棉鈴蟲嗅覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能研究進(jìn)展

劉曉嵐, 尚冬雅, 趙新成*, 王桂榮

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院, 河南省害蟲綠色防控國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450002; 2.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)

棉鈴蟲Helicoverpaarmigera隸屬于鱗翅目Lepidoptera夜蛾科Noctuidae,是世界上重要的多食性農(nóng)業(yè)害蟲。棉鈴蟲尋找寄主、識(shí)別配偶以及選擇產(chǎn)卵位點(diǎn)等與生存和繁衍密切相關(guān)的行為主要依賴于嗅覺神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控。近年來,關(guān)于棉鈴蟲嗅覺感受的神經(jīng)和分子機(jī)制研究獲得突飛猛進(jìn)的發(fā)展,同時(shí),利用棉鈴蟲嗅覺行為進(jìn)行害蟲防控的技術(shù)也取得了重要突破[1-2]。本文將對(duì)棉鈴蟲嗅覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的研究進(jìn)展進(jìn)行系統(tǒng)詳盡的綜述,以期為后續(xù)棉鈴蟲嗅覺機(jī)理研究和行為調(diào)控技術(shù)開發(fā)提供參考。

1 棉鈴蟲外周嗅覺系統(tǒng)

1.1 棉鈴蟲外周嗅覺器官及功能

1.1.1觸角

觸角(antennae)是棉鈴蟲主要的外周嗅覺感受器官,由柄節(jié)、梗節(jié)和鞭節(jié)組成,其中鞭節(jié)包含72～82個(gè)亞節(jié),背側(cè)多被鱗片覆蓋,腹側(cè)密集分布著感器[3]。掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn),棉鈴蟲觸角鞭節(jié)上共有6類感器,即毛形感器(sensillum trichodeum)、錐形感器(sensillum basiconicum)、刺形感器(sensillum chaeticum)、耳形感器(sensillum auricillicum)、腔錐形感器(sensillum coeloconicum)和栓錐形感器(sensillum styloconicum)[4]。毛形感器和錐形感器為常見的嗅覺感器,感器壁上有多個(gè)微孔。其中毛形感器為棉鈴蟲觸角上數(shù)量最多的感器,雌雄性棉鈴蟲的毛形感器在數(shù)量上和形態(tài)上均有差異,雄性的毛形感器數(shù)量較多,且長度較長,末端稍彎曲[5]。

觸角電位圖(electroantennogram,EAG)技術(shù)記錄表明,棉鈴蟲的觸角可以感受性信息素和寄主植物揮發(fā)性化合物等氣味信息物質(zhì)[6-14]。單感器記錄(single sensillum recording,SSR)發(fā)現(xiàn)，雄性棉鈴蟲毛形感器能夠感受雌性信息素[15-20]。根據(jù)性信息素種類和反應(yīng)特性,可以將性信息素敏感毛形感器歸為A、B和C 3種類型。A類型毛形感器感受順-11-十六碳烯醛(cis-11-hexadecenal,Z11-16∶Ald);B類型毛形感器感受順-9-十四碳烯醛(cis-9-tetradecenal,Z9-14∶Ald);C類型毛形感器感受順-9-十六碳烯醛(cis-9-hexadecenal,Z9-16∶Ald)和Z9-14∶Ald,順-11-十六碳烯醇(cis-11-hexadecenol,Z11-16∶OH)和順-11-十六乙酸酯(cis-11-hexadecenyl acetate,Z11-16∶Ac)[17]。其中,B類型毛形感器可分為B1和B2亞型,B1亞型感受Z9-14∶Ald,B2亞型感受Z9-14∶Ald和Z11-16∶OH;C類型毛形感器可分為C1、C2和C3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[16]。Z11-16∶Ald為棉鈴蟲主要性信息素成分,Z9-16∶Ald為次要成分,兩者比例為97∶3時(shí)引誘雄性棉鈴蟲的活性最高。Z9-14∶Ald對(duì)棉鈴蟲具有雙重作用,即低劑量時(shí)可增加性信息素Z11-16∶Ald和Z9-16∶Ald的引誘活性,而高劑量時(shí)則抑制性信息素的引誘活性。Z11-16∶OH為行為抑制劑,Z11-16∶Ac對(duì)棉鈴蟲沒有顯著的行為引誘作用[21]。雄性棉鈴蟲的A類型毛形感器數(shù)量最多,C類型的數(shù)量次之,B類型毛形感器數(shù)量最少[17]。

對(duì)雌性棉鈴蟲觸角上的毛形感器的功能研究較少,電生理研究表明,雌性棉鈴蟲毛形感器可以感受雌性信息素、寄主植物揮發(fā)性化合物和花香氣味[22-23]。棉鈴蟲觸角上的錐形感器也為嗅覺感器,可感受植物揮發(fā)性化合物[22, 24-25]。但是,刺形感器、栓錐形感器、耳形感器、腔錐形感器等類型觸角感器的功能尚未見報(bào)道,需要進(jìn)一步研究。

1.1.2下唇須

棉鈴蟲下唇須(labial palps)位于頭部下面,喙的兩側(cè),表面被密集的鱗片覆蓋。每個(gè)下唇須由3節(jié)組成,第3節(jié)末端有一開口,在開口內(nèi)部可以看到一個(gè)瓶狀結(jié)構(gòu),稱為下唇須陷窩器(labial-palp pit organ,LPO)。棉鈴蟲的LPO長約300 μm,寬約60 μm,內(nèi)部約含有1 200個(gè)感器,感器內(nèi)多數(shù)只含有1個(gè)感受神經(jīng)元,根據(jù)其形態(tài)主要分為兩類,即毛狀感器(hair-shaped sensillum)和棒狀感器(club-shaped sensillum),它們分別位于陷窩器上部和下部[26-27]。單感器電生理記錄表明,棉鈴蟲LPO感器能夠感受CO2濃度的變化[28-29]。但這兩種類型感器都感受CO2還是其中一種類型感器感受還未明確。行為測定表明,蛾類通過探測CO2信息尋找寄主植物蜜源或產(chǎn)卵場所[30]。但棉鈴蟲感受CO2的行為學(xué)意義和生態(tài)學(xué)意義尚未明確,亟待進(jìn)一步研究。

1.1.3其他附肢的嗅覺感器

已有研究表明,除觸角和下唇須以外,昆蟲頭部的其他器官以及翅、足和產(chǎn)卵器等也具有嗅覺感器。例如,黑腹果蠅Drosophilamelanogaster的下顎須表面分布了60個(gè)感受多種氣味信息的錐形感器[31];蚊類的下顎須具有感受CO2的感器[32-34]。此外,埃及伊蚊Aedesaegypti的翅和足部跗節(jié)也具有感知揮發(fā)性化合物的感器[35]。煙草天蛾Manducasexta的喙頂端具有感受花香氣味的感器[36]。煙青蟲Helicoverpaassulta產(chǎn)卵器存在感受寄主植物揮發(fā)物以定位適宜產(chǎn)卵位點(diǎn)的嗅覺感器[37]。掃描電鏡觀察表明,棉鈴蟲的喙上具有一些栓錐形感器,該感器表面具有多孔結(jié)構(gòu),暗示其可能具有嗅覺感受的功能[38]。棉鈴蟲的足、翅、產(chǎn)卵器等器官是否也具有嗅覺感器,還需要進(jìn)一步研究。

1.2 棉鈴蟲外周嗅覺感受相關(guān)蛋白的組織分布和功能

棉鈴蟲觸角轉(zhuǎn)錄組分析表明,觸角內(nèi)表達(dá)有133種化學(xué)感受相關(guān)的蛋白,包括60種氣味受體(olfactory receptors,ORs),19種離子型受體(ionotropic receptors,IRs),34種氣味結(jié)合蛋白(odorant-binding proteins,OBPs),18種化學(xué)感受蛋白(chemosensory proteins,CSPs)和2種感覺神經(jīng)元膜蛋白(sensory neuron membrane proteins,SNMPs)[39-40]。棉鈴蟲喙和下唇須轉(zhuǎn)錄組分析證明,喙和下唇須內(nèi)也表達(dá)有多種氣味受體、離子型受體、氣味結(jié)合蛋白、化學(xué)感受蛋白和感覺神經(jīng)元膜蛋白,這些結(jié)果進(jìn)一步表明觸角是棉鈴蟲的主要嗅覺器官,喙和下唇須也具有嗅覺功能。

棉鈴蟲觸角中檢測到7種性信息素受體基因,HarmOR6、HarmOR11、HarmOR13、HarmOR14(或HarmOR14a)、HarmOR14b、HarmOR15和HarmOR16的表達(dá)。利用爪蟾Xenopuslaevis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)技術(shù)研究發(fā)現(xiàn),受體HarmOR13能感受Z11-16∶Ald[41-45],HarmOR14b感受Z9-14∶Ald[43-44],HarmOR16感受Z11-16∶OH和Z9-14∶Ald[41,44-45],HarmOR6感受Z9-16∶Ald和Z9-14∶Ald[41],或Z9-16∶OH和順-9-十四碳烯醇(cis-9-tetradecenol,Z9-14∶OH)[43,45]。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)的不同和測定化合物譜的大小相關(guān)。目前尚未發(fā)現(xiàn)受體HarmOR11, HarmOR14與HarmOR15的配體。如果敲除HarmOR14基因,棉鈴蟲成蟲的交配時(shí)間和持續(xù)時(shí)長均發(fā)生變化,說明HarmOR14參與調(diào)控棉鈴蟲的交配行為[46]。

關(guān)于棉鈴蟲普通氣味受體的功能研究也取得了一些進(jìn)展,至目前已有28種受體的配體得到鑒定(HarmOR3、HarmOR7、HarmOR8、HarmOR25、HarmOR29、HarmOR43、HarmOR40、HarmOR55、HarmOR56、HarmOR12、HarmOR19、HarmOR22、HarmOR23、HarmOR26、HarmOR27、HarmOR31、HarmOR35、HarmOR36、HarmOR42、HarmOR48、HarmOR50、HarmOR52、HarmOR59、HarmOR60、HarmOR63、HarmOR66、HarmOR67)[47-48]。棉鈴蟲的喙上表達(dá)3種氣味受體,分別為HarmOR24、HarmOR30和HarmOR58,其中HarmOR30感受含氮化合物吲哚[49]。在棉鈴蟲觸角中表達(dá)19 種IRs[39-40]，其中HarmIR8a在觸角中高表達(dá),原位雜交顯示HarmIR8a廣泛存在于腔錐形感器內(nèi),表明該受體很可能也參與了氣味的識(shí)別[50]。

棉鈴蟲感受CO2的受體為HarmGr1、HarmGr2和HarmGr3,這3種受體共同表達(dá)在下唇須的感器神經(jīng)元中,其中HarmGr1和HarmGr3是棉鈴蟲感受CO2必不可少的[29]。

運(yùn)用熒光競爭結(jié)合試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),棉鈴蟲觸角表達(dá)的3種信息素結(jié)合蛋白(pheromone-binding proteins,PBPs),HarmPBP1、HarmPBP2和HarmPBP3可以與Z11-16∶Ald和Z9-16∶Ald結(jié)合,且HarmPBP1與Z9-16∶Ald的結(jié)合力較強(qiáng)[51-53]。進(jìn)一步利用RNA干擾技術(shù)研究發(fā)現(xiàn),HarmPBP1與HarmPBP2同時(shí)沉默則會(huì)導(dǎo)致雄性棉鈴蟲對(duì)Z11-16∶Ald的敏感性降低,說明HarmPBP1與HarmPBP2都參與了主要性信息素組分的識(shí)別[54]。而利用CRISPR-Cas9基因敲除技術(shù)敲除HarmPBP1基因后,雄性棉鈴蟲對(duì)Z11-16∶Ald,Z9-16∶Ald的電生理反應(yīng)都會(huì)顯著降低[51]。除PBPs外,氣味結(jié)合蛋白HarmOBP7對(duì)Z11-16∶Ald和Z9-16∶Ald也有結(jié)合作用,說明氣味結(jié)合蛋白也可能參與性信息素的識(shí)別[55]。棉鈴蟲的HarmSNMP1特異表達(dá)在成蟲觸角上,HarmSNMP2則存在于成蟲觸角和跗節(jié)上[56]。利用CRISPR/Cas9技術(shù)結(jié)合觸角單感器記錄、風(fēng)洞試驗(yàn),表明HarmSNMP1對(duì)感受長鏈性信息素(十六碳)組分有重要作用,但對(duì)感受短鏈性信息素則不是必需的[57]。在棉鈴蟲觸角轉(zhuǎn)錄組中鑒定到19種CSPs,在喙和下唇須轉(zhuǎn)錄組中鑒定到26種CSPs,而在棉鈴蟲基因組內(nèi)鑒定到27種[38,40,58],但關(guān)于棉鈴蟲CSPs功能的研究尚未見報(bào)道。

2 棉鈴蟲嗅覺中樞神經(jīng)系統(tǒng)

近些年,關(guān)于棉鈴蟲嗅覺中樞神經(jīng)系統(tǒng)的研究也取得了一定進(jìn)展,但多數(shù)研究聚焦在棉鈴蟲腦內(nèi)處理嗅覺信息的初級(jí)神經(jīng)中樞—觸角葉。觸角葉位于中腦,呈球形結(jié)構(gòu),對(duì)稱分布在食道孔兩側(cè),通過觸角神經(jīng)與外周的觸角相聯(lián)系[59]。同多數(shù)昆蟲一樣,棉鈴蟲觸角葉的顯著特征就是其內(nèi)部由許多神經(jīng)纖維球(glomerulus)構(gòu)成。神經(jīng)纖維球是觸角葉神經(jīng)元形成突觸聯(lián)系的地方,是嗅覺信息處理的基本單位。

2.1 觸角葉神經(jīng)纖維球

先前報(bào)道的蛾類昆蟲的神經(jīng)纖維球數(shù)量為50～70個(gè),其中棉鈴蟲的觸角葉神經(jīng)纖維球?yàn)?5個(gè)[60]。利用突觸蛋白免疫染色標(biāo)記和觸角葉神經(jīng)元追蹤標(biāo)記發(fā)現(xiàn),棉鈴蟲觸角葉內(nèi)約有80個(gè)神經(jīng)纖維球[59]。該數(shù)量與棉鈴蟲表達(dá)的60個(gè)ORs和19個(gè)IRs的數(shù)量之和相當(dāng),符合昆蟲觸角葉神經(jīng)纖維球數(shù)量和ORs、IRs受體數(shù)量一致的假說。依據(jù)纖維球的位置和排列方式,雌雄棉鈴蟲觸角葉神經(jīng)纖維球均可分為4組。在觸角神經(jīng)進(jìn)入腦的入口處,雄性棉鈴蟲觸角葉具有3個(gè)體積擴(kuò)大的神經(jīng)纖維球,稱為巨大型纖維球復(fù)合體(macroglomerular complex, MGC),為雄性特有。雌性棉鈴蟲沒有MGC,但在對(duì)應(yīng)的位置有5個(gè)雌性特異的神經(jīng)纖維球,稱為雌性特異纖維球復(fù)合體(female-specific glomerular complex,Fx)。除雌雄特異的神經(jīng)纖維球復(fù)合體外,其他纖維球劃分為明顯的3組,即后側(cè)纖維球復(fù)合體(posterior complex,PCx)、下唇須陷窩器纖維球(labial pit organ glomerulus,LPOG)和普通神經(jīng)纖維球(ordinary glomerulus,OG)。棉鈴蟲的OG由66個(gè)纖維球構(gòu)成,在數(shù)量、大小、位置和排放方式上,雌雄棉鈴蟲的OG非常相似,僅有G1、G3、G7、G12、G14、G18、G32、G35、G36、G37、G53、G61和G70等13個(gè)纖維球在體積上存在性別差異, 雌性的G1、G7、G14、G35和G36的體積比雄性的大,其余8個(gè)OG纖維球是雄性的體積大于雌性的。LPOG僅包括一個(gè)纖維球,位于觸角葉腹側(cè),與下唇須相聯(lián)系。雌性的LPOG體積比雄性的稍大。PCx位于性別特異纖維球復(fù)合體后側(cè),雄性棉鈴蟲的PCx由10個(gè)纖維球組成,而雌性由9個(gè)組成。其中G75僅存在于雄性PCx中,而雌性缺失。另外,雌性PCx的G52和G57的體積比雄性的大,而G49、G51、G54和G55的體積比雄性的小。

目前,關(guān)于棉鈴蟲觸角葉神經(jīng)纖維球的功能研究僅聚焦在MGC和LPOG上。棉鈴蟲MGC主要參與性信息素及相關(guān)氣味信息的處理。棉鈴蟲MGC包含3個(gè)體積擴(kuò)大型神經(jīng)纖維球,即云狀體(cumulus,Cu)、背中前側(cè)纖維球(anterior dorsomedial unit,DMA)和背中后側(cè)纖維球(posterior dorsomedial unit,DMP)。利用鈣離子成像、感器神經(jīng)元染色追蹤以及胞內(nèi)記錄和染色標(biāo)記等技術(shù)研究證明,Cu的功能是負(fù)責(zé)處理主要性信息素Z11-16∶Ald,DMA負(fù)責(zé)處理行為拮抗劑信號(hào)Z9-14∶Ald和Z11-16∶OH,而DMP負(fù)責(zé)處理次要性信息素Z9-16∶Ald和Z9-14∶Ald[16,18,20,61]。LPOG的功能是負(fù)責(zé)處理CO2信號(hào)[62]。關(guān)于棉鈴蟲PCx和OG功能方面尚未見有深入的研究報(bào)道,少數(shù)胞內(nèi)記錄和染色標(biāo)記證明感受植物氣味的神經(jīng)元分支分布在OG內(nèi)[62]。

2.2 觸角葉神經(jīng)元

棉鈴蟲觸角葉神經(jīng)纖維球內(nèi)錯(cuò)綜連接的神經(jīng)纖維主要來自4種類型的觸角葉神經(jīng)元,即嗅覺感受神經(jīng)元(olfactory sensory neurons,OSNs)、局域中間神經(jīng)元(local interneurons,LNs)、投射神經(jīng)元(projection neurons,PNs)和遠(yuǎn)心神經(jīng)元(centrifugal neurons,CNs)[59,61]。最近,神經(jīng)連接組學(xué)研究發(fā)現(xiàn),黑腹果蠅的觸角葉內(nèi),4類觸角葉神經(jīng)元間形成了復(fù)雜的突觸聯(lián)系[63]。

2.2.1嗅覺感受神經(jīng)元

觸角填充染色標(biāo)記顯示,棉鈴蟲觸角感器內(nèi)的OSNs神經(jīng)元主要投射到觸角葉神經(jīng)纖維球,其軸突末端主要分布在神經(jīng)纖維球外層[59]。一般同一個(gè)神經(jīng)纖維球的OSNs表達(dá)同類OR,即遵循“1受體—1嗅覺感受神經(jīng)元—1神經(jīng)纖維球”的假說[64]。受體基因原位雜交、單感器記錄和染色標(biāo)記研究結(jié)果顯示,雄性棉鈴蟲感受主要性信息素的HarmOR13在A類毛形感器中的OSN內(nèi)表達(dá),該OSN的軸突末端投射進(jìn)觸角葉MGC內(nèi)的Cu;感受Z9-14∶Ald的HarmOR14b在B類毛形感器中的OSN內(nèi)表達(dá),該OSN的軸突末端投射到觸角葉MGC的DMA內(nèi);感受Z11-16∶OH與Z9-14∶Ald 的HarmOR16和感受Z9-16∶Ald與Z9-14∶Ald的HarmOR6分別在C類毛形感器的兩個(gè)OSNs中表達(dá),這兩個(gè)OSNs的軸突末端分別投射到觸角葉MGC的DMA和DMP[20,44]。棉鈴蟲性信息素感受相關(guān)受體—OSN—神經(jīng)纖維球的圖譜對(duì)應(yīng)關(guān)系,支持 “1受體—1嗅覺感受神經(jīng)元—1神經(jīng)纖維球”的嗅覺感受假說。另外,示蹤染色LPO感器,發(fā)現(xiàn)其內(nèi)OSNs的軸突沿著下唇神經(jīng)投射至同側(cè)和對(duì)側(cè)觸角葉內(nèi)的LPOG,LPO感器內(nèi)感受CO2信號(hào)的OSNs投射到LPOG,顯示出不同的嗅覺器官處理的氣味信息從外周到初級(jí)中樞是空間分離的[26-27]。目前已鑒定出了28個(gè)普通氣味受體氣味分子配體,明確了其氣味感受功能[48],但表達(dá)這些受體的OSNs與觸角葉神經(jīng)元纖維球的圖譜對(duì)應(yīng)關(guān)系尚未明確。深入研究表達(dá)普通氣味受體的OSNs到觸角葉纖維球的中樞投射,將有助于揭示觸角葉普通神經(jīng)纖維球?qū)闹髦参餁馕兜木幋a圖譜。

2.2.2局域中間神經(jīng)元

局域中間神經(jīng)元(LNs)的細(xì)胞體位于觸角葉外側(cè)細(xì)胞體群,其神經(jīng)分支僅分布在觸角葉內(nèi),為單極神經(jīng)元。根據(jù)神經(jīng)分支在神經(jīng)纖維球內(nèi)的分布模式和范圍,棉鈴蟲觸角葉LNs可分為多球LNs(multiglomerular LNs)和寡球LNs(oligoglomerular LNs)。多球LNs為棉鈴蟲觸角葉內(nèi)數(shù)量最多的LNs,其神經(jīng)分支延伸至絕大多數(shù)觸角葉神經(jīng)纖維球內(nèi)。根據(jù)神經(jīng)分支在神經(jīng)纖維球的分布密度可分為稠密型LNs和稀疏型LNs。根據(jù)分支對(duì)稱性,又分為對(duì)稱分布型LNs和非對(duì)稱分布型LNs,對(duì)稱型指神經(jīng)分支在有分布的神經(jīng)纖維球內(nèi)密度相似,非對(duì)稱型指神經(jīng)分支在有分布的神經(jīng)纖維球內(nèi)密度不同,如在MGC內(nèi),30%多球LNs的神經(jīng)分支密度相對(duì)稀疏;在PCx內(nèi),18%多球LNs的神經(jīng)分支密度相對(duì)稀疏,2%多球LNs的神經(jīng)分支密度相對(duì)稠密,還有2%多球LNs在此結(jié)構(gòu)無分支;在LPOG內(nèi),17%多球LNs的神經(jīng)分支密度相對(duì)稀疏,9%多球LNs無分支。有少數(shù)多球LNs的一條神經(jīng)分支延伸出觸角葉投射到觸角葉后腹側(cè)峽部神經(jīng)髓(antennal lobe isthmus,IST)。寡球LNs神經(jīng)分支分布于60%～70%的觸角葉神經(jīng)纖維球內(nèi),如棉鈴蟲LN49的神經(jīng)纖維分布在大多數(shù)OG和LPOG內(nèi),但在PCx和MGC中無神經(jīng)分支,LN51的神經(jīng)纖維分布在大多數(shù)OG和MGC內(nèi),但在PCx和LPOG內(nèi)無神經(jīng)分支[65]。

研究表明,昆蟲觸角葉內(nèi)的LNs主要通過側(cè)興奮或側(cè)抑制調(diào)節(jié)觸角葉神經(jīng)纖維球之間的相互作用,并對(duì)觸角葉內(nèi)信息傳遞到輸出過程起調(diào)諧作用[66-68]。通過γ-氨基丁酸(GABA)免疫組織化學(xué)染色發(fā)現(xiàn),在果蠅、美洲大蠊Periplanetaamericana、家蠶Bombyxmori、煙草天蛾觸角葉內(nèi),多數(shù)LNs含有抑制性神經(jīng)遞質(zhì)GABA,在觸角葉內(nèi)介導(dǎo)神經(jīng)纖維球間的側(cè)抑制作用[69-73]。研究表明,LNs可通過側(cè)抑制作用增益控制平衡氣味處理效率,保持嗅覺神經(jīng)元對(duì)氣味的敏感性。當(dāng)OSNs輸入的信號(hào)較弱時(shí),LNs的側(cè)抑制作用最小,OSNs與PNs的突觸聯(lián)系較強(qiáng);當(dāng)OSNs輸入的信號(hào)較強(qiáng)時(shí),LNs發(fā)揮側(cè)抑制作用,防止刺激飽和超出PNs接收信息強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)范圍[67],且LNs側(cè)抑制作用具有選擇性,并不局限于鄰近的觸角葉神經(jīng)纖維球之間[74]。果蠅中還發(fā)現(xiàn)了少數(shù)LNs含有興奮性神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿,在觸角葉介導(dǎo)神經(jīng)纖維球間的側(cè)興奮作用,這類LNs可增強(qiáng)PNs信號(hào)向下階神經(jīng)元的傳遞[66]。此外,LNs還能促進(jìn)不同PNs對(duì)氣味刺激的同步響應(yīng)[75]。美洲大蠊中,根據(jù)LNs的電生理特征分為兩類,尖峰局域中間神經(jīng)元(spiking LNs)和非尖峰局域中間神經(jīng)元(nonspiking LNs)。前者在觸角葉神經(jīng)纖維球間信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中起主要作用,后者在觸角葉神經(jīng)纖維球內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中起主要作用[68]。但目前在棉鈴蟲中尚未有關(guān)于LN的功能研究報(bào)道。

2.2.3投射神經(jīng)元

投射神經(jīng)元(PNs)為觸角葉的輸出神經(jīng)元,其細(xì)胞體位于觸角葉細(xì)胞體群,樹突分布在神經(jīng)纖維球內(nèi),其軸突通過觸角葉神經(jīng)束(antennal lobe tract,ALT)向前腦延伸,為單極神經(jīng)元。對(duì)觸角葉進(jìn)行染色標(biāo)記研究發(fā)現(xiàn),棉鈴蟲的PNs向前腦投射的觸角葉神經(jīng)束主要有3條,即內(nèi)側(cè)觸角葉神經(jīng)束(medial ALT,mALT)、中間觸角葉神經(jīng)束(mediolateral ALT,mlALT)和外側(cè)觸角葉神經(jīng)束(lateral ALT,lALT)[76]。少數(shù)PNs投射通路為橫向觸角葉神經(jīng)束(transverse ALT,tALT)。利用細(xì)胞內(nèi)記錄與神經(jīng)示蹤研究發(fā)現(xiàn)極少數(shù)的PNs通過背中側(cè)觸角葉神經(jīng)束(dorsomedial ALT,dmALT)和背側(cè)觸角葉神經(jīng)束(dorsal ALT,dALT)向前腦投射[65]。

根據(jù)樹突分布的神經(jīng)纖維球數(shù)量,PNs分為單球PNs(uniglomerular PNs,uPNs)和多球PNs(multiglomerular PNs,mPNs)。uPNs是最常見的PNs類型,其樹突分布在1個(gè)觸角葉神經(jīng)纖維球內(nèi),細(xì)胞體多數(shù)位于觸角葉內(nèi)側(cè)細(xì)胞體群和外側(cè)細(xì)胞體群,軸突沿mALT先投射到前腦的蕈形體冠(calyx,Ca),隨后投射到側(cè)角(lateral horn,LH)。mPNs的樹突分布于多個(gè)觸角葉神經(jīng)纖維球內(nèi),細(xì)胞體一般位于外側(cè)細(xì)胞體群,軸突沿mlALT或lALT投射到前腦的LH及LH周圍的神經(jīng)髓,如上外側(cè)前腦(superior lateral protocerebrum,SLP)、上中間前腦(superior intermediate protocerebrum,SIP)、腹外側(cè)前腦(ventrolateral protocerebrum,VLP)等。絕大多數(shù)PNs投射向同側(cè)前腦中樞,但少數(shù)PNs向雙側(cè)投射,軸突分為兩個(gè)側(cè)支,通過lALT或tALT,一支向同側(cè)前腦高級(jí)中樞投射,另一支穿過腦中線,投射至對(duì)側(cè)前腦高級(jí)中樞[65]。

PNs的功能是將觸角葉編碼的嗅覺信息傳遞至前腦的高級(jí)神經(jīng)中樞。目前關(guān)于棉鈴蟲PNs功能的研究主要集中在其對(duì)性信息素和CO2信號(hào)的感受方面[61,77]。利用細(xì)胞內(nèi)記錄與染色標(biāo)記證明感受Z11-16∶Ald的uPNs來自MGC神經(jīng)纖維球內(nèi)的Cu,軸突沿mALT投射到前腦的Ca、VLP、SLP和SIP;感受Z9-14∶Ald的uPNs來自MGC神經(jīng)纖維球內(nèi)的DMA,軸突沿mALT投射到前腦的Ca、LH和VLP;感受Z9-16∶Ald的uPNs來自MGC神經(jīng)纖維球內(nèi)的DMP,軸突也是沿mALT投射到前腦的Ca、LH和VLP[61]。從MGC發(fā)出的mPNs,其軸突沿mlALT投射到LH和VLP[61]。少數(shù)MGC-PNs的軸突沿lALT投射到同側(cè)和對(duì)側(cè)的前腦柱狀神經(jīng)髓[77]。PNs對(duì)氣味的反應(yīng)特性通常與OSNs的相對(duì)應(yīng)。但鈣離子成像結(jié)果顯示少數(shù)Cu-PNs不僅對(duì)性信息素主要組分Z11-16∶Ald有反應(yīng),還對(duì)其他次要組分的刺激有反應(yīng)。這些反應(yīng)可能是局域中間神經(jīng)元或多球投射神經(jīng)元局部介導(dǎo)的結(jié)果[61]。此外,沿不同神經(jīng)束通路的PNs對(duì)氣味的反應(yīng)在響應(yīng)時(shí)間和強(qiáng)度上有所不同,比如,沿lALT投射的PNs比沿mALT投射的PNs對(duì)刺激響應(yīng)的速度更快[77]。

棉鈴蟲感受CO2信號(hào)的PNs來自LPOG,主要通過tALT投射到Ca、LH、SLP、后外側(cè)前腦(posterior lateral protocerebrum,PLP)和VLP等高級(jí)中樞。少數(shù)的LPOG-PNs通過mALT、lALT、dmALT 和觸角-咽下神經(jīng)束(antenno-suboesophageal tract,AST)投射到Ca、LH和前腦其他區(qū)域[62]。關(guān)于棉鈴蟲感受寄主植物氣味的PNs研究較少,細(xì)胞內(nèi)記錄和染色標(biāo)記顯示棉鈴蟲對(duì)植物花香氣味反應(yīng)的PNs來自O(shè)G,軸突通過mALT投射到Ca和LH,與對(duì)性信息素敏感的PNs末端投射區(qū)域有顯著區(qū)別,而與CO2敏感的PNs末端投射區(qū)域有較多重疊[62]。

2.2.4遠(yuǎn)心神經(jīng)元

遠(yuǎn)心神經(jīng)元(CNs)的形態(tài)特征為細(xì)胞體和樹突位于其他神經(jīng)系統(tǒng),其軸突末端分支分布在所有的觸角葉神經(jīng)纖維球內(nèi),為單極神經(jīng)元。CNs的數(shù)量較少,但形態(tài)多樣,根據(jù)形態(tài)和投射模式, 棉鈴蟲CNs可分為7種類型,其中3類為雙側(cè)投射,4類為單側(cè)投射。第1類CNs的形態(tài)與在煙草天蛾上鑒定到的多巴胺能拱狀神經(jīng)元(dopaminergic arching neurons,DAAR)相似,其細(xì)胞體位于前腦后方,蕈形體柄腹側(cè),樹突分支分布在前腦的上內(nèi)側(cè)前腦(superior medial protocerebrum,SMP)、SIP、SLP和前視結(jié)節(jié)(anterior optic tubercle,AOTU)等神經(jīng)髓,軸突投射向雙側(cè)觸角葉,末端分支密度在兩側(cè)的觸角葉不對(duì)稱,一側(cè)稀疏,另一側(cè)稠密。第2類CNs為對(duì)側(cè)投射的五羥色胺能中腦神經(jīng)元(contralaterally projecting serotonin-immunoreactive deutocerebral neuron,CSDn)。在蛾類中,每個(gè)觸角葉內(nèi)僅含有1個(gè)CSDn,其細(xì)胞體位于觸角葉內(nèi)的外側(cè)細(xì)胞體群,樹突分支分布在雙側(cè)前腦的SMP、SLP、PLP、LH以及中央體(central body,CB)上方,軸突穿過中線延伸至對(duì)側(cè)的觸角葉。第3類CNs的細(xì)胞體位于腦前側(cè)胞體層,觸角機(jī)械感覺與運(yùn)動(dòng)中心(antennal mechanosensory and motor center,AMMC)腹外側(cè),樹突分支分布于兩側(cè)的AMMC,軸突通過AST延伸到兩側(cè)的觸角葉,細(xì)胞體同側(cè)的觸角葉只有少數(shù)OG含有該類型CNs的神經(jīng)分支,而對(duì)側(cè)觸角葉的所有神經(jīng)纖維球都有密集的神經(jīng)分支。第4類CNs在其他物種中沒有報(bào)道過,其細(xì)胞體位于腦后方細(xì)胞體層,PLP背腹側(cè),前腦的多個(gè)神經(jīng)髓都含有密集的神經(jīng)分支,軸突沿著內(nèi)側(cè)神經(jīng)束通路單側(cè)投射，神經(jīng)分支分布在同側(cè)觸角葉內(nèi)所有的神經(jīng)纖維球內(nèi)。第5類CNs在其他物種中也沒有報(bào)道過,其細(xì)胞體位于腦后側(cè)胞體層,神經(jīng)分支分布在前腦的VLP和LH,軸突都沿著外側(cè)神經(jīng)束單側(cè)投射，神經(jīng)分支分布在部分觸角葉神經(jīng)纖維球內(nèi)。第6類CNs的細(xì)胞體位于腦前側(cè)細(xì)胞體層,VLP前側(cè),在前腦部分神經(jīng)髓含有神經(jīng)分支,軸突都沿著外側(cè)神經(jīng)束單側(cè)投射,神經(jīng)分支分布在觸角葉背側(cè)的部分神經(jīng)纖維球內(nèi)以及這些神經(jīng)纖維球的間隙。第7類CNs的細(xì)胞體接近腦中線,CB背側(cè)。前腦的神經(jīng)纖維似乎沿著上位纖維系統(tǒng)(superior fiber system,SFS)分布,軸突末端分布在同側(cè)的觸角葉神經(jīng)纖維球內(nèi)[65]。CNs屬于典型的反饋神經(jīng)元,能夠?qū)⑵渌袠邢到y(tǒng)的信息反饋至觸角葉,從而參與觸角葉對(duì)氣味信息的調(diào)諧和編碼。目前棉鈴蟲中CNs的功能研究較少,Zhao 等利用細(xì)胞內(nèi)記錄與染色標(biāo)記試驗(yàn)標(biāo)記到一類CNs,形態(tài)上與上述第7類CNs相近,電生理數(shù)據(jù)顯示這類CNs對(duì)聲音和氣流速度的變化有響應(yīng),表明CNs通過多模式感受反饋氣味調(diào)控的作用[78]。

3 結(jié)論與展望

綜上所述,關(guān)于棉鈴蟲嗅覺系統(tǒng)及嗅覺感受的分子和神經(jīng)機(jī)制已取得一定進(jìn)展?；久鞔_了棉鈴蟲從外周感器到中樞神經(jīng)探測和編碼性信息素與CO2的神經(jīng)通路以及分子機(jī)制。棉鈴蟲主要性信息素Z11-16∶Ald的受體為HarmOR13,在A類毛形感器中的OSN內(nèi)表達(dá),該OSN的軸突末端投射到觸角葉MGC的Cu神經(jīng)纖維球,Cu-PNs進(jìn)一步將信號(hào)傳遞到腦嗅覺高級(jí)中樞Ca、VLP、SLP和 SIP。Z9-14∶Ald的受體為HarmOR14b,在B類毛形感器中的OSN內(nèi)表達(dá),該OSN的軸突末端投射到觸角葉MGC的DMA神經(jīng)纖維球。Z11-16∶OH 的受體為HarmOR16,在C類毛形感器中的一個(gè)OSN內(nèi)表達(dá),該OSN的軸突末端也投射到DMA,DMA-PNs進(jìn)一步將信號(hào)傳遞到腦嗅覺高級(jí)中樞Ca、LH和VLP。Z9-16∶Ald的受體 HarmOR6在C類毛形感器中的另一個(gè)OSN內(nèi)表達(dá),該OSN的軸突末端投射到觸角葉MGC的DMP神經(jīng)纖維球,DMP-PNs進(jìn)一步將信號(hào)傳遞到腦嗅覺高級(jí)中樞Ca、LH和VLP。棉鈴蟲感受CO2的受體為HarmGr1、HarmGr2和HarmGr3,在LPO感器中的OSNs內(nèi)表達(dá),這些OSNs的軸突投射到LPOG,LPOG-PNs將信號(hào)傳遞到腦高級(jí)中樞內(nèi)多個(gè)神經(jīng)髓中,Ca、LH、SLP、PLP和VLP。

然而,除上述少數(shù)氣味受體和神經(jīng)通路得到解析,棉鈴蟲還有大量的其他氣味受體和神經(jīng)通路尚未得到研究。棉鈴蟲分布范圍大,寄主范圍廣,嗅覺行為復(fù)雜,關(guān)于棉鈴蟲的嗅覺感受機(jī)制還需深入研究。其中以下幾個(gè)方面非常值得進(jìn)一步研究, 1)棉鈴蟲觸角上錐形感器、腔錐形感器、栓錐形感器等多種類型感器的功能; 2)除性信息素和CO2外,寄主植物、有害食物和天敵等氣味分子的受體—OSN—觸角葉神經(jīng)纖維球圖譜對(duì)應(yīng)關(guān)系;3)觸角葉神經(jīng)元間的突觸聯(lián)系及其氣味處理與編碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系; 4)在腦高級(jí)嗅覺中樞內(nèi),編碼各種具體氣味分子的神經(jīng)元間的突觸聯(lián)系,以及腦內(nèi)產(chǎn)生吸引和驅(qū)避運(yùn)動(dòng)指令神經(jīng)機(jī)制; 5)棉鈴蟲對(duì)生境中氣味分子的適應(yīng)、學(xué)習(xí)和記憶。