昆虫嗅觉受体研究进程范文

摘要：嗅觉在昆虫的多项生理行为中发挥着重要作用。嗅觉受体在昆虫嗅觉识别机制中发挥关键性作用。介绍了昆虫嗅觉的识别过程，并对昆虫嗅觉受体ORs的分子结构、表达部位及其生理功能的最新研究进展进行了概述。为进一步调控昆虫的行为、开发利用新型高效的杀虫剂、引诱剂提供科学可靠的理论依据。

关键字：昆虫；嗅觉受体；嗅觉识别机制

1昆虫嗅觉识别过程

昆虫对气味物质的识别是个相当复杂的过程，昆虫体壁上布满了含有众多化学感受器的鬃毛，其中,呈毛状的嗅觉感受器在昆虫的下颚须和触角中均有分布,而味觉感受器则集中分布在口器和足上。每个嗅觉感受器均含有1到4个嗅觉感受神经元（olfactoryreceptorneurons,ORNs）,每个细胞都可以特异性地在树突细胞膜上表达相应的嗅觉受体蛋白[1]，这些神经细胞的细胞体位于触角的角质皮之下,树突则延伸到嗅觉感受器并浸入富含钾离子和蛋白质的由表皮细胞分泌的淋巴液内。而表达相同嗅觉受体的神经元则聚集到触角叶中相同的神经纤维球或功能单位中，最终这些神经元将以嗅觉信号的形式传导到位于昆虫脑部触角叶的位置[2],从而昆虫便可感知气味分子。通过对昆虫嗅觉识别过程的研究，发现嗅觉受体在昆虫嗅觉识别机制中发挥关键性作用。

2昆虫嗅觉受体ORs的研究概述

上世纪90年代前,对昆虫嗅觉主要集中在嗅觉细胞的定位、嗅觉感器结构、嗅觉感器对底物的电生理反应等器官水平的研究。针对于这些研究有关学者提出了在昆虫中存在嗅觉受体分子的假设,90年代初期,在脊椎动物褐家鼠（Rattus－norvegicus）的嗅觉上皮细胞中首次发现了嗅觉基因家族；接着在线虫（Caenorhabditiselegans）、黑腹果蝇（Drosophilamelanogaster）等中也发现了类似可传递胺、肽和激素等物质的G蛋白偶联受体的神经肽受体。至此之后,对昆虫嗅觉受体的研究便成了认识昆虫化学信号分子识别机制的重要环节。通过开展对果蝇基因组的测序方面的研究，于20世纪末，克隆得到了果蝇的19种嗅觉基因。这一有关昆虫基因组测序的突破性进展，开启了人类对昆虫ORs探索的新篇章。随着昆虫基因组序列库数量的不断增多，越来越多种类昆虫的嗅觉受体被发现与鉴定。随后，对昆虫嗅觉受体的相关研究，如对其分子结构、表达部位及对其功能验证等方面的研究也在近十年内迅速开展起来。

2.1昆虫嗅觉受体的分子结构ORs是一类具有七个跨膜结构的G蛋白偶联受体，位于嗅觉受体神经元树突膜上，其一般由300～350个氨基酸组成[3]，N-端不存在信号肽但有一个保守的糖基化位点，胞内的环上存在几个潜在的磷酸化位点，每个跨膜结构包含一个保守片段（Phe-Pro-X-Cys-Tyr-（X）20-Trp）,每个跨膜区大约由7～26个氨基酸组成，在这些跨膜区域中,保守性最高的为横跨第6和第7跨膜区域的3′区域[4]。

2.2昆虫嗅觉受体的表达部位在果蝇中通过半定量及原位杂交实验发现，一些嗅觉受体基因在果蝇的触角中特异性表达，一些可同时在其触角和足中表达。在对家蚕的嗅觉受体的研究中，发现编码该受体的基因位于性染色体Z上且拥有8个外显子和7个内含子的结构，在蛹期的晚期和成虫阶段能特异性地在雄性的信息素受体神经元中表达。后经研究还发现一些嗅觉受体基因只在雄性昆虫触角中特异性表达，如在烟芽夜蛾和家蚕中[5]，说明这些受体可能为性信息素受体[6]。而在冈比亚蚊中鉴定出的79个嗅觉受体中，80%的嗅觉受体基因在嗅觉器官中特异性表达，其中4个在触角和足中同时表达，至少有5个仅在雌性个体的嗅觉器官中特异性表达。

2.3昆虫嗅觉受体的功能验证昆虫的嗅觉受体可以特异性地识别某种或某些气味分子[7]。Strtkuhl和Kettler等于2001年通过在果蝇触角中过表达受体Or43a测定了该受体的功能。后又通过突变建立了一种缺乏内源嗅觉受体的神经元，用这种“空白神经元”作为活体表达系统[8]，并采用“空白神经元”法对通过原位杂交技术鉴定出的29种ORs进行分析。然后通过对果蝇中OR基因的研究表明，嗅觉受体ORs在中枢神经和感觉神经中非典型表达（atypicalexpression）,除具有识别外源气味分子的功能外，可能还参与内源配体识别的过程。

2.4昆虫嗅觉受体信号传递模型的构建嗅觉受体信号转导作用的早期阶段包括嗅觉受体、G蛋白偶联受体和一些效应酶类三种类型蛋白的依次相互作用。而爪蟾卵母细胞和人胚肾细胞（HEK293T）的稳健性，以及它们高效率的新陈代谢使它们成为采用异源表达系统研究昆虫嗅觉受体最普遍的实验材料。通过膜外向外式膜片钳技术，在爪蟾卵母细胞和HEK293T细胞膜中表达昆虫嗅觉受体的复合物，证明其不仅具有通道活性，而且形成的配体门控离子通道可能是昆虫识别环境中气味分子的一个特殊途径。基于以上研究，对昆虫嗅觉受体信号传递的早期模型也基本初步建立了起来。

3小结与展望

嗅觉是昆虫多项生理行为的基础，对昆虫嗅觉机理的研究一直是认识昆虫化学信号分子识别机制的重要环节，近年来，随着分子生物学技术的不断发展与成熟，在细胞水平和分子水平上均对昆虫的嗅觉识别机理有了一定的了解，随着嗅觉受体的发现及对其分子结构与表达位置的研究，对昆虫嗅觉机制的研究得以全面展开，而在传统嗅觉受体的功能研究方面，近年来随着研究技术手段的发展与革新，包括遗传学、电生理学、药理学、行为学等相关手段以及RNA干扰技术的应用，嗅觉受体功能的研究也得到了快速的发展。但是随着研究的不断深入，各种问题与难点也开始出现在相关研究人员的面前，如昆虫嗅觉受体的分子结构越来越呈现出一种与典型的G蛋白偶联受体反向的跨膜分布,这导致了研究者们必须考虑换一个角度来分析这种新呈现出来的结构的功能。值得一提的是,昆虫嗅觉受体研究有可能为农林业重大害虫的防治开辟新的途径。而且根据昆虫嗅觉识别机制和嗅觉受体的分子结构及其生理功能,有希望设计出高效的行为干扰分子,用于进一步人为调控昆虫的行为，用这种简便高效且对环境友好的方法达到防治害虫的效果。

参考文献

[1]胡颖颖，徐书法，AbebeJWubie,等.昆虫嗅觉相关蛋白及嗅觉识别机理研究概述[J].基因组学与应用生物学,2013,32（5）:667-676.

[2]王晓双,唐良德,吴建辉.昆虫嗅觉相关蛋白的研究进展[J].热带作物学报,2017,38（06）:1171-1179.

[3]周延乐.绿盲蝽非典型嗅觉受体Orco基因分析及RNAi研究[D].中国农业科学院,2014.

[6]崔欢欢.中黑盲蝽嗅觉相关蛋白鉴定及非典型嗅觉受体基因分析[D].中国农业科学院,2016.

作者：李婧姝1；黄梦琦1；周娴1；郭诗华2；崔永红3 单位：1.福建农林大学，2.千景空间科技有限公司，3.福建省林业调查规划院