昆虫嗅觉离子型受体的研究进展

杨小祯，倪雪琦，黄婉婷，陈静茹

(1.福建农林大学林学院，福建 福州 350002；2.福建农林大学植物保护学院，福建 福州 350002)

为了识别环境中各种各样的化学信号，动物进化出了完整的嗅觉系统[1]。经过长期进化，动物的嗅觉系统已经具有高敏感性、特异性和灵活性，能够从广阔的环境中提取重要信息[1]。昆虫可以将这些信息进行整合，从而对觅食、寻找配偶、寄主定位、躲避天敌和产卵等行为进行指导。然而昆虫识别和整合环境化学信号的通路过程极其复杂，涉及到外周嗅觉系统和中枢神经系统[2]。在昆虫触角和上颚须等毛发状结构中含有大量外周感受器，气味分子可以通过感受器表面的孔结构扩散到神经元。这个过程包括2种途径，一种是气味分子在淋巴液中与气味结合蛋白(odorant binding proteins, OBPs结合形成复合体，以复合体的形式激活神经元表面的气味受体(Olfactory receptor，ORs)或者通过OBPs释放气味分子来激活ORs。另一途径是气味分子直接激活神经元表面离子型受体(IRs)，从而引起神经元反应[3]。

IRs是Richard Benton等人首次在果蝇(Drosophila)中鉴定出来的一种新的嗅觉受体，主要在与配体结合的离子通道过程中发挥作用。随着研究的深入，IRs在其他昆虫中也得到鉴定，包括双翅目蚊科、鳞翅目和鞘翅目等，表明IRs在昆虫中的高度保守性及在昆虫嗅觉系统中的重要性[4]。本文将近几年不同昆虫IRs的研究进行综述，为从嗅觉系统入手对有害昆虫进行防治提供基础。

1 IRs的特征

通过对果蝇IR家族进行研究，发现其是由离子型谷氨酸受体(Ionotropic glutamate receptors，iGluRs)进化而来，属于iGluRs的一个变种亚家族[4]。与iGluRs结构相似，IRs含有一个胞外N端、配体结合域(LBD)包含由离子通道区和一个短胞浆末端分隔开的2个裂片(S1和S2)。其中IR8a和IR25a中发现一个与iGluRs一样的氨基末端结构域(ATD)，而大多数IRs在LBD的S1结构域之前只有相对较短的N末端区域[5]。目前IRs主要分为2个亚家族：触角IRs(antennal IRs)和发散IRs(divergent IRs)[4]。触角IRs亚族在双翅目和膜翅目昆虫中相对保守，可能存在于所有昆虫中，而发散IRs亚族表现出物种特异性，在其他物种中的同源性较低[4]。

2 不同昆虫IRs的研究

2.1 双翅目IRs的相关研究

果蝇IR64a作为触角IRs中的一员，是目前大多数研究的重点。通过在果蝇IR64a的内含子中插入Minos元件，获得的突变体的触角中IR64a mRNA转录和IR64a蛋白显著减少，从而导致肾小球DC4对酸的反应显著减弱，表明IR64a是酸感应机制中的一部分[6]。同样对IR64a功能丧失的果蝇突变体在进行飞行测试，发现突变体果蝇在CO2中停留时间显著减少，证明了果蝇需要离子型酸性传感器IR64来追踪CO2[7]。另外，多个IRs组成复合体对外界信号作出反应，例如IR76a、IR76b和IR25a共表达形成一个嗅觉受体对苯乙胺进行反应[8]。IR64a和IR8a共表达形成复合体对酸性气味进行反应[9]。嗅觉系统在雌性蚊子吸血过程中的识别宿主环节起到重要作用，其中包括气味受体(ORs)和离子受体(IRs)的参与，因此针对这2种受体的研究将为揭示昆虫对宿主识别机制提供线索[10]。在冈比亚按蚊(Anophelesgambiae)中，IRs也多作为复合体发挥作用[11]。通过测试在爪蟾卵母细胞中异源表达的受体复合物对400单一气味的反应，发现AgIr41a、AgIr25a和AgIr76b复合物对胺或亚胺化合物有反应，包括2-甲基-2-噻唑啉和吡咯烷引[11]。而AgIr75k和AgIr8a复合物对羧酸有较强的反应，主要是庚酸、辛酸和壬酸。这些结果表明冈比亚按蚊的IRs复合体对胺和羧酸的识别起到重要调节作用[11]。保守的IR8a不仅在果蝇和冈比亚按蚊中参与酸性物质的检测[9,11]，在埃及伊蚊(Aedesaegypti)对人类宿主气味中的酸性物质识别也起到重要作用[12]。通过CRISPR/Cas9基因编辑技术建立的埃及伊蚊IR8a基因突变品系，对人类气味中乳酸的识别和电生理反应明显减弱，表明了埃及伊蚊需要IR8a来识别乳酸[12]。同样在白纹伊蚊(Aedesalbopictus)和中华按蚊(Anophelessinensis)中，IR8a也是高度保守的[13]。白纹伊蚊中鉴定出102个假定的IRs基因(AalbIrs)[13]，中华按蚊也鉴定出35个假定的IRs基因(AsIRs)[14]。通过分析比对白纹伊蚊和中华按蚊在吸血前后IRs表达水平的变化发现，在喂血后，白纹伊蚊雌蚊触角表达的AalbIr87a.3、AalbIr41a.2和AalbIr75d.2这3个基因的表达水平显著下调[13]，在中华按蚊雌蚊触角中表达的AsIR140和AsIR75k的表达水平在喂血后显著上调[14]。这为定位白纹伊蚊和中华按蚊寻找宿主吸血和产卵的靶基因提供了基础。

2.2 鳞翅目IRs的相关研究

明确IRs在鳞翅目昆虫嗅觉中的作用，有助于鉴定新的挥发性寄主化合物，为信息化学在鳞翅目害虫防治中的应用提供了新的途径[15]。Vincent Croset等人在家蚕(Bombyxmori)中鉴定出12个IRs基因(BemorIRs)，并与黑腹果蝇的IRs进行比对，发现具有一定的同源性，同时也证明了IRs在昆虫中的保守性[4]。 随后在海灰翅夜蛾(Spodopteralittoralis)、苹果蠹蛾(Cydiapomonella)、棉铃虫(Helicoverpaarmigera)、小地老虎(Agrotisipsilon)、斜纹夜蛾(Spodopteralitura)、烟草天蛾(Manducasexta)、甜菜夜蛾(Spodopteraexigua)等鳞翅目昆虫中陆续鉴定出IRs基因家族，而且相互之间都具有较高的同源性[4]。利用CRISPR/Cas9系统敲除烟草天蛾IR8a，从而显著降低对3-甲基戊酸和己酸的反应。存在3-甲基戊酸情况下其产卵数显著增多，表明了烟草天蛾的IR8a参与识别同类烟草天蛾粪便中羧酸3-甲基戊酸和己酸的过程。该过程对烟草天蛾避粪产卵，寻找一个合适的产卵地点至关重要[15]。

2.3 其他昆虫IRs的相关研究

与双翅目和鳞翅目昆虫相比，其他昆虫嗅觉系统的分子机理研究较少。目前在赤拟谷盗(Triboliumcastaneum)、咖啡灭字虎天牛(Xylotrechusquadripes)、广聚萤叶甲(Ophraellacommuna)、大猿叶虫(Colaphellusbowringi)等鞘翅目昆虫触角中鉴定出IRs基因，并且鞘翅目昆虫之间的IRs也具有较高的同源性[4]。在直翅目飞蝗(Locustamigratoria)和沙漠蝗(Schistocercagregaria)触须中都检测到IRs的存在[16]。Zhang等人利用RNAi干扰技术使飞蝗的IR8a基因沉默后发现其对醛类物质的反应明显降低，但没有完全消除对醛类物质的反应[16]。而ORCO和IR8a双突变品系对己醛几乎不反应，这证明IR8a参与飞蝗参与己醛的识别通路，但并不能完全控制其对己醛的识别[16]。

3 小结与展望

目前基于基因鉴定、构建系统发育进化树和基因表达谱等方法，对部分昆虫的IRs基因进行同源性分析。结果处理的大量IRs基因将为这些昆虫嗅觉系统的分子基础研究提供有力的资料，有助于识别潜在的重要分子靶标，并促进我们对昆虫嗅觉机制的认识。利用RNA干扰和CRISPR/Cas9基因编辑等技术对这些基因进行进一步的功能验证，对其在嗅觉传导机制中的作用进行研究，为害虫的防治提供理论依据，从而为开发新的害虫管理方法奠定基础。

嗅觉系统一直被认为是昆虫从环境获取化学信号主要手段之一，影响着昆虫生活的方方面面[2]。近些年来，对昆虫嗅觉系统的研究取得显著进展，但目前昆虫的嗅觉受体表达模式尚未描绘完全，依然存在许多问题。例如，离子受体(IRs)如何参与化学感受的分子机制，如何被激活以及许多特异性IRs在昆虫嗅觉中的发挥什么作用等。除此之外，不少研究都表明IRs和ORs对一些气味的反应有重叠，但是这二者之间的功能组合模式仍未描述清楚。除了嗅觉系统，昆虫还要依靠味觉、视觉和触觉来感受外界信息。而昆虫以何种机制利用嗅觉、味觉、视觉和触觉系统共同对外界环境的化学信号进行整合和处理，以此来促进对宿主和天敌检测反应，仍有待验证。