昆蟲(chóng)對(duì)CO2 感受機(jī)制的研究進(jìn)展

陳秋燕, 劉 楊, 王桂榮

(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)

二氧化碳(carbon dioxide, CO2)是自然環(huán)境中普遍存在的一種無(wú)色無(wú)味的氣體，是空氣的重要組分(占大氣總體積的0.03%～0.04%)，它既是植物光合作用的主要原料之一，也可以作為寄主、天敵釋放的化學(xué)信號(hào)，參與昆蟲(chóng)的覓食(Takken and Knol, 1999; Thometal., 2004; Dekkeretal., 2005)、產(chǎn)卵(Stange, 1999)和躲避天敵(Suhetal., 2004; Faucheretal., 2006)等多種生命活動(dòng)。此外，CO2還是引起溫室效應(yīng)的主要溫室氣體之一。自工業(yè)革命以來(lái)，人類(lèi)活動(dòng)向大氣中排入的CO2逐年增加，造成了前所未有的全球變暖(曲建翹和吳義梅, 2020)。有研究者預(yù)計(jì)到2050年，大氣中CO2濃度可能會(huì)上升到0.55‰(Kanle Satishchandraetal., 2018)。昆蟲(chóng)的嗅覺(jué)器官上分布有特定的感器，能夠感受環(huán)境中極低濃度的CO2。目前，已經(jīng)在多種昆蟲(chóng)中鑒定到對(duì)CO2敏感的嗅覺(jué)神經(jīng)元，并對(duì)其電生理功能和超微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究(Stange and Stowe, 1999)。近些年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，對(duì)昆蟲(chóng)感受CO2機(jī)制的研究越來(lái)越深入，這些研究主要集中在CO2受體基因的鑒定、CO2在外周神經(jīng)水平上的傳導(dǎo)及CO2在昆蟲(chóng)腦部的加工整合機(jī)制等方面。解析昆蟲(chóng)感受CO2的分子和神經(jīng)機(jī)制不僅可以為害蟲(chóng)監(jiān)測(cè)和防治提供新的策略，同時(shí)可以為后續(xù)的相關(guān)研究提供新的思路。本文綜述了CO2對(duì)昆蟲(chóng)的重要性，CO2信號(hào)的傳導(dǎo)機(jī)制以及CO2受體基因相關(guān)的研究進(jìn)展，以期為昆蟲(chóng)感受CO2的機(jī)制研究提供參考。

1 CO2在昆蟲(chóng)生命活動(dòng)中的重要性

CO2對(duì)昆蟲(chóng)的影響可分為兩個(gè)方面：一方面是直接作用，另一方面是間接作用(吳亞和金翠霞, 1993)。直接作用主要是指昆蟲(chóng)生活的微生境和人為產(chǎn)生的CO2對(duì)昆蟲(chóng)行為、生理、代謝和生存的影響，例如:社會(huì)性昆蟲(chóng)巢穴內(nèi)CO2濃度升高引起其扇風(fēng)行為；植食性昆蟲(chóng)和吸血昆蟲(chóng)以寄主釋放的CO2作為覓食和產(chǎn)卵的重要線(xiàn)索；人為使用高濃度CO2改變昆蟲(chóng)的行為活動(dòng)和生理代謝狀態(tài)(吳亞和金翠霞, 1993)。間接作用主要是指大氣環(huán)境CO2濃度升高引起的溫室效應(yīng)及植物代謝的改變，對(duì)昆蟲(chóng)產(chǎn)生的廣泛影響(吳亞和金翠霞, 1993)，例如:提高寄主植物生長(zhǎng)環(huán)境中的CO2濃度，棉鈴蟲(chóng)Helicoverpaarmigera幼蟲(chóng)取食和成蟲(chóng)繁殖都會(huì)受到影響(Wuetal., 2006; Chenetal., 2007)；大氣CO2濃度升高會(huì)降低亞洲玉米螟Ostriniafurnacalis幼蟲(chóng)成活率，并且延長(zhǎng)亞洲玉米螟幼蟲(chóng)和蛹的發(fā)育歷期(趙磊等, 2015)；大氣環(huán)境中CO2濃度增加，溫室效應(yīng)明顯，會(huì)影響蝗蟲(chóng)的形態(tài)和番茄潛麥蛾Tutaabsoluta的生長(zhǎng)發(fā)育(沙威等, 2016; Kanle Satishchandraetal., 2018)。在大氣環(huán)境CO2濃度逐年升高的背景下，有關(guān)CO2對(duì)昆蟲(chóng)的間接作用范圍較廣，因此本文中我們主要關(guān)注CO2對(duì)昆蟲(chóng)的直接影響。

1.1 CO2在昆蟲(chóng)覓食行為中的作用

CO2在雙翅目昆蟲(chóng)蠅類(lèi)和蚊類(lèi)的覓食行為中都起著重要作用。傳播昏睡癥的舌蠅Glossinapaltidipes以CO2為重要線(xiàn)索進(jìn)行寄主搜尋，此外，有研究發(fā)現(xiàn)將CO2與寄主釋放的丙酮或辛烯醇混合時(shí)能顯著增加對(duì)舌蠅的吸引效果(Torr, 1990)。黑腹果蠅Drosophilamelanogaster受到脅迫時(shí)會(huì)釋放一種氣體混合物Drosophilastress odorant (dSO)，dSO能夠引起同種黑腹果蠅強(qiáng)烈的逃避反應(yīng)(Suhetal., 2004)。CO2是dSO的重要組分，當(dāng)CO2單獨(dú)存在時(shí)，其濃度低至0.1%就能夠引起黑腹果蠅強(qiáng)烈的逃避反應(yīng)(Suhetal., 2004)。但隨后研究者發(fā)現(xiàn)黑腹果蠅對(duì)CO2的行為反應(yīng)還取決于周?chē)臍怏w環(huán)境(Faucheretal., 2006)。研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵和過(guò)熟的水果能釋放較高濃度的CO2，但卻對(duì)黑腹果蠅具有吸引作用，這是因?yàn)榘l(fā)酵和過(guò)熟的水果能釋放較高濃度的正己醇和2,3-丁二酮等物質(zhì)，它們能夠抑制黑腹果蠅感受CO2的神經(jīng)元的活性，進(jìn)而改變黑腹果蠅對(duì)CO2的行為反應(yīng)(Turner and Ray, 2009)。有報(bào)道發(fā)現(xiàn)在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中高濃度CO2對(duì)黑腹果蠅有吸引作用，而這一吸引作用與黑腹果蠅自身狀態(tài)相關(guān)，例如進(jìn)行饑餓處理的黑腹果蠅對(duì)CO2會(huì)更敏感，能夠被CO2吸引(van Breugeletal., 2018)。CO2在蚊類(lèi)覓食中的重要性很早就有報(bào)道(Gillies, 1980; Bowen, 1991; Takken and Knols, 1999)，因?yàn)榧棺祫?dòng)物呼出的CO2可以幫助吸血昆蟲(chóng)定位寄主(Gillies, 1980; Eiras and Jepson, 1991; Gibson and Torr, 1999; Lehane, 2005)。此外，左乳酸、氨、辛烯醇、羧酸和壬醛等寄主氣味能夠增強(qiáng)CO2對(duì)蚊子的吸引力，而這些寄主氣味單獨(dú)使用時(shí)對(duì)蚊子的引誘力較差(Smallegange and Takken, 2010)。

除雙翅目昆蟲(chóng)外，CO2在很多鞘翅目昆蟲(chóng)幼蟲(chóng)、鱗翅目昆蟲(chóng)幼蟲(chóng)和成蟲(chóng)的覓食中也發(fā)揮著重要作用。CO2是鞘翅目玉米根螢葉甲Diabroticavirgifera幼蟲(chóng)定位腐爛玉米根的主要線(xiàn)索(Bernklau and Bjostag, 1998)。鱗翅目的棉鈴蟲(chóng)幼蟲(chóng)偏好選擇CO2含量高的食物資源(Rasch and Rembold, 1994)。南美玉米苗斑螟Elasmopalpuslignosellus幼蟲(chóng)在尋找食物資源的過(guò)程中同樣能被CO2吸引(Huang and Mack, 2001)。很多鱗翅目昆蟲(chóng)喜歡取食花蜜，研究者猜想花朵中含有較高濃度的CO2，而訪(fǎng)花昆蟲(chóng)以CO2為覓食信號(hào)定位富含花蜜的花朵(Hewetal., 1978; Seymouretal., 2003)。Guerenstein等(2004b)證實(shí)了曼陀羅花朵的花蜜含量和CO2的釋放量呈正相關(guān)，并且煙草天蛾Manducasexta授粉的概率也與這兩者呈正相關(guān)。此外，有報(bào)道證實(shí)煙草天蛾會(huì)偏好取食釋放較高濃度CO2的曼陀羅花朵(Thometal., 2004)。

1.2 CO2在昆蟲(chóng)產(chǎn)卵行為中的作用

目前已有大量報(bào)道直接或間接地證明CO2能夠影響昆蟲(chóng)的產(chǎn)卵行為(Guerenstein and Hildebrand, 2008)。昆士蘭實(shí)蠅Bactroceratryoni通常將卵產(chǎn)到水果表面的病變處，因?yàn)檫@些病變處會(huì)釋放包括CO2在內(nèi)的揮發(fā)性化合物，但是在無(wú)病變處單獨(dú)釋放CO2時(shí)也能吸引懷卵雌蠅在上面產(chǎn)卵(Stange, 1999)。這表明CO2很可能是吸引昆士蘭實(shí)蠅產(chǎn)卵的信號(hào)源。此外，夜行性蛾類(lèi)仙人掌螟蛾Cactoblastiscactorum的產(chǎn)卵行為也受到CO2的影響(Stangeetal., 1995; Guerenstein and Hildebrand, 2008)。當(dāng)提高仙人掌螟蛾寄主縮刺仙人掌Opuntiastricta生存環(huán)境中的CO2濃度時(shí)，仙人掌螟蛾在仙人掌上的產(chǎn)卵量顯著降低，可能是環(huán)境中CO2濃度的升高降低了仙人掌螟蛾感受到寄主植物釋放CO2信號(hào)的概率，這也說(shuō)明了CO2信號(hào)在仙人掌螟蛾產(chǎn)卵行為中的重要作用(Stange, 1997)。在煙草天蛾中的研究同樣證明了寄主植物周?chē)h(huán)境中CO2濃度的升高會(huì)減少其雌蛾的產(chǎn)卵量(Abrelletal., 2005)。

1.3 CO2在昆蟲(chóng)其他行為中的作用

CO2除了影響昆蟲(chóng)的取食和產(chǎn)卵行為以外，也會(huì)影響昆蟲(chóng)的其他行為。研究發(fā)現(xiàn)，CO2也是社會(huì)性昆蟲(chóng)調(diào)節(jié)巢穴內(nèi)氣候條件的重要指標(biāo)。當(dāng)巢穴內(nèi)CO2濃度過(guò)高時(shí)，西方蜜蜂Apismellifera會(huì)通過(guò)振翅扇風(fēng)將多余的CO2等氣體排出巢穴外(Seeley, 1974; Southwick and Moritz, 1987)。所以蜜蜂的扇風(fēng)行為與巢穴內(nèi)CO2的濃度相關(guān)，蜜蜂數(shù)量多的蜂巢能將CO2濃度控制在4.4‰的平均水平下(Seeley, 1974; Guerenstein and Hildebrand, 2008)。歐洲熊蜂Bombusterrestris也可通過(guò)扇風(fēng)行為控制巢穴內(nèi)的氣候條件，并且扇風(fēng)的熊蜂數(shù)量會(huì)隨著CO2濃度的增加而增加，當(dāng)巢穴內(nèi)CO2濃度達(dá)到16‰時(shí)，具有扇風(fēng)行為的熊蜂數(shù)量能增加到120頭(Weidenmülleretal., 2002; Weidenmüller, 2004)。芭切葉蟻Attavollenweideri可以通過(guò)調(diào)節(jié)巢穴通風(fēng)口的形狀來(lái)保證巢穴內(nèi)的CO2濃度低于28‰(Kleineidam and Roces, 2000; Kleineidametal., 2001)。

此外，高濃度CO2會(huì)影響棉鈴蟲(chóng)對(duì)性信息素的感受(Choietal., 2018)：將棉鈴蟲(chóng)在CO2濃度較高的環(huán)境中連續(xù)飼養(yǎng)3代后，利用風(fēng)洞行為學(xué)試驗(yàn)測(cè)試雄性棉鈴蟲(chóng)對(duì)性信息素的行為反應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與正常環(huán)境下飼養(yǎng)的棉鈴蟲(chóng)相比，高濃度CO2環(huán)境下的雄性棉鈴蟲(chóng)對(duì)性信息的反應(yīng)明顯減弱。

2 昆蟲(chóng)在外周神經(jīng)水平上感受CO2機(jī)制的研究進(jìn)展

2.1 昆蟲(chóng)的CO2受體神經(jīng)元

不同昆蟲(chóng)感受CO2的器官不完全相同，例如果蠅主要通過(guò)觸角感受CO2,蚊子感受CO2的器官是下顎須,而鱗翅目昆蟲(chóng)感受CO2的器官是下唇須。在這些器官中均存在高度靈敏的CO2受體神經(jīng)元，研究者通過(guò)電生理記錄結(jié)合超微結(jié)構(gòu)觀(guān)察對(duì)這些受體神經(jīng)元進(jìn)行了功能驗(yàn)證(Stange and Stowe, 1999)。典型的CO2受體神經(jīng)元位于薄壁的感器中，有薄片狀結(jié)構(gòu)或者分支的樹(shù)突(Stange and Stowe, 1999; Kleineidametal., 2000; Zhaoetal., 2013)。

在以果蠅和蚊類(lèi)為代表的雙翅目昆蟲(chóng)中，有關(guān)感受CO2的受體神經(jīng)元的研究較為透徹。果蠅感受CO2的感器位于觸角上(de Bruyneetal., 2001)。果蠅觸角上的感器可分為錐形感器(sensilla basiconica)、毛形感器(sensilla trichoid)和腔錐形感器(sensilla coeloconica)(Venkatesh and Singh, 1984)，其中錐形感器數(shù)量最多。根據(jù)感器大小，錐形感器又可分為大錐形感器和小錐形感器(de Bruyneetal., 2001)。通過(guò)感器的電生理功能鑒定，大錐形感器分為antennal basiconic 1(ab1), ab2和ab3 3類(lèi)，每個(gè)ab1感器中包含4個(gè)受體神經(jīng)元，分別為ab1A, ab1B, ab1C和ab1D，其中ab1C特異性感受CO2，其他3種受體神經(jīng)元?jiǎng)t對(duì)不同的氣味有反應(yīng)(de Bruyneetal., 2001)。與果蠅不同，蚊子的CO2受體神經(jīng)元位于下顎須上(Grantetal., 1995; Grant and O'Connell, 2007)。盡管不同種類(lèi)蚊子的下顎須形態(tài)和感器分布有差異(例如：岡比亞按蚊Anophelesgambiae下顎須有5節(jié)，第2-4節(jié)分布有單一類(lèi)型的感器；致倦庫(kù)蚊Culexquinquefasciatus下顎須有4節(jié)，第2-4節(jié)分布有兩種類(lèi)型的感器)，但都存在乳突狀感器(capitate peg, cp)，也稱(chēng)作棒狀錐形感器(club-shaped olfactory basiconic sensilla)，每個(gè)乳突狀感器中有3類(lèi)神經(jīng)元，分別為cpA, cpB和cpC，其中cpA類(lèi)神經(jīng)元對(duì)CO2有強(qiáng)烈的電生理反應(yīng)(Luetal., 2007; Syed and Leal, 2007)。

在鱗翅目昆蟲(chóng)中，感受CO2的受體神經(jīng)元集中分布于一個(gè)特殊的器官——下唇須陷窩器(labial-palp pit organ, LPO)中。LPO位于下唇須的第3節(jié)頂端凹陷內(nèi)，其中包含很多感器，根據(jù)昆蟲(chóng)種類(lèi)從幾根到上千根不等(Kentetal.,1986; Stange and Stowe, 1999)。目前已報(bào)道的大多數(shù)鱗翅目昆蟲(chóng)LPO中的感器根據(jù)其形態(tài)大致可以分為兩類(lèi)，即毛狀感器(hair-shaped sensilla)和棒狀感器(club-shaped sensilla)，毛狀感器分布于LPO的上半部分，棒狀感器分布于LPO的下半部分(Stangeetal., 1995; Zhaoetal., 2013; 董鈞鋒等, 2014; Chen and Hua, 2016)。大多數(shù)毛狀感器和棒狀感器中都只包含1個(gè)感覺(jué)神經(jīng)元，少部分感器含有2個(gè)感覺(jué)神經(jīng)元，并且棒狀感器中神經(jīng)元樹(shù)突通常有分支和薄片狀結(jié)構(gòu)(Zhaoetal., 2013)。盡管具有分支和薄片狀結(jié)構(gòu)的樹(shù)突是典型CO2受體細(xì)胞的特征，但因?yàn)橄麓巾毾莞C器的特殊結(jié)構(gòu)和技術(shù)限制，并沒(méi)有證據(jù)表明只有棒狀感器中含有感受CO2的受體神經(jīng)元。相反，根據(jù)燈蛾Rhodogastria(Bogneretal., 1986)、仙人掌螟蛾(Stangeetal., 1995)、煙草天蛾(Guerensteinetal., 2004a)和棉鈴蟲(chóng)(Ningetal., 2016)中對(duì)LPO感器的電生理記錄結(jié)果，并未發(fā)現(xiàn)LPO中感器對(duì)除CO2外的其他氣味化合物有反應(yīng)，因此推測(cè)LPO中這些感器只含有專(zhuān)一感受CO2的神經(jīng)元(Bogner, 1990; Guerensteinetal., 2004a)。

膜翅目昆蟲(chóng)有關(guān)CO2受體神經(jīng)元的研究進(jìn)展集中在蜜蜂和螞蟻等社會(huì)性昆蟲(chóng)，其CO2受體神經(jīng)元位于觸角上的瓶形感器(sensilla ampullacea)中(Kleineidam and Tautz, 1996; Stange and Stowe, 1999; Kleineidametal., 2000)。瓶形感器普遍存在于膜翅目昆蟲(chóng)中，一般集中在觸角的端部，這類(lèi)感器的形態(tài)與其他嗅覺(jué)感器不同，它的感覺(jué)毛位于壺腹(ampulla)里邊，只通過(guò)一個(gè)窄的導(dǎo)管與外界相連(Kleineidametal., 2000)。研究者利用電生理記錄和單感器染色等技術(shù)，證明了南美切葉蟻Attasexdens的瓶形感器能夠感受CO2，并且每個(gè)瓶形感器只包含單個(gè)含有很多樹(shù)突分支的CO2受體神經(jīng)元(Kleineidametal., 2000)。

除上述昆蟲(chóng)外，其他昆蟲(chóng)感受CO2受體神經(jīng)元的研究較少。鞘翅目昆蟲(chóng)赤擬谷盜Triboliumcastaneum感受CO2的神經(jīng)元可能位于觸角上，因?yàn)榍袛嘤|角會(huì)影響其對(duì)CO2的感受，而切掉下唇須對(duì)CO2的感受并無(wú)影響(Stange and Stowe, 1999)。蜻蜓目昆蟲(chóng)豆娘Ischnuraelegans感受CO2的神經(jīng)元位于觸角鞭節(jié)上(Piersantietal., 2016)。

2.2 昆蟲(chóng)的CO2受體

2.2.1CO2受體基因的鑒定：昆蟲(chóng)的CO2受體基因最先在黑腹果蠅中得到鑒定。研究者利用鈣離子成像和電生理記錄等技術(shù)鑒定得到表達(dá)GR21a的神經(jīng)元可能是黑腹果蠅中唯一感受CO2的受體神經(jīng)元(Scottetal., 2001; Suhetal., 2004)。隨后，又有報(bào)道證明另一個(gè)受體基因GR63a在感受CO2的神經(jīng)元上與GR21a共表達(dá)，并且只有在GR21a和GR63a共同表達(dá)的情況下，才會(huì)對(duì)CO2產(chǎn)生反應(yīng)(Jonesetal., 2007; Kwonetal., 2007)。因此，黑腹果蠅的CO2受體基因有兩個(gè)，分別是GR21a和GR63a，它們均屬于味覺(jué)受體(gustatory receptor, GR)基因家族。

在果蠅CO2受體基因的研究基礎(chǔ)上，研究人員通過(guò)同源比對(duì)的方法鑒定了傳播瘧疾的岡比亞按蚊中感受CO2的受體基因AgGR22,AgGR23和AgGR24，并且運(yùn)用原位雜交技術(shù)確定了這3個(gè)受體基因在下顎須cpA神經(jīng)元中共表達(dá)(Jonesetal., 2007； Luetal., 2007)。此后，與此3個(gè)基因同源的CO2受體基因在其他蚊類(lèi)，如埃及伊蚊Aedesaegypti(Kentetal., 2008)、尖音庫(kù)蚊Culexpipiens(Robertson and Kent, 2009)、致倦庫(kù)蚊、中華按蚊Anophelessinensis和Anophelescoluzzii中陸續(xù)得到鑒定(Coutinho-Abreuetal., 2019)。

在鱗翅目昆蟲(chóng)中，如棉鈴蟲(chóng)(Spaethe and Briscoe, 2004; Liu NYetal., 2014; Xu and Anderson, 2015)、粘蟲(chóng)Mythimnaseparata(Briscoe, 2000; Liuetal., 2017)、煙青蟲(chóng)Helicoverpaassulta(Zhangetal., 2015; Liuetal., 2017)、煙草天蛾(Liu YLetal., 2014)、家蠶Bombyxmori(Xu and Anderson, 2015; Liuetal., 2017)、紅帶袖蝶Heliconiusmelpomene中均鑒定出3個(gè)CO2受體基因，分別是GR1,GR2和GR3(Xu and Anderson, 2015)。鞘翅目昆蟲(chóng)赤擬谷盜(Robertson and Kent, 2009; Liuetal., 2017)、中歐山松大小蠹Dendroctonusponderosae(Anderssonetal., 2019)、光肩星天牛Anoplophoraglabripennis(Anderssonetal., 2019)的CO2受體基因也是GR1,GR2和GR3。

研究發(fā)現(xiàn)，不同昆蟲(chóng)基因組中CO2受體的數(shù)量并不完全相同(Jonesetal., 2007; Robertson and Kent, 2009; Erdelyanetal., 2012; Briscoeetal., 2013; Obieroetal., 2014; Terraponetal., 2014)。如蚊子、蛾類(lèi)、蝶類(lèi)、甲蟲(chóng)基因組都有3個(gè)CO2受體，但果蠅中只有2個(gè)。而采采蠅有4個(gè)CO2受體(Obieroetal., 2014)，濕木白蟻Zootermopsisnevadensis(Terraponetal., 2014)中有5個(gè)與果蠅CO2受體基因同源的基因。在西方蜜蜂、人虱Pediculushumanus、豌豆蚜Acyrthosiphonpisum、阿根廷蟻Linepithemahumile和東亞飛蝗Locustamigratoria基因組中沒(méi)有鑒定出同源的CO2受體基因(Robertson and Kent 2009; Terraponetal., 2014)。盡管已有報(bào)道證明蜜蜂(Lacher, 1964)和螞蟻(Dumpert, 1972)對(duì)CO2有電生理反應(yīng)，但在其基因組中卻未鑒定到果蠅GR21a和GR63a的同源基因，說(shuō)明它們可能存在其他感受CO2的通路。

隨著生物技術(shù)的發(fā)展，很多昆蟲(chóng)的CO2受體基因通過(guò)測(cè)序和同源比對(duì)等方法得到了鑒定。表1統(tǒng)計(jì)了已鑒定的昆蟲(chóng)CO2受體基因的信息。研究人員將昆蟲(chóng)的CO2受體進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析，從進(jìn)化樹(shù)中可以看出這些昆蟲(chóng)的CO2受體可以分為3個(gè)分支，分別為GR1分支、GR2分支和GR3分支。雙翅目蚊類(lèi)、鱗翅目蛾類(lèi)和蝶類(lèi)以及鞘翅目昆蟲(chóng)的3個(gè)CO2受體分別分布在GR1分支、GR2分支和GR3分支中，而雙翅目蠅類(lèi)的2個(gè)CO2受體分布于GR1分支和GR3分支中(Xu and Anderson, 2015)。

表1 已報(bào)道的昆蟲(chóng)CO2受體基因

2.2.2CO2受體基因的功能研究：CO2受體基因在多種昆蟲(chóng)中已有報(bào)道，但關(guān)于其功能的研究還主要集中在果蠅和蚊子中。CO2受體基因的功能鑒定已經(jīng)通過(guò)異位表達(dá)(Jonesetal., 2007)、基因敲除(McMenimanetal., 2014)、RNA干擾(Erdelyanetal., 2012)和體外表達(dá)(Xuetal., 2020)技術(shù)進(jìn)行了鑒定。將DmelGR21a和DmelGR63a在黑腹果蠅中進(jìn)行異位表達(dá)，發(fā)現(xiàn)只有這兩個(gè)基因共同表達(dá)時(shí)才能感受CO2，任何一個(gè)基因單獨(dú)表達(dá)時(shí)都不能感受CO2(Jonesetal., 2007)。并且缺失DmelGR21a或DmelGR63a的突變體果蠅對(duì)CO2的電生理和行為反應(yīng)消失，而沉默DmelGR21a在ab1C神經(jīng)元上的表達(dá)也會(huì)使其對(duì)CO2的反應(yīng)消失(Suhetal., 2004; Faucheretal., 2006; Jonesetal., 2007; Kumaretal., 2020)。與果蠅相比，蚊類(lèi)在CO2受體基因的功能研究中還存在爭(zhēng)議。將岡比亞按蚊的3個(gè)CO2受體基因AgamGR22，AgamGR23和AgamGR24在果蠅空神經(jīng)元中進(jìn)行表達(dá)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)單拷貝的AgamGR22和AgamGR24在空神經(jīng)元中共表達(dá)時(shí)對(duì)CO2沒(méi)有反應(yīng)，但是將這兩個(gè)基因的拷貝量加倍時(shí)，則對(duì)CO2有反應(yīng)。而將單拷貝的AgamGR23轉(zhuǎn)到含有單拷貝AgamGR22和AgamGR24空神經(jīng)元中共表達(dá)時(shí)對(duì)CO2有反應(yīng)(Luetal., 2007)。 在埃及伊蚊中，RNA干擾AaegGR1或AaegGR3都會(huì)影響對(duì)CO2的感受，而干擾AaegGR2對(duì)CO2的感受沒(méi)有影響(Erdelyanetal., 2012)。隨后也有研究者證明AaegGR3突變體對(duì)CO2的電生理和行為反應(yīng)都缺失(McMenimanetal., 2014)，但近來(lái)有報(bào)道利用果蠅ab1C空神經(jīng)元系統(tǒng)暗示了在埃及伊蚊CO2感受中發(fā)揮功能的是AaegGR2和AaegGR3組成的多聚體，AaegGR1則調(diào)控多聚體對(duì)CO2的反應(yīng)(Kumaretal., 2020)。爪蟾卵母細(xì)胞結(jié)合雙電極電壓鉗系統(tǒng)對(duì)致倦庫(kù)蚊CquiGR1, CquiGR2和CquiGR3的體外功能，結(jié)果顯示CquiGR2和CquiGR3組合表達(dá)時(shí)對(duì)碳酸氫鈉溶液反應(yīng)最大，而CquiGR1可能是調(diào)控因子；在爪蟾卵母細(xì)胞中表達(dá)岡比亞按蚊和埃及伊蚊的CO2受體基因時(shí)，其體外功能與至倦庫(kù)蚊結(jié)果一致(Xuetal., 2020)。因此，蚊子中這3個(gè)CO2受體基因在感受CO2過(guò)程中各自發(fā)揮的功能還需要更多遺傳和生化方面的研究進(jìn)行揭示(McMenimanetal., 2014)。

續(xù)表1 Table 1 continued

與果蠅和蚊子相比，其他昆蟲(chóng)CO2受體功能的研究較少。將棉鈴蟲(chóng)的3個(gè)CO2受體HarmGR1, HarmGR2和HarmGR3分別在Sf9細(xì)胞中表達(dá)，鈣離子成像分析結(jié)果表明只有表達(dá)HarmGR3的細(xì)胞對(duì)碳酸氫鈉溶液有明顯反應(yīng)(Xu and Anderson, 2015)。隨后，也有研究者將棉鈴蟲(chóng)的3個(gè)CO2受體單獨(dú)地或以不同的組合形式(HarmGR1+HarmGR2, HarmGR1+HarmGR3, HarmGR2+HarmGR3和HarmGR1+HarmGR2+HarmGR3)在爪蟾卵母細(xì)胞中表達(dá)，雙電極電壓鉗記錄結(jié)果證明只有在HarmGR1和HarmGR3共表達(dá)的情況下，爪蟾卵母細(xì)胞才對(duì)碳酸氫鈉溶液有反應(yīng)(Ningetal., 2016)。因此，棉鈴蟲(chóng)CO2受體基因的體外功能還存在爭(zhēng)議。用RNAi技術(shù)分別干擾玉米根螢葉甲CO2受體基因DvvGR1,DvvGR2和DvvGR3的表達(dá)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)DvvGR2在幼蟲(chóng)對(duì)CO2的趨向行為中發(fā)揮著重要作用(Arceetal., 2021)。

2.2.3CO2受體對(duì)氣味物質(zhì)的感受：隨著對(duì)昆蟲(chóng)CO2受體功能研究的不斷深入，一些揮發(fā)性氣味物質(zhì)作為CO2神經(jīng)元的拮抗劑或激動(dòng)劑在果蠅和蚊子中被發(fā)現(xiàn)(Luetal., 2007; Turner and Ray, 2009; Turneretal., 2011; Tauxeetal., 2013; MacWilliametal., 2018; Coutinho-Abreuetal., 2019)。這些揮發(fā)性氣味包括正己醇(hexanol)(Turner and Ray, 2009)等醇類(lèi)，2,3-丁二酮(2,3-butanedione)(Turner and Ray, 2009; Turneretal., 2011)、2-丁酮(2-butanone)(Turneretal., 2011)、環(huán)戊酮(Coutinho-Abreuetal., 2019)等酮類(lèi)，反式-2-甲基-2-丁烯醛[(E)-2-methylbut-2-enal](Coutinho-Abreuetal., 2019)、正丁醛(butanal)(Turner and Ray, 2009)、丙醛(propanal)(Coutinho-Abreuetal., 2019)等醛類(lèi)，丙酮酸乙酯(ethyl pyruvate)和丙酮酸甲酯(methyl pyruvate)等酯類(lèi)(Tauxeetal., 2013)，異丁酸(isobutyric acid)等酸類(lèi)(Kumaretal., 2020)，亞精胺(spermidine)和丁胺(butylamine)等胺類(lèi)(MacWilliametal., 2018)物質(zhì)。CO2神經(jīng)元的拮抗劑可以使蚊類(lèi)對(duì)皮膚氣味的電生理反應(yīng)和行為反應(yīng)都顯著下降，這一發(fā)現(xiàn)為驅(qū)蚊劑的制作提供了新的思路(Tauxeetal., 2013)。CO2神經(jīng)元的激動(dòng)劑對(duì)蚊類(lèi)具有吸引作用，其引誘效果與CO2相近，為開(kāi)發(fā)適用于發(fā)展中國(guó)家的蚊蟲(chóng)誘捕器提供了新策略(Tauxeetal., 2013)。那么感受這些揮發(fā)性氣味物質(zhì)的過(guò)程中是CO2受體在發(fā)揮作用，還是在CO2神經(jīng)元上表達(dá)的其他受體在發(fā)揮作用？有報(bào)道利用果蠅空神經(jīng)元系統(tǒng)證實(shí)了正己醇和2,3-丁二酮等抑制果蠅觸角感受CO2神經(jīng)元活性的氣味物質(zhì)只特異性地抑制表達(dá)果蠅CO2受體GR21a/GR63a的神經(jīng)元(Turner and Ray, 2009)，并且GR63a突變體果蠅對(duì)激活或抑制ab1C神經(jīng)元活性氣味物質(zhì)的反應(yīng)消失(Tauxeetal., 2013; MacWilliametal., 2018)，類(lèi)似的研究結(jié)果在蚊子中也被證實(shí)(Tauxeetal., 2013; MacWilliametal., 2018; Kumaretal., 2020)。這些研究結(jié)果表明昆蟲(chóng)CO2受體除了感受CO2以外，很可能也感受一些特殊的氣味物質(zhì)。

2.3 CO2信號(hào)在外周神經(jīng)水平上的傳導(dǎo)機(jī)制

CO2信號(hào)在昆蟲(chóng)CO2受體神經(jīng)元中的傳導(dǎo)機(jī)制目前僅有大致的推測(cè)，這一推測(cè)主要來(lái)源于黑腹果蠅和埃及伊蚊的相關(guān)研究結(jié)果。研究者利用RNA干擾技術(shù)揭示G蛋白在果蠅感受氣味物質(zhì)和CO2過(guò)程中的作用時(shí)，發(fā)現(xiàn)干擾Gαq和Gγ30A會(huì)減小GR21a/GR63a調(diào)控的CO2反應(yīng)，并且Gαq對(duì)果蠅感受CO2神經(jīng)元ab1C的發(fā)育和功能是必需的(Yao and Carlson, 2010)。隨后又有報(bào)道稱(chēng)經(jīng)典型瞬時(shí)受體電位通道(canonical transient receptor potential channel)(簡(jiǎn)稱(chēng)TRPC通道)及磷脂酶C(phospholipase C)(簡(jiǎn)稱(chēng)Plc21c)在果蠅GR21a/GR63a受體神經(jīng)感受CO2的過(guò)程中也起著重要作用(Badshaetal., 2012)。能解釋這些研究結(jié)果的最好假設(shè)是昆蟲(chóng)的CO2受體是被其他信號(hào)通路調(diào)控的配體陽(yáng)離子通道，這個(gè)調(diào)控可能是通過(guò)磷酸化或其他一些轉(zhuǎn)譯后修飾(Nakagawa and Vosshall, 2009; Jones, 2013)。因此，研究者在黑腹果蠅中提出1個(gè)這樣的CO2信號(hào)傳導(dǎo)通路：涉及到Gαq的G蛋白信號(hào)(DmGα49B)，激活磷脂酶C(Plc-?)通路，通過(guò)DmPlc21c調(diào)控下游的Trps, DmTRP和DmTRPL(Hilletal., 2019)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)測(cè)序技術(shù)鑒定得到與果蠅同源的Plcb, Trp和Gα49B在雌性埃及伊蚊下顎須中表達(dá)，且表達(dá)量很相近，這些基因可能在果蠅中行使一樣的功能：位于CO2受體下游支持埃及伊蚊對(duì)CO2的正常反應(yīng)，說(shuō)明埃及伊蚊的CO2信號(hào)傳導(dǎo)通路與黑腹果蠅相似(Bohbotetal., 2014)。近來(lái)，Hill等(2019)的研究結(jié)果支持了這一假設(shè)，因?yàn)樵诖菩园＜耙廖弥信cCO2信號(hào)傳導(dǎo)通路相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄本數(shù)量在雌蚊吸血后24 h減少，相應(yīng)對(duì)CO2的電生理反應(yīng)也減小。圖1為推測(cè)的昆蟲(chóng)CO2信號(hào)傳導(dǎo)通路模式圖(Hilletal., 2019)。

圖1 推測(cè)的昆蟲(chóng)CO2信號(hào)傳導(dǎo)通路模式圖(仿Hill et al., 2019)

3 昆蟲(chóng)在中樞神經(jīng)水平上感受CO2機(jī)制的研究進(jìn)展

3.1 CO2信號(hào)在腦初級(jí)中樞觸角葉中的處理

觸角葉(antennal lobe, AL)是昆蟲(chóng)腦中處理CO2信息的初級(jí)神經(jīng)中樞(Guerensteinetal., 2004a)。黑腹果蠅感受CO2的神經(jīng)元投射到觸角葉中一個(gè)單獨(dú)的嗅小球，因?yàn)榇诵嵝∏蛭挥谟|角葉的最腹側(cè)，因此被命名為嗅小球V(Suhetal., 2004)。在埃及伊蚊中，相應(yīng)的CO2神經(jīng)元投射到觸角中1個(gè)位于背內(nèi)側(cè)的嗅小球中(Distler and Boeckh, 1997; Antonetal., 2003)。岡比亞按蚊的CO2神經(jīng)最終投射到觸角葉中的3個(gè)嗅小球，這3個(gè)嗅小球不接受來(lái)自觸角的神經(jīng)輸入，但后期試驗(yàn)證明其中兩個(gè)嗅小球可以接收伴隨CO2信息的其他嗅覺(jué)信息(Ignelletal., 2005)。此外，與黑腹果蠅和埃及伊蚊不同，岡比亞按蚊的CO2神經(jīng)投射是雙邊投射，既可以投射到同側(cè)的觸角葉，也可以投射到對(duì)側(cè)的觸角葉，而黑腹果蠅和埃及伊蚊的CO2神經(jīng)元只投射到與身體同側(cè)的嗅小球中(Antonetal., 2003; Anton and Rospars, 2004)。

與雙翅目蠅類(lèi)和蚊類(lèi)的研究結(jié)果相似，棉鈴蟲(chóng)(Zhaoetal., 2013; Maetal., 2017)、煙草天蛾(Guerensteinetal., 2004a)等鱗翅目蛾類(lèi)的LPO感覺(jué)神經(jīng)元也投射到觸角葉一個(gè)單獨(dú)的嗅小球中，它位于觸角葉的最腹側(cè)，被命名為下唇須陷窩器神經(jīng)纖維球(labial pit organ glomerulus, LPOG)。LPOG除了接收來(lái)自CO2受體神經(jīng)元的投射外，并不接收其他氣味受體神經(jīng)元的投射，因此猜測(cè)LPOG專(zhuān)門(mén)處理CO2信息。此外，蛾類(lèi)的CO2神經(jīng)元投射模式與岡比亞按蚊相同，都是雙邊投射(Kcetal., 2020)。

3.2 CO2信息在腦高級(jí)神經(jīng)中樞的處理

昆蟲(chóng)嗅覺(jué)系統(tǒng)的神經(jīng)投射在果蠅和蛾類(lèi)中的報(bào)道較為詳細(xì)，因?yàn)楣壥悄Ｊ嚼ハx(chóng)，而蛾類(lèi)的神經(jīng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可操作且嗅覺(jué)系統(tǒng)靈敏(Ianetal., 2016)。觸角葉將接收的嗅覺(jué)信息經(jīng)過(guò)初步處理后經(jīng)由二級(jí)投射神經(jīng)元投射到蕈形體冠(calyx, Ca)和側(cè)角(lateral horn, LH)(Martinetal., 2011; Asoetal., 2014)。蕈形體冠為球狀或杯狀結(jié)構(gòu)區(qū)，屬于蕈形體(mushroom body, MB)的一部分，通常位于腦的后端，其功能主要是感知昆蟲(chóng)的嗅覺(jué)信息(Itoetal., 2014)。側(cè)角位于腹外側(cè)前腦的兩側(cè)，接收來(lái)自觸角葉的單球和多球投射神經(jīng)元的信息(Itoetal., 2014; Ianetal., 2016)。觸角葉內(nèi)的CO2投射神經(jīng)元在LPOG內(nèi)形成復(fù)雜的樹(shù)突，然后這些投射神經(jīng)元繼續(xù)向腦的高級(jí)中樞投射到前腦的側(cè)角，再向上投射到蕈形體冠(Ianetal., 2016)。

4 昆蟲(chóng)感受CO2的其他通路

蜜蜂和螞蟻的基因組中并未鑒定到CO2受體基因的同源基因，但這兩者對(duì)CO2的反應(yīng)早有報(bào)道，這暗示了昆蟲(chóng)中可能存在其他感受CO2的通路。這一猜想在果蠅中得到了證實(shí)。果蠅喙上的味覺(jué)受體神經(jīng)元對(duì)低濃度的水溶CO2和高濃度的氣態(tài)CO2有反應(yīng)，但之前已報(bào)道的CO2受體在這些味覺(jué)神經(jīng)元中并不表達(dá)，并且味覺(jué)神經(jīng)元的突變體并不影響果蠅對(duì)CO2的嗅覺(jué)感受，而GR63a突變體對(duì)水溶性CO2仍然具有味覺(jué)偏好性，說(shuō)明味覺(jué)和嗅覺(jué)感受CO2的分子機(jī)制可能也是相互獨(dú)立的(Fischleretal., 2007)。進(jìn)化上保守的離子型受體(ionotropic receptor, IR)在果蠅的CO2感受中也可以單獨(dú)起作用：利用CRISPR/Cas9技術(shù)分別對(duì)在果蠅唇味覺(jué)神經(jīng)(labellar taste peg neuron)上表達(dá)的IR56d,IR25a和IR76b進(jìn)行敲除，所得突變體對(duì)飽和碳酸溶液的電生理反應(yīng)和行為學(xué)反應(yīng)完全消失，說(shuō)明IR56d, IR25a和IR76b在唇味覺(jué)神經(jīng)中對(duì)感受CO2至關(guān)重要(Bentonetal., 2009; Sánchez-Alcaizetal., 2018)。此外，研究發(fā)現(xiàn)果蠅對(duì)CO2的反應(yīng)由兩條不同的神經(jīng)通路調(diào)控，分別為CO2吸引果蠅的神經(jīng)通路和果蠅逃避CO2的神經(jīng)通路，而前者需要IR25a的參與(van Breugeletal., 2018)。并且，IR64a也參與了果蠅對(duì)較高濃度的CO2(>5%)的感受(Aietal., 2010)。盡管IR參與昆蟲(chóng)對(duì)CO2感受的研究主要集中在果蠅中，但是IR本身在進(jìn)化中比較保守，因此推測(cè)IR很可能在其他昆蟲(chóng)中也參與了對(duì)CO2的感受。

5 小結(jié)與展望

CO2是環(huán)境中無(wú)處不在的一種化學(xué)信號(hào)，昆蟲(chóng)可以通過(guò)識(shí)別這一信號(hào)完成特定的生命活動(dòng)。在大氣CO2濃度日益增高的趨勢(shì)下，昆蟲(chóng)的一些生物學(xué)特性肯定會(huì)受到影響，包括種群的發(fā)育和繁殖(Wuetal., 2006; 趙磊等, 2015)、某些昆蟲(chóng)特定行為的變化(吳華等, 2011)、甚至是昆蟲(chóng)外部形態(tài)的改變(沙威等, 2016)。圍繞CO2對(duì)昆蟲(chóng)的影響和昆蟲(chóng)感受CO2機(jī)制展開(kāi)研究不僅可以給昆蟲(chóng)的生態(tài)適應(yīng)、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)等相關(guān)研究提供思路，還能夠?yàn)楹οx(chóng)防治提供潛在的理論基礎(chǔ)。昆蟲(chóng)感受CO2的機(jī)制研究在2007年首次鑒定得到果蠅CO2受體后取得了很大進(jìn)展，這些進(jìn)展主要集中在多種昆蟲(chóng)中CO2受體的鑒定、CO2受體的功能、感受CO2神經(jīng)元在腦中的投射通路等方面。但在相關(guān)研究中仍然存在諸多問(wèn)題未有定論，例如：除果蠅外其他昆蟲(chóng)中CO2受體的功能；CO2信息在外周的傳導(dǎo)機(jī)制；在果蠅中報(bào)道的其他感受CO2通路是否普遍存在于其他昆蟲(chóng)中。這些問(wèn)題為進(jìn)一步探索昆蟲(chóng)感受CO2機(jī)制指明了方向。