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参与二种醛及一种酯识别的昆虫化学感受分子机制

张立伟  
【摘要】:作为自然界中最庞大的动物类群,昆虫进化出复杂的化学感觉系统来感知并适应生态环境。昆虫利用嗅觉和味觉感受系统捕捉周围环境内的挥发性和非挥发性化学信息,以此选择合适的食物来源以及辨别最优的产卵地点。昆虫嗅觉受体蛋白包括气味分子受体和离子型受体两类,各自对应特异性化合物感受谱以介导对不同化合物类别的嗅觉感受,但二者间是否存在协同感受机制未知。昆虫味觉受体家族单个成员的感受谱较窄,仅针对某一类化合物,如糖类和苦物化合物,但能否编码其他化合物类别不甚了解。直翅目和双翅目昆虫种类多样,数量庞大,其中大部分为农业害虫,对于这两类昆虫嗅觉和味觉感受系统的研究尤其重要。直翅目东亚飞蝗(Locusta migratoria)作为我国广泛发生的草原和农田害虫,食量巨大,但嗅觉系统影响选食行为的分子机制,尤其是近距离范围内嗅觉系统对食物源挥发物的分子识别模式尚不清楚。双翅目黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)幼虫体型弱小,且不转移寄主,因此成虫的产卵地点选择显得尤为重要;虽然已知雌虫利用味觉感受系统感知环境中与产卵地点相关的非生物性味觉信息,但成虫和幼虫间的化学信息交流对于产卵地点选择的影响及雌虫感受这些化学信息的分子机制未知。本研究分析了飞蝗口器触须对于食物气味的行为反应并明确了介导二种醛类识别的不同嗅觉通路分子机制;同时,本研究利用行为学、化学分析和分子生物学手段探讨了黑腹果蝇幼虫分泌物对于雌虫产卵地点选择的影响;鉴定了一种决定雌虫产卵地点选择的酯类化合物及其味觉受体。本研究获得的主要研究结果如下:1.飞蝗识别二种醛的嗅觉分子机制及其对取食选择的作用本论文通过行为学和分子生物学鉴定到气味分子受体和离子型受体介导的2类嗅觉受体分子通路,负责近距离范围内对寄主植物挥发的6碳醛类化合物的识别。首先利用改进的开放式嗅觉行为仪开展行为生测,结果表明飞蝗利用触角接收远距离食物源的挥发物信息,而口器触须并不参加该过程。当缩短挥发物与触须的距离时,触须在近距离范围内表现出开合反应,并对高浓度剂量(50%v/v)产生呕吐反应。其次,本研究利用触须在近距离接受气味刺激时的行为反应,建立了口器触须开合反应(Palp Opening Response,POR)。POR实验结果表明触须可以灵敏且特异地识别某些化合物,如绿叶挥发物(包括6个碳原子的醇类、酯类、醛类及其相应的衍生物)。原位杂交实验显示口器触须嗅觉感器内存在完整的嗅觉感受分子通路:气味分子受体共表达受体LmigOrco、特异性气味分子受体LmigOR2和气味分子结合蛋白Lmigobp1共表达于同一锥形感器(S.Basiconica)内。进一步研究结果表明通过体内注射长双链RNA可以特异性下调上述三个嗅觉基因在触须上的表达水平,且POR结果表明干扰LmigOrco、LmigOR2和Lmigobp1可显著降低由E-2-Hexenal和Hexanal引起的触须开合反应。此外,原位杂交结果显示离子型共表达受体LmigIR8a和气味分子结合蛋白Lmigobp2a高丰度表达于触须端部同一刺形感器内。类似地,通过注射长链RNA介导的RNA干扰(RNA interference,RNAi)可有效下调二者的表达水平。干扰LmigIR8a和Lmigobp2 导致蝗蝻对Hexanal的POR反应减弱,但对E-2-Hexenal的POR反应未受影响,说明刺形感器中存在介导Hexanal识别和传导的离子型嗅觉受体通路。进一步同时下调LmigOrco和LmigIR8aa的表达水平接近完全消除飞蝗对于Hexanal的POR反应。综上表明,气味分子嗅觉受体和离子型嗅觉受体协同感受Hexanal并介导随后的POR反应。本研究鉴定到两类嗅觉受体家族(气味分子受体和离子型受体)同时参与对同一种挥发性6碳醛的化学识别,有助于进一步揭示东亚飞蝗口器触须在近距离范围内感受食物源挥发物的嗅觉分子基础。2.果蝇识别一种酯的味觉机制及其对产卵地点选择的作用本研究中利用自行设计的竞争性产卵实验装置描述了黑腹果蝇雌虫在产卵时对幼虫分泌物的偏好性选择并鉴定到一类可特异性激发产卵地点选择偏好的酯类化合物及其感受受体。气相色谱结合质谱(GC-MS)分析结果表明,通过己烷浸泡黑腹果蝇幼虫可提取到12种化合物(与幼虫爬行后残留的分泌物组成相同),且雌虫对该提取物表现出产卵偏好。气味分子受体共表达受体Orco突变体雌虫并未表现出对幼虫提取物的产卵偏好缺陷,表明Orco介导的嗅觉通路并不参与对幼虫提取物的识别。通过分析上述12种化合物单一组分及6种黑腹果蝇性信息素对雌虫产卵选择行为的影响,发现仅有1种幼虫脂肪酸酯类化合物,顺-9-十八烯酸乙酯(Z-9-Octadecenoic acid ethyl ester,OE)可特异性诱导雌虫产生产卵偏好行为。进一步研究显示产卵地点的营养和化学成分并不影响雌虫由OE引起的产卵偏好性,但显著性影响雌虫的产卵数目。另外,OE诱导产卵偏好性依赖于环境中OE的浓度,在适当浓度范围内OE促使雌虫减少对产卵地点的判断时间从而加速产卵。通过突变poxn基因封闭味觉感受系统后,雌虫丧失对幼虫提取物和OE的产卵偏好性;通过遗传学手段补救poxn基因的表达后,突变体恢复品系雌虫重新获得对幼虫提取物和OE的味觉感受功能,表现出正常的产卵偏好性。进一步遗传学定位显示雌虫足上跗节的味觉感器负责OE感受。通过筛选味觉受体突变体确定味觉受体Gr32a的缺失导致雌虫丧失对幼虫分泌物的产卵选择能力;遗传学手段补救Gr32a的正常表达可恢复雌虫对幼虫分泌物的产卵偏好性。综上结果表明,黑腹果蝇雌虫通过Gr32a介导的味觉感受通路识别幼虫分泌物OE,指导雌虫选择产卵地点。本文报道的研究结果,不仅在理论上丰富了昆虫选食行为和产卵地点选择行为中涉及的嗅觉和味觉感受分子通路的机制研究,为研究其他昆虫化学感受受体的功能提供了借鉴,在应用上亦使得化学感受受体基因成为害虫综合防治的有效靶标位点,从而为开发新一代生物农药提供了理论基础。


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