蚜蟲嗅覺行為及昆蟲嗅覺信號轉導途徑研究進展

范　佳　陳巨蓮　程登發(fā)　孫京瑞

摘要：綜述了蚜蟲較典型的3種嗅覺行為即報警信息素反應、植物揮發(fā)物對蚜蟲的引誘行為和驅避行為以及嗅覺在寄主定位中的作用，結合由G蛋白介導的昆蟲嗅覺信號轉導途徑的研究現狀，從一個全新的角度總結了近年來針對蚜蟲嗅覺反應及其機制的研究進展。文章還就麥蚜嗅覺信號轉導途徑研究的可行性及意義進行了討論。

關鍵詞：蚜蟲；嗅覺行為；報警信息素；植物揮發(fā)物；G蛋白；信號轉導途徑

中圖分類號：Q 965

蚜蟲類是同翅目中較大的一個類群，世界上已知的種類近4 000種。其中，主要為害麥類作物的約30種，通過刺吸取食、傳播病毒病、排泄蜜露阻礙光合作用和呼吸作用等造成危害，是溫帶農作物的主要害蟲，同時是農業(yè)重大害蟲之一。

昆蟲靈敏的嗅覺是得以適應環(huán)境和種群繁衍的重要條件，其準確感受環(huán)境中的化學信號，對于配偶尋找、寄主定位以及天敵昆蟲獵物發(fā)現和搜尋過程至關重要。蚜蟲也不例外，蚜蟲的嗅覺行為，如對報警信息素反應、寄主引誘、趨避等行為及機制引起研究者們廣泛的興趣，深入了解蚜蟲嗅覺行為，在理論研究和防治應用上均具有重要意義。

昆蟲嗅覺行為的生理和分子機制的研究已不斷地深入。1999年第一個與嗅覺相關的無脊椎動物氣味受體基因在果蠅(Drosophila melanogaste)體內被證實，即證實了G蛋白偶聯的信號轉導途徑參與了無脊椎動物的嗅覺感受過程，昆蟲嗅覺相關G蛋白偶聯信號轉導途徑研究已成為分子生物學及細胞學領域研究熱點，多種昆蟲的嗅覺相關的G蛋白基因已被克隆和進行初步的功能研究。G蛋白偶聯信號轉導系統(tǒng)是生物界一類重要的細胞跨膜信號轉導途徑，在醫(yī)學領域生化及藥理研究中發(fā)現，許多藥劑的作用機理與G蛋白偶聯信號轉導途徑相關。鑒于G蛋白在物種進化過程中具有高度的保守性，因而，開展蚜蟲嗅覺相關的G蛋白及其偶聯組分、信號途徑的研究成為可能而且很有必要。

1蚜蟲嗅覺行為

蚜蟲嗅覺在其降落前的寄主選擇及降落后小范圍的寄主定位中均具有重要作用。目前，針對蚜蟲嗅覺反應的研究主要集中在以下幾方面。

1.1報警信息素

蚜蟲報警信息素的研究是當今防治蚜蟲危害并遏制植物病毒傳播的熱門課題，國內外有關學者普遍認為蚜蟲報警信息素將成為一種新型、環(huán)境友好的、極具商業(yè)化潛力的生物源農藥。

蚜蟲報警信息素是蚜蟲的一種主要信息素。Browers等從棉蚜等6種蚜蟲中提取并鑒定蚜蟲報警素的主要成分為反-β-法尼烯(EβF)，通過行為學和電生理學測定確定蚜蟲對EβF的化學感受部位在觸角上。蚜蟲的報警信息素針對不同的對象有著不同的作用。

眾所周知，報警信息素對于蚜蟲同類來說，起到報警的作用；對于蚜蟲的天敵來說，可以利用報警信息素來定位蚜蟲；對于蚜蟲的保護者螞蟻來說，報警信息素的出現意味著蚜蟲敵害的來臨，應做好攻擊的準備；對于植物而言，分泌報警信息素可能類似于保幼激素作用，從而抑制有翅蚜蟲的產生，起到調控蚜蟲數量、控制蚜蟲擴散的作用。機械損傷的玉米在經棉貪夜蛾(Spodoptera littoralis)的口腔分泌物處理后，會產生EβF，從而導致玉米蚜(Rhopalosiphummaidis)的逃避行為。野生的馬鈴薯通過腺毛狀體釋放3種不同的倍半萜烯外激素(β-丁子香烯、蓽澄茄烯、D-杜松萜烯)及釋放蚜蟲的報警信息素EβF，能有效地抵抗桃蚜的侵害。

1.2寄主引誘行為

昆蟲在選擇寄主的過程中，嗅覺信號對寄主定位過程起重要作用。許多植食性昆蟲嗅覺對綠葉氣味，主要是許多飽和及不飽和脂肪族醇類、醛類、酮類、酯類的混合物的反應都非常敏感。蚜蟲可在小范圍內對信息素(綠葉氣味、聚集信息素、報警信息素等)產生選擇行為反應，從而分辨自己適宜的寄主。而在大范圍遷飛降落后，綠葉氣味也是蚜蟲進行尋找寄主的局部調整時利用的信號物質之一。

對麥長管蚜(Sitobion avenae)有翅蚜對冬小麥可能具有的多種揮發(fā)物組分的嗅覺反應進行測定，發(fā)現其對綠葉氣味反應較強，麥長管蚜還對水楊酸甲酯、反2-己烯醛、反2-己烯醇、6-甲基-5-庚烯-2-酮和6-甲基-5-庚烯-2-醇等化學物質反應較強；另外，小麥和燕麥揮發(fā)物的不同組分對禾谷縊管蚜(Rhopalosiphum padi)有翅和無翅成蚜具有吸引作用。禾谷縊管蚜對水楊酸甲酯、反-3-己烯乙酸酯、6-甲基-5-庚烯-2-酮和6-甲基-5-庚烯-2-醇等化學物質的反應也較強。有翅蚜和無翅蚜的嗅覺反應存在一定差別，可能是因為有翅蚜需要通過提高其對特異氣味的敏感性嚴格地區(qū)別植物氣味來發(fā)現寄主，以利于選擇合適的寄主，末齡若蚜及無翅成蚜在密度較大、或寄主植物營養(yǎng)下降時，有尋找新取食地點的趨向。轉主寄生蚜蟲如禾谷縊管蚜的有翅蚜對同種植物刺激反應較弱，而對其冬、夏寄主的氣味反應較強，不同蚜型的嗅覺特異性可能與其遷飛和擴散行為有關。

綠色植物所含有的化學成分是復雜的，在昆蟲與植物的相互作用中起主要作用的有機成分有兩種：一種是植物為昆蟲提供的營養(yǎng)成分，包括糖類、蛋白質、氨基酸、脂肪、維生素以及昆蟲不能合成的甾醇等；另一種是種類繁多的植物次生物質，包括萜類、酚類、生物堿、丹寧、糖苷等。蚜蟲作為寡食性害蟲，對寄主的選擇相對嚴格，其嗅覺對寄主植物次生代謝物質的特異識別，使蚜蟲小范圍內的寄主選擇的正確性有所保證。

植物氣味與昆蟲行為關系的研究集中在植物氣味組成成分對昆蟲行為的調控作用，側重于植物氣味物質的化學結構鑒定及利用人工合成物來控制昆蟲行為等，主要進行實用性的植物性引誘劑、驅避劑、拒食劑、生理生化抑制劑和干擾劑等的研制。有關植物-昆蟲間化學通訊信號的生物誘導及其基因調控的研究相對滯后，亟待突破。

1.3植物驅避行為

在農林生態(tài)系統(tǒng)中，作物相物種多樣性普遍存在，昆蟲的多種非寄主植物揮發(fā)物不僅對寄主植物的氣味具有掩蔽作用，而且對植食性昆蟲還具有驅避作用。如蔥新弓翅蚜(Neotoxoptera formosana)能被非寄主植物迷迭香(Rosmarinus of ficinalis)和薄荷(Pdlentha haplocalyx)的氣味所驅避，即使在有寄主植物氣味的情況下，迷迭香的揮發(fā)性物質1，8-桉油精和d-1-莰酮依然對蚜蟲有驅避作用；這種驅避作用也同樣發(fā)生在豆衛(wèi)矛蚜(Aphis fabae)上，另外一些非寄主植物揮發(fā)物如烯丙基異硫氰酸酯、水楊酸甲酯和(1R，5S)一桃金娘烯醛對該蚜也有驅拒作用；棉蚜(A.phis gossypii)對非寄主植物馬纓丹(Larltarla camara)的揮發(fā)物表現忌避性；非寄主植物的揮發(fā)物芳樟醇對埃二尾蚜(Cavariellaaegopodii)有驅避作用；桃蚜(Myzus persicae)對香

椿[Toona sinensis(A.Juss.)Roem]提取物的氣味有明顯的負趨性；甲基水楊酸酯是禾谷縊管蚜的冬寄主稠李(Prunuspadus)的揮發(fā)物成分，但對其春型蚜具有驅避作用。

為達到降低大田蟲口密度及控制其危害的目的，可以利用麥蚜的驅避行為，培育和栽培對麥蚜具有驅拒作用的作物品種；也可結合間作套種方式，種植驅避作物；或者可在田間直接利用驅避劑，擾亂蚜蟲的選擇行為，降低危害程度。

2嗅覺生理和分子機制研究概述

G蛋白偶聯信號轉導途徑是一類重要的細胞信號轉導途徑，在簡單真核生物、植物、昆蟲及高等動物體內普遍存在，參與胞內一系列的生理、生化效應，包括細胞的代謝、分泌、生長、增殖、分化、畸變、病變、程序死亡等生命過程。目前，G蛋白各組分及其偶聯的信號途徑仍在不斷地研究發(fā)現中，該系統(tǒng)信號轉導途徑和生理功能的研究成為生物化學及分子生物學領域的研究熱點。

果蠅作為模式昆蟲，由于基因組序列測定已完成，各類功能基因，包括嗅覺相關的基因和調控途徑研究備受關注。鱗翅目昆蟲信息素識別也已經成為嗅覺接收和轉導機制研究的模式。隨著岡比亞按蚊(Anopheles gambiae)基因組序列測定完成，為控制蚊類傳病效能而推動有關嗅覺探測分子機制的研究將為昆蟲嗅覺機制的研究提供又一個模型。然而對一些重要害蟲的G蛋白及其信號傳導途徑的研究報道很少。麥蚜G蛋白的研究起步較晚，麥蚜嗅覺相關的G蛋白的研究尚未見報道。由于麥蚜等微型昆蟲的基因組研究基礎缺乏，對于開展其嗅覺行為和調控機制的研究難度更大，但是蚜蟲嗅覺相關的G蛋白的研究，對于明確蚜蟲寄主識別、植物驅避反應及對報警信息素的反應等具有重要的理論、應用價值。

2.1G蛋白概述

20世紀80年代，Rodbell等發(fā)現跨膜信號傳導需要GTP的存在。后來，Gilman等人發(fā)現Gs(刺激型G蛋白)在細胞信號傳導途徑中的作用及其功能。兩人并由此于1994年獲諾貝爾醫(yī)學生理學獎。

胞外信息信號物質與相應受體結合后，通過G蛋白介導產生胞內“第二信使”，激活蛋白激酶，導致底物蛋白磷酸化，最終引發(fā)靶細胞產生相應的生物學效應，形成從胞外到胞內的信息轉導通路。而這些信號轉導途徑相互作用形成一個網絡，調控各種代謝酶類、離子通道、轉運蛋白和其他調控轉錄、運動、收縮和分泌等細胞過程中的各種組分。一般而言，行使信號轉導功能的G蛋白是由3個不同的亞基a、β與γ亞基組合在一起的異源三聚體，各a亞基具有一定的保守區(qū)和多變區(qū)。至少存在45％～80％相似的氨基酸，高度同源區(qū)域主要參與形成鳥核苷酸結合袋(guanosine binding pocket)。a亞基有GTPase區(qū)、螺旋區(qū)和遠離其他成分的氨基端螺旋3個獨特結構。這些區(qū)域一般包含了GTP結合位點、GTP酶的活性位點、ADP核糖基化位點、毒素修飾位點、受體和效應器結合位點，GDP則緊密結合在GTPase區(qū)和螺旋區(qū)之間的間隙深部。由于以上各位點與G蛋白負責的生理功能關系極為密切，所以一般認為Ga是G蛋白的功能亞基。

近年，針對昆蟲G蛋白的研究取得了一些成果，主要集中在果蠅、按蚊及鱗翅目昆蟲。陳巨蓮等，蔣紅玲等先后開展了麥長管蚜G蛋白各亞基基因的克隆，目前在GenBank的登錄G蛋白基因為G蛋白a亞基的GA0基因(GenBank登錄號：AY603976，陳巨蓮等，未發(fā)表)、β亞基和γ亞基的Gsavβ、Gsavγ基因(GenBank登錄號：AY205294和AY339875)，并開展G蛋白亞基的組織分布和信號途徑等初步研究。

2.2與嗅覺相關的G蛋白類型

異源三聚體G蛋白是由α、β和γ3種亞基組成。目前已發(fā)現23種不同的α、8種不同的β和12種不同的γ亞單位，分別由16個α、6個β和12個γ基因，所編碼不同的α、β和γ亞基在理論上可以形成近1 000種三聚體，這樣大數量的可能組合不僅有利于高度特異性的信號轉導，而且有助于鑒定受體和效應器信號的類別和特異性。在這些亞基中，編碼α亞基的基因差異最大。根據G蛋白a亞單位的結構不同，可將其分為6個亞家族：Gs、Gi／o、Gq、Gt、Gg和G12。

Gq蛋白是近幾年發(fā)現的一種G蛋白，存在于烏賊、章魚、鱟、果蠅、日本沼蝦等多種無脊椎動物的感光細胞中，在脊椎動物的感光器中也含有Gq。Kopf等通過免疫學方法，在昆蟲觸角的嗅覺受體細胞中發(fā)現該蛋白的存在，推斷Gqa可能參與了昆蟲嗅覺信號的轉導。1999年多篇文獻報道了果蠅體內嗅覺相關G蛋白基因和幾個G蛋白偶聯氣味受體基因的克隆和組織定位。由此證實，G蛋白偶聯的信號轉導途徑參與了無脊椎動物的嗅覺感受過程。已有多個研究報道節(jié)肢動物體內Gq類蛋白具有介導其嗅覺信號傳遞作用。

3G蛋白信號轉導與嗅覺反應

G蛋白已被報道參與廣泛的信號轉導途徑，系統(tǒng)發(fā)育親緣關系較遠的動物之間，其氣味辨別以及嗅覺信號的電化學傳導和處理卻是基本相似的。目前，哺乳動物G蛋白介導的信號轉導途徑的研究成果廣泛而深入，對昆蟲相關研究具有非常高的參考價值，大大提高了進行昆蟲嗅覺信號轉導研究的可行性。

而針對多種昆蟲的嗅覺信號轉導途徑的研究顯示，盡管昆蟲與嗅覺相關的G蛋白偶聯信號受體基因是一個高度變異的家族，并且與線蟲和脊椎動物及其他的G蛋白偶聯受體家族根本不同源。但大量研究結果顯示，與其偶聯的Gq蛋白在進化上是高度相關的，預測的甘藍夜蛾(Mumestra brassi-cae)Gq蛋白序列與鼠、狗及人Gq蛋白序列相似性達到80％，同時，與同是鱗翅目的另外一種昆蟲煙草天蛾(Manduca sexta)的Go蛋白序列的相似性卻只有47％。而甘藍夜蛾G驢基因與果蠅的dGqa-3基因序列相似性高達87％。

4展望

昆蟲嗅覺系統(tǒng)的研究有助于闡明整個感覺系統(tǒng)的工作原理，明確昆蟲寄主尋找和定位、交配、劃分領地以及逃避外來傷害與嗅覺的關系，對嗅覺行為及機理的深入了解無疑可以促進整個昆蟲生物學的研究。

雖然蚜蟲報警信息素實用化方面的研究工作已開展20多年，并且植物氣味物質引起的蚜蟲生理行為反應及觸角電生理反應的研究都取得了一些進展，但對蚜蟲嗅覺識別的分子機制國內外幾乎未見報道，相應的基礎研究尚顯不足，如蚜蟲受體與報警信息素分子的結合位點與作用機理并不明確，G蛋白介導的信號轉導途徑在蚜蟲嗅覺中的作用還沒有相關報道。G蛋白是信號傳導途徑中的一個關鍵的分子開關，將環(huán)境中的信息放大并傳遞給效應器，進而引起相應的生理反應。若想闡明昆蟲嗅覺信號轉導過程，以G蛋白為研究對象，有針對性地對麥蚜體內可能存在的Gqa蛋白基因進行特異性擴增，利用相應的生化及分子生物學手段進行體外重組蛋白的表達、純化，利用得到的純化的Gqa蛋白制備單抗，通過免疫共沉淀等技術釣取與Gqa相互作用的上下游蛋白，從而確定由Gqa介導的信號通路。以此為切入點，進一步擴增受體蛋白的基因；確定其下游效應器，如PLCβ同工酶類型；為今后更深入地探索報警信息素、植物揮發(fā)物氣味等信號物質與氣味結合蛋白的特異性結合，氣味蛋白被信號受體的特異識別機理，最終闡明蚜蟲如何通過層層信號轉導而實現對生存環(huán)境中的不同氣味的識別提供理論基礎。也為明確嗅覺在麥蚜對寄主植物尋找和選擇機制中的作用，進而研制高效的引誘劑或驅避劑等“綠色殺蟲劑”奠定基礎。