棉铃虫嗅觉系统的结构与功能研究进展

刘晓岚, 尚冬雅, 赵新成*, 王桂荣

(1.河南农业大学植物保护学院, 河南省害虫绿色防控国际联合实验室，郑州 450002; 2.中国农业科学院植物保护研究所, 植物病虫害生物学国家重点实验室, 北京 100193)

棉铃虫Helicoverpaarmigera隶属于鳞翅目Lepidoptera夜蛾科Noctuidae,是世界上重要的多食性农业害虫。棉铃虫寻找寄主、识别配偶以及选择产卵位点等与生存和繁衍密切相关的行为主要依赖于嗅觉神经系统调控。近年来,关于棉铃虫嗅觉感受的神经和分子机制研究获得突飞猛进的发展,同时,利用棉铃虫嗅觉行为进行害虫防控的技术也取得了重要突破[1-2]。本文将对棉铃虫嗅觉系统结构和功能的研究进展进行系统详尽的综述,以期为后续棉铃虫嗅觉机理研究和行为调控技术开发提供参考。

1 棉铃虫外周嗅觉系统

1.1 棉铃虫外周嗅觉器官及功能

1.1.1触角

触角(antennae)是棉铃虫主要的外周嗅觉感受器官,由柄节、梗节和鞭节组成,其中鞭节包含72～82个亚节,背侧多被鳞片覆盖,腹侧密集分布着感器[3]。扫描电镜观察发现,棉铃虫触角鞭节上共有6类感器,即毛形感器(sensillum trichodeum)、锥形感器(sensillum basiconicum)、刺形感器(sensillum chaeticum)、耳形感器(sensillum auricillicum)、腔锥形感器(sensillum coeloconicum)和栓锥形感器(sensillum styloconicum)[4]。毛形感器和锥形感器为常见的嗅觉感器,感器壁上有多个微孔。其中毛形感器为棉铃虫触角上数量最多的感器,雌雄性棉铃虫的毛形感器在数量上和形态上均有差异,雄性的毛形感器数量较多,且长度较长,末端稍弯曲[5]。

触角电位图(electroantennogram,EAG)技术记录表明,棉铃虫的触角可以感受性信息素和寄主植物挥发性化合物等气味信息物质[6-14]。单感器记录(single sensillum recording,SSR)发现，雄性棉铃虫毛形感器能够感受雌性信息素[15-20]。根据性信息素种类和反应特性,可以将性信息素敏感毛形感器归为A、B和C 3种类型。A类型毛形感器感受顺-11-十六碳烯醛(cis-11-hexadecenal,Z11-16∶Ald);B类型毛形感器感受顺-9-十四碳烯醛(cis-9-tetradecenal,Z9-14∶Ald);C类型毛形感器感受顺-9-十六碳烯醛(cis-9-hexadecenal,Z9-16∶Ald)和Z9-14∶Ald,顺-11-十六碳烯醇(cis-11-hexadecenol,Z11-16∶OH)和顺-11-十六乙酸酯(cis-11-hexadecenyl acetate,Z11-16∶Ac)[17]。其中,B类型毛形感器可分为B1和B2亚型,B1亚型感受Z9-14∶Ald,B2亚型感受Z9-14∶Ald和Z11-16∶OH;C类型毛形感器可分为C1、C2和C3亚型,C1亚型感受Z9-14∶Ald、Z9-16∶Ald、Z11-16∶OH和Z11-16∶Ac, C2亚型感受Z9-14∶Ald、Z11-16∶OH和Z9-16∶Ald,C3亚型感受Z9-14∶Ald和Z9-16∶Ald[16]。Z11-16∶Ald为棉铃虫主要性信息素成分,Z9-16∶Ald为次要成分,两者比例为97∶3时引诱雄性棉铃虫的活性最高。Z9-14∶Ald对棉铃虫具有双重作用,即低剂量时可增加性信息素Z11-16∶Ald和Z9-16∶Ald的引诱活性,而高剂量时则抑制性信息素的引诱活性。Z11-16∶OH为行为抑制剂,Z11-16∶Ac对棉铃虫没有显著的行为引诱作用[21]。雄性棉铃虫的A类型毛形感器数量最多,C类型的数量次之,B类型毛形感器数量最少[17]。

对雌性棉铃虫触角上的毛形感器的功能研究较少,电生理研究表明,雌性棉铃虫毛形感器可以感受雌性信息素、寄主植物挥发性化合物和花香气味[22-23]。棉铃虫触角上的锥形感器也为嗅觉感器,可感受植物挥发性化合物[22, 24-25]。但是,刺形感器、栓锥形感器、耳形感器、腔锥形感器等类型触角感器的功能尚未见报道,需要进一步研究。

1.1.2下唇须

棉铃虫下唇须(labial palps)位于头部下面,喙的两侧,表面被密集的鳞片覆盖。每个下唇须由3节组成,第3节末端有一开口,在开口内部可以看到一个瓶状结构,称为下唇须陷窝器(labial-palp pit organ,LPO)。棉铃虫的LPO长约300 μm,宽约60 μm,内部约含有1 200个感器,感器内多数只含有1个感受神经元,根据其形态主要分为两类,即毛状感器(hair-shaped sensillum)和棒状感器(club-shaped sensillum),它们分别位于陷窝器上部和下部[26-27]。单感器电生理记录表明,棉铃虫LPO感器能够感受CO2浓度的变化[28-29]。但这两种类型感器都感受CO2还是其中一种类型感器感受还未明确。行为测定表明,蛾类通过探测CO2信息寻找寄主植物蜜源或产卵场所[30]。但棉铃虫感受CO2的行为学意义和生态学意义尚未明确,亟待进一步研究。

1.1.3其他附肢的嗅觉感器

已有研究表明,除触角和下唇须以外,昆虫头部的其他器官以及翅、足和产卵器等也具有嗅觉感器。例如,黑腹果蝇Drosophilamelanogaster的下颚须表面分布了60个感受多种气味信息的锥形感器[31];蚊类的下颚须具有感受CO2的感器[32-34]。此外,埃及伊蚊Aedesaegypti的翅和足部跗节也具有感知挥发性化合物的感器[35]。烟草天蛾Manducasexta的喙顶端具有感受花香气味的感器[36]。烟青虫Helicoverpaassulta产卵器存在感受寄主植物挥发物以定位适宜产卵位点的嗅觉感器[37]。扫描电镜观察表明,棉铃虫的喙上具有一些栓锥形感器,该感器表面具有多孔结构,暗示其可能具有嗅觉感受的功能[38]。棉铃虫的足、翅、产卵器等器官是否也具有嗅觉感器,还需要进一步研究。

1.2 棉铃虫外周嗅觉感受相关蛋白的组织分布和功能

棉铃虫触角转录组分析表明,触角内表达有133种化学感受相关的蛋白,包括60种气味受体(olfactory receptors,ORs),19种离子型受体(ionotropic receptors,IRs),34种气味结合蛋白(odorant-binding proteins,OBPs),18种化学感受蛋白(chemosensory proteins,CSPs)和2种感觉神经元膜蛋白(sensory neuron membrane proteins,SNMPs)[39-40]。棉铃虫喙和下唇须转录组分析证明,喙和下唇须内也表达有多种气味受体、离子型受体、气味结合蛋白、化学感受蛋白和感觉神经元膜蛋白,这些结果进一步表明触角是棉铃虫的主要嗅觉器官,喙和下唇须也具有嗅觉功能。

棉铃虫触角中检测到7种性信息素受体基因,HarmOR6、HarmOR11、HarmOR13、HarmOR14(或HarmOR14a)、HarmOR14b、HarmOR15和HarmOR16的表达。利用爪蟾Xenopuslaevis卵母细胞表达系统、钙离子成像系统、CRISPR-Cas9基因敲除技术和转基因果蝇系统技术研究发现,受体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和顺-9-十四碳烯醇(cis-9-tetradecenol,Z9-14∶OH)[43,45]。不同的研究中,HarmOR6的配体化合物存在差异,可能与表达系统的不同和测定化合物谱的大小相关。目前尚未发现受体HarmOR11, HarmOR14与HarmOR15的配体。如果敲除HarmOR14基因,棉铃虫成虫的交配时间和持续时长均发生变化,说明HarmOR14参与调控棉铃虫的交配行为[46]。

关于棉铃虫普通气味受体的功能研究也取得了一些进展,至目前已有28种受体的配体得到鉴定(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]。棉铃虫的喙上表达3种气味受体,分别为HarmOR24、HarmOR30和HarmOR58,其中HarmOR30感受含氮化合物吲哚[49]。在棉铃虫触角中表达19 种IRs[39-40]，其中HarmIR8a在触角中高表达,原位杂交显示HarmIR8a广泛存在于腔锥形感器内,表明该受体很可能也参与了气味的识别[50]。

棉铃虫感受CO2的受体为HarmGr1、HarmGr2和HarmGr3,这3种受体共同表达在下唇须的感器神经元中,其中HarmGr1和HarmGr3是棉铃虫感受CO2必不可少的[29]。

运用荧光竞争结合试验发现,棉铃虫触角表达的3种信息素结合蛋白(pheromone-binding proteins,PBPs),HarmPBP1、HarmPBP2和HarmPBP3可以与Z11-16∶Ald和Z9-16∶Ald结合,且HarmPBP1与Z9-16∶Ald的结合力较强[51-53]。进一步利用RNA干扰技术研究发现,HarmPBP1与HarmPBP2同时沉默则会导致雄性棉铃虫对Z11-16∶Ald的敏感性降低,说明HarmPBP1与HarmPBP2都参与了主要性信息素组分的识别[54]。而利用CRISPR-Cas9基因敲除技术敲除HarmPBP1基因后,雄性棉铃虫对Z11-16∶Ald,Z9-16∶Ald的电生理反应都会显著降低[51]。除PBPs外,气味结合蛋白HarmOBP7对Z11-16∶Ald和Z9-16∶Ald也有结合作用,说明气味结合蛋白也可能参与性信息素的识别[55]。棉铃虫的HarmSNMP1特异表达在成虫触角上,HarmSNMP2则存在于成虫触角和跗节上[56]。利用CRISPR/Cas9技术结合触角单感器记录、风洞试验,表明HarmSNMP1对感受长链性信息素(十六碳)组分有重要作用,但对感受短链性信息素则不是必需的[57]。在棉铃虫触角转录组中鉴定到19种CSPs,在喙和下唇须转录组中鉴定到26种CSPs,而在棉铃虫基因组内鉴定到27种[38,40,58],但关于棉铃虫CSPs功能的研究尚未见报道。

2 棉铃虫嗅觉中枢神经系统

近些年,关于棉铃虫嗅觉中枢神经系统的研究也取得了一定进展,但多数研究聚焦在棉铃虫脑内处理嗅觉信息的初级神经中枢—触角叶。触角叶位于中脑,呈球形结构,对称分布在食道孔两侧,通过触角神经与外周的触角相联系[59]。同多数昆虫一样,棉铃虫触角叶的显著特征就是其内部由许多神经纤维球(glomerulus)构成。神经纤维球是触角叶神经元形成突触联系的地方,是嗅觉信息处理的基本单位。

2.1 触角叶神经纤维球

先前报道的蛾类昆虫的神经纤维球数量为50～70个,其中棉铃虫的触角叶神经纤维球为65个[60]。利用突触蛋白免疫染色标记和触角叶神经元追踪标记发现,棉铃虫触角叶内约有80个神经纤维球[59]。该数量与棉铃虫表达的60个ORs和19个IRs的数量之和相当,符合昆虫触角叶神经纤维球数量和ORs、IRs受体数量一致的假说。依据纤维球的位置和排列方式,雌雄棉铃虫触角叶神经纤维球均可分为4组。在触角神经进入脑的入口处,雄性棉铃虫触角叶具有3个体积扩大的神经纤维球,称为巨大型纤维球复合体(macroglomerular complex, MGC),为雄性特有。雌性棉铃虫没有MGC,但在对应的位置有5个雌性特异的神经纤维球,称为雌性特异纤维球复合体(female-specific glomerular complex,Fx)。除雌雄特异的神经纤维球复合体外,其他纤维球划分为明显的3组,即后侧纤维球复合体(posterior complex,PCx)、下唇须陷窝器纤维球(labial pit organ glomerulus,LPOG)和普通神经纤维球(ordinary glomerulus,OG)。棉铃虫的OG由66个纤维球构成,在数量、大小、位置和排放方式上,雌雄棉铃虫的OG非常相似,仅有G1、G3、G7、G12、G14、G18、G32、G35、G36、G37、G53、G61和G70等13个纤维球在体积上存在性别差异, 雌性的G1、G7、G14、G35和G36的体积比雄性的大,其余8个OG纤维球是雄性的体积大于雌性的。LPOG仅包括一个纤维球,位于触角叶腹侧,与下唇须相联系。雌性的LPOG体积比雄性的稍大。PCx位于性别特异纤维球复合体后侧,雄性棉铃虫的PCx由10个纤维球组成,而雌性由9个组成。其中G75仅存在于雄性PCx中,而雌性缺失。另外,雌性PCx的G52和G57的体积比雄性的大,而G49、G51、G54和G55的体积比雄性的小。

目前,关于棉铃虫触角叶神经纤维球的功能研究仅聚焦在MGC和LPOG上。棉铃虫MGC主要参与性信息素及相关气味信息的处理。棉铃虫MGC包含3个体积扩大型神经纤维球,即云状体(cumulus,Cu)、背中前侧纤维球(anterior dorsomedial unit,DMA)和背中后侧纤维球(posterior dorsomedial unit,DMP)。利用钙离子成像、感器神经元染色追踪以及胞内记录和染色标记等技术研究证明,Cu的功能是负责处理主要性信息素Z11-16∶Ald,DMA负责处理行为拮抗剂信号Z9-14∶Ald和Z11-16∶OH,而DMP负责处理次要性信息素Z9-16∶Ald和Z9-14∶Ald[16,18,20,61]。LPOG的功能是负责处理CO2信号[62]。关于棉铃虫PCx和OG功能方面尚未见有深入的研究报道,少数胞内记录和染色标记证明感受植物气味的神经元分支分布在OG内[62]。

2.2 触角叶神经元

棉铃虫触角叶神经纤维球内错综连接的神经纤维主要来自4种类型的触角叶神经元,即嗅觉感受神经元(olfactory sensory neurons,OSNs)、局域中间神经元(local interneurons,LNs)、投射神经元(projection neurons,PNs)和远心神经元(centrifugal neurons,CNs)[59,61]。最近,神经连接组学研究发现,黑腹果蝇的触角叶内,4类触角叶神经元间形成了复杂的突触联系[63]。

2.2.1嗅觉感受神经元

触角填充染色标记显示,棉铃虫触角感器内的OSNs神经元主要投射到触角叶神经纤维球,其轴突末端主要分布在神经纤维球外层[59]。一般同一个神经纤维球的OSNs表达同类OR,即遵循“1受体—1嗅觉感受神经元—1神经纤维球”的假说[64]。受体基因原位杂交、单感器记录和染色标记研究结果显示,雄性棉铃虫感受主要性信息素的HarmOR13在A类毛形感器中的OSN内表达,该OSN的轴突末端投射进触角叶MGC内的Cu;感受Z9-14∶Ald的HarmOR14b在B类毛形感器中的OSN内表达,该OSN的轴突末端投射到触角叶MGC的DMA内;感受Z11-16∶OH与Z9-14∶Ald 的HarmOR16和感受Z9-16∶Ald与Z9-14∶Ald的HarmOR6分别在C类毛形感器的两个OSNs中表达,这两个OSNs的轴突末端分别投射到触角叶MGC的DMA和DMP[20,44]。棉铃虫性信息素感受相关受体—OSN—神经纤维球的图谱对应关系,支持 “1受体—1嗅觉感受神经元—1神经纤维球”的嗅觉感受假说。另外,示踪染色LPO感器,发现其内OSNs的轴突沿着下唇神经投射至同侧和对侧触角叶内的LPOG,LPO感器内感受CO2信号的OSNs投射到LPOG,显示出不同的嗅觉器官处理的气味信息从外周到初级中枢是空间分离的[26-27]。目前已鉴定出了28个普通气味受体气味分子配体,明确了其气味感受功能[48],但表达这些受体的OSNs与触角叶神经元纤维球的图谱对应关系尚未明确。深入研究表达普通气味受体的OSNs到触角叶纤维球的中枢投射,将有助于揭示触角叶普通神经纤维球对寄主植物气味的编码图谱。

2.2.2局域中间神经元

局域中间神经元(LNs)的细胞体位于触角叶外侧细胞体群,其神经分支仅分布在触角叶内,为单极神经元。根据神经分支在神经纤维球内的分布模式和范围,棉铃虫触角叶LNs可分为多球LNs(multiglomerular LNs)和寡球LNs(oligoglomerular LNs)。多球LNs为棉铃虫触角叶内数量最多的LNs,其神经分支延伸至绝大多数触角叶神经纤维球内。根据神经分支在神经纤维球的分布密度可分为稠密型LNs和稀疏型LNs。根据分支对称性,又分为对称分布型LNs和非对称分布型LNs,对称型指神经分支在有分布的神经纤维球内密度相似,非对称型指神经分支在有分布的神经纤维球内密度不同,如在MGC内,30%多球LNs的神经分支密度相对稀疏;在PCx内,18%多球LNs的神经分支密度相对稀疏,2%多球LNs的神经分支密度相对稠密,还有2%多球LNs在此结构无分支;在LPOG内,17%多球LNs的神经分支密度相对稀疏,9%多球LNs无分支。有少数多球LNs的一条神经分支延伸出触角叶投射到触角叶后腹侧峡部神经髓(antennal lobe isthmus,IST)。寡球LNs神经分支分布于60%～70%的触角叶神经纤维球内,如棉铃虫LN49的神经纤维分布在大多数OG和LPOG内,但在PCx和MGC中无神经分支,LN51的神经纤维分布在大多数OG和MGC内,但在PCx和LPOG内无神经分支[65]。

研究表明,昆虫触角叶内的LNs主要通过侧兴奋或侧抑制调节触角叶神经纤维球之间的相互作用,并对触角叶内信息传递到输出过程起调谐作用[66-68]。通过γ-氨基丁酸(GABA)免疫组织化学染色发现,在果蝇、美洲大蠊Periplanetaamericana、家蚕Bombyxmori、烟草天蛾触角叶内,多数LNs含有抑制性神经递质GABA,在触角叶内介导神经纤维球间的侧抑制作用[69-73]。研究表明,LNs可通过侧抑制作用增益控制平衡气味处理效率,保持嗅觉神经元对气味的敏感性。当OSNs输入的信号较弱时,LNs的侧抑制作用最小,OSNs与PNs的突触联系较强;当OSNs输入的信号较强时,LNs发挥侧抑制作用,防止刺激饱和超出PNs接收信息强度的动态范围[67],且LNs侧抑制作用具有选择性,并不局限于邻近的触角叶神经纤维球之间[74]。果蝇中还发现了少数LNs含有兴奋性神经递质乙酰胆碱,在触角叶介导神经纤维球间的侧兴奋作用,这类LNs可增强PNs信号向下阶神经元的传递[66]。此外,LNs还能促进不同PNs对气味刺激的同步响应[75]。美洲大蠊中,根据LNs的电生理特征分为两类,尖峰局域中间神经元(spiking LNs)和非尖峰局域中间神经元(nonspiking LNs)。前者在触角叶神经纤维球间信号转导中起主要作用,后者在触角叶神经纤维球内信号转导中起主要作用[68]。但目前在棉铃虫中尚未有关于LN的功能研究报道。

2.2.3投射神经元

投射神经元(PNs)为触角叶的输出神经元,其细胞体位于触角叶细胞体群,树突分布在神经纤维球内,其轴突通过触角叶神经束(antennal lobe tract,ALT)向前脑延伸,为单极神经元。对触角叶进行染色标记研究发现,棉铃虫的PNs向前脑投射的触角叶神经束主要有3条,即内侧触角叶神经束(medial ALT,mALT)、中间触角叶神经束(mediolateral ALT,mlALT)和外侧触角叶神经束(lateral ALT,lALT)[76]。少数PNs投射通路为横向触角叶神经束(transverse ALT,tALT)。利用细胞内记录与神经示踪研究发现极少数的PNs通过背中侧触角叶神经束(dorsomedial ALT,dmALT)和背侧触角叶神经束(dorsal ALT,dALT)向前脑投射[65]。

根据树突分布的神经纤维球数量,PNs分为单球PNs(uniglomerular PNs,uPNs)和多球PNs(multiglomerular PNs,mPNs)。uPNs是最常见的PNs类型,其树突分布在1个触角叶神经纤维球内,细胞体多数位于触角叶内侧细胞体群和外侧细胞体群,轴突沿mALT先投射到前脑的蕈形体冠(calyx,Ca),随后投射到侧角(lateral horn,LH)。mPNs的树突分布于多个触角叶神经纤维球内,细胞体一般位于外侧细胞体群,轴突沿mlALT或lALT投射到前脑的LH及LH周围的神经髓,如上外侧前脑(superior lateral protocerebrum,SLP)、上中间前脑(superior intermediate protocerebrum,SIP)、腹外侧前脑(ventrolateral protocerebrum,VLP)等。绝大多数PNs投射向同侧前脑中枢,但少数PNs向双侧投射,轴突分为两个侧支,通过lALT或tALT,一支向同侧前脑高级中枢投射,另一支穿过脑中线,投射至对侧前脑高级中枢[65]。

PNs的功能是将触角叶编码的嗅觉信息传递至前脑的高级神经中枢。目前关于棉铃虫PNs功能的研究主要集中在其对性信息素和CO2信号的感受方面[61,77]。利用细胞内记录与染色标记证明感受Z11-16∶Ald的uPNs来自MGC神经纤维球内的Cu,轴突沿mALT投射到前脑的Ca、VLP、SLP和SIP;感受Z9-14∶Ald的uPNs来自MGC神经纤维球内的DMA,轴突沿mALT投射到前脑的Ca、LH和VLP;感受Z9-16∶Ald的uPNs来自MGC神经纤维球内的DMP,轴突也是沿mALT投射到前脑的Ca、LH和VLP[61]。从MGC发出的mPNs,其轴突沿mlALT投射到LH和VLP[61]。少数MGC-PNs的轴突沿lALT投射到同侧和对侧的前脑柱状神经髓[77]。PNs对气味的反应特性通常与OSNs的相对应。但钙离子成像结果显示少数Cu-PNs不仅对性信息素主要组分Z11-16∶Ald有反应,还对其他次要组分的刺激有反应。这些反应可能是局域中间神经元或多球投射神经元局部介导的结果[61]。此外,沿不同神经束通路的PNs对气味的反应在响应时间和强度上有所不同,比如,沿lALT投射的PNs比沿mALT投射的PNs对刺激响应的速度更快[77]。

棉铃虫感受CO2信号的PNs来自LPOG,主要通过tALT投射到Ca、LH、SLP、后外侧前脑(posterior lateral protocerebrum,PLP)和VLP等高级中枢。少数的LPOG-PNs通过mALT、lALT、dmALT 和触角-咽下神经束(antenno-suboesophageal tract,AST)投射到Ca、LH和前脑其他区域[62]。关于棉铃虫感受寄主植物气味的PNs研究较少,细胞内记录和染色标记显示棉铃虫对植物花香气味反应的PNs来自OG,轴突通过mALT投射到Ca和LH,与对性信息素敏感的PNs末端投射区域有显著区别,而与CO2敏感的PNs末端投射区域有较多重叠[62]。

2.2.4远心神经元

远心神经元(CNs)的形态特征为细胞体和树突位于其他神经系统,其轴突末端分支分布在所有的触角叶神经纤维球内,为单极神经元。CNs的数量较少,但形态多样,根据形态和投射模式, 棉铃虫CNs可分为7种类型,其中3类为双侧投射,4类为单侧投射。第1类CNs的形态与在烟草天蛾上鉴定到的多巴胺能拱状神经元(dopaminergic arching neurons,DAAR)相似,其细胞体位于前脑后方,蕈形体柄腹侧,树突分支分布在前脑的上内侧前脑(superior medial protocerebrum,SMP)、SIP、SLP和前视结节(anterior optic tubercle,AOTU)等神经髓,轴突投射向双侧触角叶,末端分支密度在两侧的触角叶不对称,一侧稀疏,另一侧稠密。第2类CNs为对侧投射的五羟色胺能中脑神经元(contralaterally projecting serotonin-immunoreactive deutocerebral neuron,CSDn)。在蛾类中,每个触角叶内仅含有1个CSDn,其细胞体位于触角叶内的外侧细胞体群,树突分支分布在双侧前脑的SMP、SLP、PLP、LH以及中央体(central body,CB)上方,轴突穿过中线延伸至对侧的触角叶。第3类CNs的细胞体位于脑前侧胞体层,触角机械感觉与运动中心(antennal mechanosensory and motor center,AMMC)腹外侧,树突分支分布于两侧的AMMC,轴突通过AST延伸到两侧的触角叶,细胞体同侧的触角叶只有少数OG含有该类型CNs的神经分支,而对侧触角叶的所有神经纤维球都有密集的神经分支。第4类CNs在其他物种中没有报道过,其细胞体位于脑后方细胞体层,PLP背腹侧,前脑的多个神经髓都含有密集的神经分支,轴突沿着内侧神经束通路单侧投射，神经分支分布在同侧触角叶内所有的神经纤维球内。第5类CNs在其他物种中也没有报道过,其细胞体位于脑后侧胞体层,神经分支分布在前脑的VLP和LH,轴突都沿着外侧神经束单侧投射，神经分支分布在部分触角叶神经纤维球内。第6类CNs的细胞体位于脑前侧细胞体层,VLP前侧,在前脑部分神经髓含有神经分支,轴突都沿着外侧神经束单侧投射,神经分支分布在触角叶背侧的部分神经纤维球内以及这些神经纤维球的间隙。第7类CNs的细胞体接近脑中线,CB背侧。前脑的神经纤维似乎沿着上位纤维系统(superior fiber system,SFS)分布,轴突末端分布在同侧的触角叶神经纤维球内[65]。CNs属于典型的反馈神经元,能够将其他中枢系统的信息反馈至触角叶,从而参与触角叶对气味信息的调谐和编码。目前棉铃虫中CNs的功能研究较少,Zhao 等利用细胞内记录与染色标记试验标记到一类CNs,形态上与上述第7类CNs相近,电生理数据显示这类CNs对声音和气流速度的变化有响应,表明CNs通过多模式感受反馈气味调控的作用[78]。

3 结论与展望

综上所述,关于棉铃虫嗅觉系统及嗅觉感受的分子和神经机制已取得一定进展。基本明确了棉铃虫从外周感器到中枢神经探测和编码性信息素与CO2的神经通路以及分子机制。棉铃虫主要性信息素Z11-16∶Ald的受体为HarmOR13,在A类毛形感器中的OSN内表达,该OSN的轴突末端投射到触角叶MGC的Cu神经纤维球,Cu-PNs进一步将信号传递到脑嗅觉高级中枢Ca、VLP、SLP和 SIP。Z9-14∶Ald的受体为HarmOR14b,在B类毛形感器中的OSN内表达,该OSN的轴突末端投射到触角叶MGC的DMA神经纤维球。Z11-16∶OH 的受体为HarmOR16,在C类毛形感器中的一个OSN内表达,该OSN的轴突末端也投射到DMA,DMA-PNs进一步将信号传递到脑嗅觉高级中枢Ca、LH和VLP。Z9-16∶Ald的受体 HarmOR6在C类毛形感器中的另一个OSN内表达,该OSN的轴突末端投射到触角叶MGC的DMP神经纤维球,DMP-PNs进一步将信号传递到脑嗅觉高级中枢Ca、LH和VLP。棉铃虫感受CO2的受体为HarmGr1、HarmGr2和HarmGr3,在LPO感器中的OSNs内表达,这些OSNs的轴突投射到LPOG,LPOG-PNs将信号传递到脑高级中枢内多个神经髓中,Ca、LH、SLP、PLP和VLP。

然而,除上述少数气味受体和神经通路得到解析,棉铃虫还有大量的其他气味受体和神经通路尚未得到研究。棉铃虫分布范围大,寄主范围广,嗅觉行为复杂,关于棉铃虫的嗅觉感受机制还需深入研究。其中以下几个方面非常值得进一步研究, 1)棉铃虫触角上锥形感器、腔锥形感器、栓锥形感器等多种类型感器的功能; 2)除性信息素和CO2外,寄主植物、有害食物和天敌等气味分子的受体—OSN—触角叶神经纤维球图谱对应关系;3)触角叶神经元间的突触联系及其气味处理与编码的对应关系; 4)在脑高级嗅觉中枢内,编码各种具体气味分子的神经元间的突触联系,以及脑内产生吸引和驱避运动指令神经机制; 5)棉铃虫对生境中气味分子的适应、学习和记忆。