。

明確蛋白質(zhì)及其復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)是從蛋白質(zhì)分子水平上進(jìn)行功能研究的前提。X-射線晶體學(xué)、核磁共振和冷凍電鏡三維重構(gòu)技術(shù)是當(dāng)前研究蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的主要技術(shù)，昆蟲OBPs的三維結(jié)構(gòu)常用X-射線晶體學(xué)、核磁共振這2種方法進(jìn)行解析，Sandleretal.(2000)首次采用X-射線晶體學(xué)獲得了家蠶BombyxmoriL.與蠶蛾醇bombykol的BmorPBP1-bombykol (pH 8.2) 復(fù)合晶體結(jié)構(gòu) (圖2)，隨后BmorGOBP2的晶體結(jié)構(gòu)也被解析出來(Zhouetal.,2009)，其三級結(jié)構(gòu)由N-端、α-螺旋、Loop環(huán)和C端形成一個疏水性的結(jié)合腔 (圖1)，這些結(jié)構(gòu)特征與BmorPBP晶體結(jié)構(gòu)類似。目前，鱗翅目、膜翅目、雙翅目、直翅目、半翅目、脈翅目、蜚蠊目等多種昆蟲OBPs的單體或復(fù)合結(jié)構(gòu)已相繼被解析出來 (杜亞麗等,2020)。

OBPs的功能與其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)密切相關(guān)，且受pH值的調(diào)控，如BmorPBP在pH值較低時，C鏈末端會額外構(gòu)成1個α-螺旋，同時占據(jù)結(jié)合腔的內(nèi)部，擠出氣味分子；當(dāng)pH值為中性時，C鏈末端又會變得疏松，此時氣味分子可進(jìn)入結(jié)合腔 (Horstetal.,2001; Lealetal.,2005)。與BmorPBP不同，在pH值為中性時，BmorGOBP2的C端形成一個規(guī)則的α-螺旋，這個螺旋位于結(jié)合腔的表面，不占據(jù)結(jié)合腔。通過與配體結(jié)合測定，以及X-射線晶體衍射分析表明，BmorGOBP2能與性信息素組分蠶蛾醇有較強(qiáng)結(jié)合力 (圖1)，BmorGOBP2中的精氨酸殘基 (Arg110) 和蠶蛾醇形成氫鍵，而BmorPBP則是絲氨酸殘基 (Ser56) 參與氫鍵的形成 (Zhouetal.,2009)。這表明GOBPs與PBPs具有相似的三維結(jié)構(gòu)特征，但在與配體結(jié)合過程中，兩者在結(jié)構(gòu)變化方面存在差異。

圖1 家蠶BmorGOBP2-bombykol晶體結(jié)構(gòu)示意圖 (修改自Zhou et al.,2009)

圖2 家蠶BmorPBP-bombykol晶體結(jié)構(gòu)示意圖 (修改自Sandler et al.,2000)

2 GOBPs的表達(dá)特性

2.1 GOBPs在不同組織中的表達(dá)

昆蟲的OBPs主要存在于觸角感器中，而位于不同類型感器中的OBPs與其功能分化有關(guān)。感受信息素的PBPs主要位于毛形感器上；而感受普通氣味分子的GOBPs主要位于錐形感器上(Sunetal.,2019; Wangetal.,2020)，其中，GOBP1多存在于毛形和錐形感器，而GOBP2主要存在于錐形感器內(nèi)(Steinbrecht,1996; Zhangetal.,2001)，但在雌蛾的毛形感器內(nèi)，2種GOBPs均存在(Laueetal.,1994)。此外，也有研究表明昆蟲的GOBPs表達(dá)于頭部的其他附屬器官，如下唇須和下顎須，以及足、外生殖器、腹部等組織。然而，昆蟲的GOBPs在上述不同組織中的表達(dá)存在差異，如沙棘木蠹蛾Eogystiahippophaecolus(Hua, Chou, Fang et Chen)雄成蟲的EhipGOBP1與EhipGOBP2在觸角中表達(dá)最高，下唇須次之，足與外生殖器表達(dá)量相當(dāng)(劉柳,2019; Huetal.,2016)；蘋果蠹蛾Cydiapomonella(L.)的CpomGOBP2和CpomGOBP3除在觸角中表達(dá)外，在口器、雌性成蟲的腹部末端也有明顯表達(dá)(Garczynskietal.,2013)；斜紋夜蛾Spodopteralitura(Fabricius)的SlitGOBP2在雌、雄蟲觸角中的表達(dá)水平均最高，在身體其他部位如足、翅膀、口器中也有分布 (郭曉潔等,2018)。由于OBPs表達(dá)量高低與其功能密切相關(guān)，因此，這些在不同組織中差異表達(dá)的GOBPs預(yù)示著具有不同的生理功能，如沙棘木蠹蛾的EhipGOBP1在外生殖器中表達(dá)，表明它們可能參與性信息素的釋放(劉柳,2019; Lietal.,2020)；斜紋夜蛾的SlitGOBP2雄蟲各部位的表達(dá)量除觸角和中足外，均低于雌蟲相應(yīng)部位的表達(dá)量，暗示雌蟲SlitGOBP2蛋白可能還具有感受其他特殊信息素的功能 (郭曉潔等,2018)；小地老虎Agrotisipsilon(Hufnagel)的AipsGOBP1 和AipsGOBP2在觸角中高表達(dá)，實(shí)驗(yàn)證實(shí)這2個基因能同時結(jié)合其信息素和寄主植物揮發(fā)物成分(Huangetal.,2018)。

2.2 GOBPs的性別差異表達(dá)

GOBPs一般在雌性昆蟲觸角中的表達(dá)量較高(Laueetal.,1994; Steinbrechtetal.,1995)。然而，不同科的鱗翅目昆蟲GOBPs在兩性觸角中的表達(dá)模式存在差異(劉乃勇,2015)。夜蛾科昆蟲的2個GOBPs主要偏雌性高表達(dá)，如小地老虎的AipsGOBP1和AipsGOBP2在雌性觸角中的表達(dá)量比雄性中更高(黃廣振,2019)；棉鈴蟲Helicoverpaarmigera(Hübner)的2個HarmGOBPs也均表現(xiàn)為雌性觸角高表達(dá)(Zhangetal.,2011)。然而，非夜蛾科昆蟲的GOBPs在兩性間的表達(dá)偏好性比較多樣，而且在不同種間的GOBPs的表達(dá)也具有不同的性偏好特性。如梨小食心蟲Grapholithamolesta(Busck)的GmolGOBP1在雄性觸角中表達(dá)高于雌性，而GmolGOBP2在雌性觸角中表達(dá)高于雄性 (Zhangetal.,2012)；桃小食心蟲CarposinasasakiiMatsumura的CsasGOBP1在雄蟲觸角中的表達(dá)量顯著高于雌蟲，但CsasGOBP2在雌性觸角中的表達(dá)量更高(Tianetal.,2019)；荔枝蒂蛀蟲ConopomorphasinensisBradley的CsinGOBP1在雌雄觸角表達(dá)量相似，而CsinGOBP2具有雄性偏向表達(dá)，雄性觸角的轉(zhuǎn)錄水平是雌性的2倍以上(Yaoetal.,2016)。

2.3 GOBPs在不同發(fā)育階段的表達(dá)

GOBPs的表達(dá)與昆蟲的蟲態(tài)、成蟲日齡等不同發(fā)育狀態(tài)有關(guān)。如斜紋夜蛾SlitGOBP2在1～4齡幼蟲和蛹后期均有表達(dá)，且在1齡幼蟲和蛹后期表達(dá)量相對較高，而在卵期、5齡和6齡幼蟲期等取食量相對較少的時期基本不表達(dá)(郭曉潔等,2018)，這可能暗示著SlitGOBP2蛋白可能參與其尋找產(chǎn)卵場所、取食和寄主定位等生命活動。雌性大螟Sesamiainferens(Walker)隨著成蟲日齡的增加，2個普通氣味結(jié)合蛋白SinfGOBP1和SinfGOBP2的表達(dá)量上調(diào)(金俊彥等,2014)；家蠶成蟲期時BmorGOBP1和BmorGOBP2在觸角的表達(dá)量大于在蛹期時觸角中的表達(dá)量(張升祥等,2010a)；小地老虎的AipsGOBP1和AipsGOBP2都是在成蟲羽化前的第3天開始表達(dá)，且分別在羽化后第3天和第4天表達(dá)達(dá)到最高水平(黃廣振,2019)。因此，昆蟲處于不同的發(fā)育時期，其對取食、寄主定位和產(chǎn)卵等方面的需求不同，GOBPs的表達(dá)也不盡相同。

此外，昆蟲在不同的生理狀態(tài)下GOBPs的表達(dá)量也不盡相同。如交配后的小地老虎AipsGOBP1和AipsGOBP2在雌性觸角中的表達(dá)量上調(diào)，但在雄性觸角中的表達(dá)量卻下調(diào)。光照對昆蟲GOBP表達(dá)量也會產(chǎn)生一定影響，如梨小食心蟲在光周期中一直能被檢測到表達(dá)GmolGOBP1和GmolGOBP2，在整個光周期中，GmolGOBP1的表達(dá)量在雄性中一直高于雌性；在光照前期，GmolGOBP2的表達(dá)量雄性高于雌性，但在暗期和光期末期，其表達(dá)量發(fā)生了明顯變化，表現(xiàn)為雌性高于雄性(Zhangetal.,2012)。綜上，昆蟲GOBPs的表達(dá)會受到昆蟲生命活動以及外界環(huán)境的影響而改變，這種隨著昆蟲發(fā)育階段和生理狀態(tài)的變化而改變，使得昆蟲能夠更好地適應(yīng)環(huán)境以及自身生理狀態(tài)的改變。

3 GOBPs的生理功能

昆蟲的GOBPs在與植物化學(xué)信號物質(zhì)的結(jié)合中起著主要作用，通過對多種鱗翅目昆蟲GOBPs的功能研究，發(fā)現(xiàn)其主要識別寄主植物揮發(fā)物。如豆莢螟Marucavitrata(Fabricius) MvitGOBP1和MvitGOBP2與丁酸丁酯、檸檬烯等17種植物揮發(fā)性氣味分子都具有親和力(Zhouetal.,2015)；草地螟Loxostegesticticalis(L.)的 LstiGOBP2能夠與α-紫羅蘭酮、β-紫羅蘭酮、1-己醇和1-庚醇等強(qiáng)烈結(jié)合(Yinetal.,2012)；甜菜夜蛾Spodopteraexigua(Hübner)的SexiGOBP1和SexiGOBP2都能與β-紫羅蘭酮和亞油酸有很好的結(jié)合，且 SexiGOBP2 與植物揮發(fā)物金合歡醇、橙花叔醇、油酸等的結(jié)合能力較強(qiáng)(Liuetal.,2014)；斜紋夜蛾的SlitGOBP2與橙花叔醇、金合歡烯、油酸和 2-十五烷酮等氣味揮發(fā)物結(jié)合能力較強(qiáng)(Liuetal.,2015)。

在OBPs研究初期，人們認(rèn)為昆蟲GOBPs和PBPs分別結(jié)合寄主植物揮發(fā)物和性信息素，隨著研究進(jìn)一步深入，人們發(fā)現(xiàn)它們的功能界限并沒有那么明顯，PBPs也可以與普通的植物氣味揮發(fā)物結(jié)合，GOBPs不僅能與寄主植物揮發(fā)物特異性結(jié)合，而且能夠與昆蟲的性信息素高度結(jié)合。如在家蠶中，BmorGOBP2不僅能結(jié)合寄主植物揮發(fā)物，還能與BmorPBP1發(fā)揮同樣的功能，與性信息素蠶蛾醇有較強(qiáng)的結(jié)合能力 (圖1)(Heetal.,2010)；二化螟Chilosuppressalis(Walker)的CsupGOBP1對2種寄主植物揮發(fā)物 (金合歡醇和油酸) 有高結(jié)合能力，CsupGOBP2對5種揮發(fā)物 ((+)-雪松醇、金合歡醇、香葉烯、β-紫羅蘭酮和亞油酸)有較強(qiáng)結(jié)合力，而CsupGOBP1和CsupGOBP2都能與3種主要性信息素順-11-十六碳烯醛(Z11-16:Ald)、順-9-十六碳烯醛(Z9-16:Ald) 和順-13-十八碳烯醛(Z13-18:Ald) 高度結(jié)合(Khuhroetal.,2017)；甜菜夜蛾的SexiGOBP2與5種性信息素的結(jié)合能力比SexiPBP1與性信息素的結(jié)合更強(qiáng) (Liuetal.,2014)；臍橙螟Amyeloistransitella(Walker)的AtraGOBP2與性信息素的主要成分順，順-11,13-十六碳二烯醛(Z11Z13-16Ald) 有較強(qiáng)的結(jié)合能力，其親和力可與信息素結(jié)合蛋白AtraPBP1相媲美(Liuetal.,2010)。可見，GOBPs在不同的昆蟲中可能執(zhí)行不同的功能，但總體上 GOBPs 不僅在昆蟲識別寄主揮發(fā)物的過程中發(fā)揮著重要的作用，在性信息素的識別中也發(fā)揮著重要的作用，此外，昆蟲GOBPs是否具有其他功能還有待進(jìn)一步挖掘。

4 GOBPs的進(jìn)化起源、擴(kuò)增與丟失

4.1 GOBPs的進(jìn)化起源

GOBPs與PBPs位于染色體相鄰位置，通過一定的順序排列形成了鱗翅目昆蟲的一個特異的GOBPs/PBPs亞家族基因簇，研究發(fā)現(xiàn)，家蠶的GOBPs/PBPs亞家族基因簇中的基因相似度很高，推測可能是來自同一祖先基因復(fù)制的結(jié)果(張升祥等,2010b; Zhouetal.,2009)。研究者對鱗翅目昆蟲GOBPs/PBPs亞家族基因簇中的基因在染色體上的位置關(guān)系進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn)，GOBP1距離其他PBPs/GOBPs較遠(yuǎn)，而GOBP2與PBPs彼此臨近，位于同一條染色體上(圖3)，說明這些基因可能起源于一個共同的祖先或由它們中的一個基因復(fù)制而來，但目前的研究仍未明確具體的起源方式。在煙草天蛾Manducasexta(L.)(Vogtetal.,2015)、家蠶(Gongetal.,2009)、小菜蛾P(guān)lutellaxylostella(L.)(Youetal.,2013) 等鱗翅目昆蟲中都存在這種現(xiàn)象，這也說明一些鱗翅目昆蟲的GOBP2與PBP能夠發(fā)生協(xié)同作用，在信息素識別中發(fā)揮重要功能。

圖3 鱗翅目昆蟲典型的GOBPs/PBPs亞家族基因簇在染色體上的排列位置示意圖(修改自Yasukochi et al.,2018)

4.2 GOBPs/PBPs基因簇基因的擴(kuò)增與丟失

研究發(fā)現(xiàn)，GOBPs/PBPs基因簇極有可能已經(jīng)在鱗翅目昆蟲的共同祖先雙孔亞目中發(fā)生了分化，盡管昆蟲GOBPs經(jīng)常出現(xiàn)譜系特異性的得失以及這些基因與鄰近基因的倒位和易位現(xiàn)象，但基因的數(shù)量和順序是基本保守的。小菜蛾P(guān)xylGOBP1和冬尺蠖蛾Operophterabrumata(L.)ObruGOBP1基因發(fā)生了拷貝并發(fā)生了易位現(xiàn)象 (Yasukochietal.,2018)，蘋果蠹蛾CpomGOBP基因發(fā)生了拷貝現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)了3個CpomGOBP基因(Garczynskietal.,2013)。然而在目前已有研究中GOBP基因的拷貝、易位現(xiàn)象只在這幾個物種中被觀察到，不具有普遍性，說明GOBPs基因還是相對保守的。

相對于GOBPs，鱗翅目昆蟲的PBPs基因更易發(fā)生丟失現(xiàn)象，這可能與GOBPs基因的功能多元化有關(guān)，逐漸取代了PBP基因的功能。研究表明，PBP-B基因在蛾類和蝶類昆蟲中均易發(fā)生廣泛的缺失現(xiàn)象，如草地貪夜蛾Spodopterafrugiperda(JE Smith)、粉紋夜蛾Trichoplusiani(Hübner)、詩神袖蝶Heliconiusmelpomene(L.)、暗脈菜粉蝶Pierisnapi(L.)都發(fā)生了PBP-B基因的缺失現(xiàn)象(Yasukochietal.,2018)，意味著PBP-B基因的缺失并不一定會降低昆蟲的適應(yīng)度。而相對于蛾類來說，蝶類的PBP-A基因更易發(fā)生丟失現(xiàn)象，如帝王蝶Danausplexippus(L.)、詩神袖蝶、暗脈菜粉蝶等蝶類均發(fā)生了PBP-A基因的丟失現(xiàn)象，僅在弄蝶科的Leremaaccius(Smith)和鳳蝶科的柑橘鳳蝶PapilioxuthusL.中發(fā)現(xiàn)PBP-A基因的存在，而在柑橘鳳蝶中PBP-A基因位于遠(yuǎn)離GOBPs/PBPs基因簇的位置，這增加了其不再作為信息素結(jié)合蛋白發(fā)揮作用的可能性(Yasukochietal.,2018)。推測主要原因是在長期的進(jìn)化過程中，蝶類主要在白天進(jìn)行活動，而蛾類主要在夜晚進(jìn)行活動，導(dǎo)致蝶類的視覺不斷進(jìn)化，在兩性交配過程中原來嗅覺發(fā)揮的主導(dǎo)作用在進(jìn)化中偏向了視覺，而PBP-A主要作用為識別性信息素，以供雄蟲快速尋找雌蟲進(jìn)行交配，在蝶類視覺的進(jìn)化過程中，逐漸發(fā)生了丟失現(xiàn)象。因此，推測不同物種中GOBPs/PBPs基因簇中基因的拷貝、丟失、易位等現(xiàn)象 (圖4) 極可能與物種間的GOBPs/PBPs功能分化有關(guān)。

5 GOBPs在害蟲監(jiān)測和防治方面的應(yīng)用前景

由于OBPs具有多元化、穩(wěn)定、易通過重組方式獲得，以及配體選擇等特性，昆蟲OBPs在研制生物傳感器或電子鼻等領(lǐng)域越來越受到關(guān)注(Barbosaetal.,2018; Caveetal.,2019; Pelosietal.,2018)。如Dimitratosetal.(2019)利用岡比亞按蚊AnophelesgambiaeGiles的AgamOBP1 與大腸桿菌Escherichiacoli代謝物吲哚特異結(jié)合的特性，開發(fā)了一種體外高敏度檢測水中大腸桿菌的生物傳感器。Luetal.(2015)基于橘小實(shí)蠅Bactroceradorsalis(Hendel)的氣味結(jié)合蛋白BdorOBP2和交叉電極開發(fā)出了可高靈敏度檢測乙酸異戊酯、葉茄酮和苯甲醛的傳感器。Larisikaetal. (2015)基于意大利蜜蜂ApismelliferaligusticaSpinola的氣味結(jié)合蛋白AmelOBP14設(shè)計(jì)了一種嗅覺生物傳感器，用于實(shí)時監(jiān)測對蜜蜂有吸引力的各種氣味物質(zhì)。基于棉鈴蟲的氣味結(jié)合蛋白HarmOBP7來源的短肽鏈HarmOBPP4開發(fā)的生物傳感器能夠準(zhǔn)確識別辛醛、乙醛，以及苯甲醛(Wasilewskietal.,2019)。

OBPs基因在與氣味分子的結(jié)合及傳遞過程中起著至關(guān)重要的作用，決定了昆蟲對化學(xué)信號刺激一定程度的響應(yīng)，因此，功能性O(shè)BPs可以作為篩選昆蟲引誘劑或趨避劑的分子靶點(diǎn)。研究表明，OBPs與氣味分子的結(jié)合取決于它們的三維結(jié)構(gòu)及構(gòu)象，同一OBP可與一類結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)相似的氣味化合物結(jié)合(Liuetal.,2019; Santanaetal.,2018)?；诖耍茖W(xué)家們提出了計(jì)算反向化學(xué)生態(tài)學(xué)的概念，基于OBPs基因的結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系，利用同源建模和分子對接等技術(shù)手段和方法，通過計(jì)算機(jī)快速準(zhǔn)確篩選配體小分子，達(dá)到以O(shè)BPs基因?yàn)榘袠?biāo)的害蟲防治目的(Venthur & Zhou,2018)，并成功應(yīng)用于篩選昆蟲行為調(diào)節(jié)劑的活性化合物。如以致倦庫蚊CulexquinquefasciatusSay氣味結(jié)合蛋白CquiOBP1為分子靶標(biāo)，篩選與其結(jié)合能力較強(qiáng)的非天然配體，成功地篩選出以一定比例混合的壬醛、三甲胺組分，并已實(shí)現(xiàn)商品化產(chǎn)卵引誘劑(Lealetal.,2008)。研究發(fā)現(xiàn)，豌豆蚜AcyrthosiphonpisumHarris ApisOBP3 結(jié)合報(bào)警信息素(E)-β-法尼烯(EBF)(Qiaoetal.,2009)，后來通過EBF與 ApisOBP3 配體識別區(qū)域的基團(tuán)與噻蟲啉的殺蟲基團(tuán)融合，成功地合成了對蚜蟲具有驅(qū)避和殺蟲雙重作用的化合物(Sunetal.,2011)。這種基于計(jì)算反向化學(xué)生態(tài)學(xué)的理論，通過計(jì)算機(jī)模擬的方法，重構(gòu)OBPs的三維結(jié)構(gòu)模型并通過分子對接的方法來篩選氣味化合物，與之前的傳統(tǒng)化學(xué)生態(tài)學(xué)中利用試錯篩選方法相比，大大減少了氣味候選化合物的數(shù)量，縮短篩選周期并降低了篩選成本。目前GOBPs在害蟲防治中的應(yīng)用尚未有明確報(bào)道，但GOBPs是鱗翅目昆蟲氣味結(jié)合蛋白中的重要亞家族，相信GOBPs將是害蟲防治的一個重要靶點(diǎn)。

圖4 鱗翅目昆蟲GOBP/PBP系統(tǒng)發(fā)育樹 (修改自Vogt et al.,2015)

6 小結(jié)與展望

近年來，昆蟲嗅覺領(lǐng)域的研究取得了顯著進(jìn)展，特別是對于較早發(fā)現(xiàn)的PBPs研究較為深入，但對于GOBPs的研究相對較少。而GOBPs的分子特征、結(jié)構(gòu)、生理功能、進(jìn)化等方面仍然是昆蟲嗅覺發(fā)展中的關(guān)鍵問題，對GOBPs的研究不僅能夠促進(jìn)人們對昆蟲與植物化學(xué)通訊等生態(tài)學(xué)問題有更深入的理解，進(jìn)一步揭示昆蟲的化學(xué)感受機(jī)制，也可以為研制昆蟲引誘劑、趨避劑等綠色高效的防治產(chǎn)品提供更多思路?；贕OBPs結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系，利用“計(jì)算反向化學(xué)生態(tài)學(xué)”的理念，通過同源建模和分子對接等計(jì)算機(jī)技術(shù)來進(jìn)行高通量篩選與OBPs結(jié)合的最佳配體的方法越來越受到研究者們的青睞，可為害蟲的高效綠色防治技術(shù)的發(fā)展提供可靠依據(jù)。除在嗅覺方面發(fā)揮功能以外，GOBPs也可在生物傳感器和電子鼻等研發(fā)領(lǐng)域展現(xiàn)優(yōu)勢，利用GOBPs與害蟲信息素結(jié)合的特點(diǎn)，發(fā)展出特異識別害蟲的電子鼻等，可用于害蟲或入侵物種的監(jiān)測以及為進(jìn)出境檢驗(yàn)檢疫提供新思路和新技術(shù)，值得人們進(jìn)一步研究(Caveetal.,2019)。