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天牛嗅觉感受相关蛋白研究进展

2018-01-18詹文会张苏芳耿红卫王野影

河南农业科学 2018年3期
关键词:肩星松褐感器

詹文会,张苏芳,耿红卫,王野影,郭 昆,陈 君

(1.贵州师范大学 生命科学学院,贵州 贵阳 550025; 2.中国医学科学院 药用植物研究所,北京 100193; 3.中国林业科学院 森林生态环境与保护研究所,北京 100091)

昆虫经过长期选择进化,形成高度特化且灵敏的嗅觉感受系统来识别外界环境中的化学信息物质,并将其转化为体内电信号,最终指导昆虫完成寄主搜寻、寻偶、交配、产卵、躲避天敌等一系列行为。昆虫的嗅觉识别需要多种蛋白质参与,主要有气味结合蛋白(Odorant binding proteins,OBPs)、化学感受蛋白(Chemosensory proteins,CSPs)、气味受体(Odorant receptors,ORs)、离子型受体(Ionotropic receptors,IRs)、感觉神经膜蛋白(Sensory neuron membrane proteins,SNMPs)、气味降解酶(Odorant-degrading enzymes,ODEs)等。天牛隶属鞘翅目(Coleoptera)叶甲总科(Chrysomeloidea)天牛科(Cerambycidae),是鞘翅目中较大的类群之一,为防护林和经济林的重要蛀干害虫,全世界约有45 000种,中国已知3 100余种[1]。天牛食性杂,寄主广,繁殖力强,一旦危害,对园林、果林和防护林有毁灭性危害。在天牛生活史中,幼虫期所占时间最长,活动隐蔽,防治困难,而成虫是天牛裸露活动的虫态,因此成为防治的最佳阶段。目前,基于天牛成虫与寄主植物之间化学信息联系的化学生态研究,已成为天牛防治新途径的研究热点。诸多研究表明,天牛的嗅觉在利用寄主植物释放的挥发性次生物质识别寄主的过程中起非常关键的作用。综述了近年来天牛嗅觉相关蛋白研究进展,为基于嗅觉调控的环境友好型害虫防治新技术的设计和开发提供依据。

1 天牛嗅觉感器

嗅觉感器是昆虫感知周围环境中各种化学物质的重要基础结构,主要分布在昆虫触角上。天牛成虫触角为丝状,共11节(个别种类12节),由柄节、梗节和鞭节三部分构成,其中鞭节分为9亚节。天牛触角上分布的感器主要包括刺形感器、锥形感器、Böhm氏鬃毛、凹槽丁形感器和钟形感器[2-5],其中锥形感器通常壁很薄且表面具孔,因此被推断为嗅觉感器。锥形感器在天牛科种类间形态变化较大,这种形态差异可能是识别不同寄主植物和环境中的信息化合物所导致。在黄星天牛(Psacotheahilaris)[6]、松褐天牛(Monochamusalternatus)[7]、曲纹花天牛(Lepturaarcuata)、橡黑花天牛(Lepturaaethiops)[8]和咖啡脊虎天牛(Xylotrechusgrayii)[5]等种类中均发现锥形感器在鞭节末端是成簇分布的,这种成簇分布的嗅觉感器增强了嗅觉感受功能并有助于长距离嗅觉分子的识别[9]。锥形感器不仅是一种嗅觉受体,在有些种类的天牛中还存在性二型现象,可能与性信息素的识别有关。如在曲纹花天牛和橡黑花天牛中均发现雄性个体锥形感器的数量显著高于雌性,据此推断雄性锥形感器具有感受雌性个体释放的性信息素的功能[8]。

2 天牛嗅觉相关蛋白

相对于鳞翅目、膜翅目等类群,鞘翅目类群的嗅觉相关蛋白研究起步较晚。仅有大猿叶甲[10]、云南切梢小蠹[11]、红酯大小蠹[12]、黄粉虫[13]、花绒寄甲[14]、赤拟谷盗[15]、云杉八齿小蠹、中欧山松大小蠹[16]等十几种鞘翅目昆虫的嗅觉基因得到发掘和验证;而在天牛科昆虫中,目前仅对光肩星天牛(Anoplophoraglabripennis)、云斑天牛(Batocerahorsfieldi)和松褐天牛等少数物种的嗅觉相关基因进行鉴定。

2.1 气味结合蛋白

嗅觉感受神经元存在于嗅觉感器内亲水性的淋巴液中,而昆虫感受的气味物质多为脂溶性的小分子化合物,因此这些小分子物质最先与气味结合蛋白结合,使其穿过亲水性的淋巴液到达嗅觉神经树突膜上的气味受体,最终引起昆虫一系列行为。气味结合蛋白是一类可溶性胞外蛋白[17],作为脂溶性气味分子的载体,由120~150个氨基酸组成,分子质量为14~17 ku,等电点为4~5,N端有一段20个氨基酸的信号肽。二级结构由6个α螺旋构成多维二聚体,有6个保守的半胱氨酸位点,形成3个相互交连的二硫键。根据序列中保守半胱氨酸残基数目和位点特征,OBPs分为Classic OBPs、Plus-C OBPs、Minus-C OBPs、非典型的OBPs等[18-19]。其中Classic OBPs又包含PBPs、GOBPs和ABPx。迄今,天牛科只有沟颈天牛亚科4个种的OBPs被报道。

光肩星天牛是首个被报道OBPs的天牛种类,也是天牛科唯一被测定基因组的物种。王伟[20]利用mRNA差异显示体系(DDRT-PCR)得到了光肩星天牛2个气味结合蛋白AglaOBP1和AglaOBP2的全长序列。李慧恩等[21]通过构建光肩星天牛触角全长 cDNA文库并结合表达序列标签(ESTs)分析,得到4条气味结合蛋白全长序列。Hu等[22]在光肩星天牛转录组中鉴定了42个OBPs基因,其中23个基因的N端编码一段信号肽,开放阅读框超过400 bp。根据OBPs半胱氨酸位置特征,鉴定出16个Minus-C OBPs基因、2个PBPs基因。其中,PBPs在触角中高表达,尤其是AglaPBP2特异性表达于触角,表达量是其他组织的200倍,说明触角是信息素的主要识别位点,AglaPBP2在性信息素识别中起重要作用。McKenna等[23]完成了光肩星天牛的基因组测定,注释了52个OBPs,包括31个Minus-C OBPs、20个Classic OBPs和1个Plus-C OBPs, 相对于其他已测定基因组序列的物种,光肩星天牛的Minus-C亚家族明显扩张。

通过构建云斑天牛的cDNA文库和采用EST测序技术得到3个OBPs(BhorOBP1、BhorOBP2、BhorOBP3)、2个PBPs(BhorPBP1、BhorPBP2)和4个Minus-C OBPs的序列,并克隆了3个OBPs[24]和4个Minus-C OBPs[25]的基因。半定量RT-PCR发现,云斑天牛OBP1—3和Minus-C OBP1—3在头部(去除触角和下颚须、下唇须)均不表达,而在触角、下颚须、下唇须、翅、足和腹部均有表达,Minus-C OBP4在触角、翅、足、腹部有表达;定量PCR显示,3个OBPs基因在触角的表达量最高,无论交配与否OBPs在雄虫不同组织的表达量高于雌虫,在羽化后1~5 d以及羽化后30 d左右,OBPs的表达量远高于中间时期的表达量[24]。Minus-C OBPs在云斑天牛整个生活史中都表达,与OBPs相反,无论交配与否雌虫的表达量均高于雄虫[25]。各种气味结合蛋白在雌、雄虫中及不同时期表达量存在差异,表明OBPs在雄虫寻找配偶和雌虫寻找补充营养寄主及产卵场所的过程中发挥着重要的功能。对气味结合蛋白BhorOBP2进行原核表达、纯化,并利用荧光竞争结合试验检测其与云斑天牛寄主挥发性物质的结合能力,发现BhorOBP2与反-2-己烯醛、2-丁基丁醛、水杨醛、马鞭草烯酮、顺-3-己烯醇、反-2-己烯醇、β蒎烯、乙酸乙酯等结合能力强,推测BhorOBP2与链式化合物有较强的结合能力,同时结合能力受化合物碳链长度影响[24,26]。BhorOBP2与大多数的寄主挥发物有较好的结合特性,因此,推测BhorOBP2在云斑天牛寄主定位过程中起着关键性的作用。通过分子建模和对接试验检测BhorOBPm2和化合物的作用机制,BhorOBPm2因缺少1对二硫键而有更大的弹性、更大的结合腔和更多的配基特异性结合,因此认为Minus-C OBPs提供了OBPs进化过程中的中间结构[27]。除了克隆、表达后验证OBPs的功能外,卓志航等[28]从云斑天牛总蛋白中提纯并进行葡聚糖凝胶G75层析分离,获得云斑天牛触角中的一种蛋白,该蛋白pur-pro.I与荧光探针1-NPN发生荧光结合反应,证明其为云斑天牛的一种气味结合蛋白。

松褐天牛有31个OBPs。高雄等[29-30]通过构建松褐天牛cDNA文库,克隆了4个OBPs基因(MaltOBP2—5)。Wang等[14]通过测定松褐天牛成虫触角的转录组,得到了25个OBPs基因(MaltOBP5—29)的序列,其中全长基因21个,并克隆了5个OBPs基因。随后钱凯等[31]克隆了2个OBPs基因即MaltOBP2和MaltOBP6,其中MaltOBP2与高雄[29]克隆的MaltOBP2基因序列相同。李娜[32]克隆了9个MaltOBPs基因全长,通过荧光定量PCR技术检测发现,松褐天牛OBPs基因在不同发育时间和不同组织间表达量有明显差异,且其表达量受性别和交尾状态的影响,例如MaltOBP7主要表达于松褐天牛成虫足中且在雌虫中表达量较雄虫高;MaltOBP12和MaltOBP15基因在交配后雌虫中的表达量显著高于未交配雌虫,这可能与雌虫交配后寻找产卵场所有关。昆虫嗅觉相关基因的表达在其生存和繁殖中起着很重要的作用。MaltOBP9和MaltOBP10基因分别在羽化5 d雌虫和雄虫的下唇须和下颚须中高表达,可能与下颚须和下唇须密布嗅觉感受器,行使重要的嗅觉感受功能有关[33]。MaltOBP13和MaltOBP19分别于雄虫和羽化5 d雌虫腹末3节中高表达[32-33],表明其与昆虫性成熟有关,不同发育时期的表达量和天牛行为相关,松褐天牛嗅觉相关蛋白在羽化0 d高表达可能与寻找食物有关,5 d或13 d高表达可能与寻找配偶、产卵场所等行为有关。松褐天牛雄虫中,MaltOBP7、MaltOBP13、MaltOBP14、MaltOBP18、MaltOBP20 基因在羽化0 d有较高的表达量,可能与其取食行为有关,这种取食行为有利于其达到性成熟[34]。MaltOBP24在1 d雌虫触角中的表达量显著高于其他时期触角中的表达量,可能与初羽化的寄主定位行为有关;MaltOBP21在13 d已交配雌虫触角中的表达量显著高于其他时期触角中的表达量,可能与成虫的生物学特性有关。松褐天牛成虫在识别寄主挥发物过程中雌、雄间存在差异,大部分气味结合蛋白基因在雄虫中的表达量高于雌虫中的表达量,雄虫比雌虫更容易识别寄主和寻找配偶等[35]。综上所述,对松褐天牛OBPs表达量的研究有助于预测OBPs在天牛行为中的作用。天牛嗅觉蛋白的研究主要集中在成虫阶段,而钱凯等[31]研究了MaltOBP2和MaltOBP6在松褐天牛不同发育阶段的表达量,发现MaltOBP2 在蛹触角中的表达量最高,在成虫触角中的表达量最低,而MaltOBP6 在幼虫头部的表达量最高。通过荧光竞争结合试验测定其他8个蛋白与寄主植物挥发物单体的结合特性,发现MaltOBP3(Classic)和MaltOBP5(Minus)与柠檬烯氧化物等5种化合物均有较强的结合能力,其中对(-)-柠檬烯结合能力最强,另外,MaltOBP3对a-异松油稀等6种化合物、MaltOBP5对R-(-)-柠檬烯和 (+)-a-蒎烯分别有较强的结合力[29]。王娟[33]测定了Minus-C亚家族的MaltOBP9和MaltOBP21,Classic亚家族的MaltOBP10,Plus-C亚家族MaltOBP19和MaltOBP24在中性和酸性环境下与18种松树挥发物单体的结合特性,发现它们在中性环境下与挥发物的结合能力普遍高于酸性环境。在中性条件下,MaltOBP9和MaltBOP21对其中β-石竹烯等4种挥发物都有较强的结合能力,而MaltOBP19和MaltOBP24结合特性方面表现出比较大的差异,其中MaltOBP19对17种挥发物均表现出强结合力,而MaltOBP24仅对3-蒈烯等5种挥发物表现强结合力。而属于Classic OBPs的MaltOBP13蛋白在酸性条件下与寄主挥发物的竞争结合能力明显高于中性条件。无论在酸性还是中性条件下,MaltOBP13对丁羟基甲苯均具有较强的结合特性。在酸性条件下,除与崁酮、莰烯、(+)-长叶环烯结合能力相对较弱外,与其他物质均具有很强的结合能力。在中性条件下,与S-(-)-柠檬烯等9种化合物结合能力很强,其中,与丁羟基甲苯结合能力最强,与(+)-柠檬烯氧化物等7种化合物结合能力较弱[36]。不同气味结合蛋白对化合物有明显的特异性识别,说明它们参与寄主识别。

李广伟等[37]通过测定黄斑星天牛(Anoplophoranobilis)雌虫触角的转录组,共鉴定到16个OBPs基因,包括11个Minus-C OBPs、3个Classic OBPs和2个Plus-C OBPs。半定量PCR研究表明,OBPs基因在各个组织中都有表达。与鳞翅目昆虫相比,天牛等鞘翅目昆虫触角中分布着更多的Minus-C OBPs。许多研究表明,Minus-C OBPs更多存在于较为原始的物种中,推测Minus-C类型是OBPs家族的祖先类型,昆虫OBPs随着物种进化,产生更多半胱氨酸残基形成二硫键来稳定其高级结构,有利于蛋白质与气味分子的特异性识别[38]。

2.2 化学感受蛋白

昆虫嗅觉感器内淋巴液中除了气味结合蛋白,还有另一类水溶性蛋白化学感受蛋白,它与气味结合蛋白具有类似功能,1994年首次在黑腹果蝇触角中被发现[39]。该类蛋白质分子质量为10~15 ku,由100~120个氨基酸组成,N端有17~25个氨基酸的信号肽。典型特征是具有4个保守半胱氨酸残基,且形成2对二硫键稳定蛋白质结构,其在昆虫中同源性很高,表达分布部位为触角、性腺、下唇须、足等。Wang等[14]通过构建松褐天牛转录组,鉴定12个CSPs转录本,其中8个为全长转录本。李慧等[24,40]通过测定云斑天牛触角得到3个化学感受蛋白基因,且3个基因在云斑天牛组织中广泛分布,说明化学感受蛋白具有多种功能。除下唇须和下颚须外的其他组织中,无论交尾与否雄虫BhorCSPs的表达量均显著高于雌虫。在不同发育时期,雌虫的表达量变化较小而雄虫变化较大,在大部分时期交尾后雄虫的表达量最高。交尾后雌虫在羽化后5 d和20~25 d时间段BhorCSPs表达量较高,推测CSPs在云斑天牛寻找寄主补充营养和寻找产卵场所过程中有一定作用。雄虫BhorCSPs的表达量在翅中变化最大,未交尾雄虫在羽化10 d或者15 d表达量最高,交尾雄虫在10 d或者30 d表达量最高。在整个发育时期BhorCSPs的表达模式非常复杂,各基因间不同的表达模式说明化学感受蛋白具有多种功能。王伟[20]利用DDRT-PCR技术得到了光肩星天牛AglaCSP1基因,并对该蛋白质的二级和三级结构进行预测。Hu等[22]在光肩星天牛转录组中鉴定12个CSPs基因,均具有完整的ORF,除CSP4外,其他基因N末端有信号肽。这12个CSPs基因分别在触角、下唇须、下颚须和足等多种组织中高表达,且包括非感受组织,说明其功能具有多样性。

2.3 气味受体

昆虫的气味受体属于G-蛋白偶联受体超家族,有7个跨膜结构,且具有与脊椎动物相反的拓扑结构[41]。同时与OBPs和CSPs相比,昆虫间的ORs高度分化,使得其鉴定难度加大,需要借助基因组的测序工作。直到1999年,在黑腹果蝇中发现了昆虫的第1个OR[42],随后又在多种昆虫中鉴定出各自的ORs。昆虫的气味受体位于嗅觉神经元树突膜上,一般大约由400个氨基酸组成,而且多数气味受体神经元表达2类不同的受体:一类是共受体OR83b,该类受体数量少,不直接参与感知气味分子,具有高度保守的特性,Orco属于此类受体;另一类是传统受体ORs,此类受体又称普通气味受体,数量多,且保守性低。

目前,ORs在许多鳞翅目、膜翅目昆虫中的研究较多,而在鞘翅目昆虫中的研究较少,第1个被报道ORs的天牛科物种是胡桃缢虎天牛(Megacyllenecaryae)。Mitchell等[43]测定了胡桃缢虎天牛触角转录组,获得了57个ORs基因序列,其中包括30个全长ORs基因、26个部分序列和1个Orco基因。为检测ORs基因的功能,将9个ORs基因克隆并转入pGEMHE载体在爪蛙卵母细胞共表达,然后选择雄性天牛成虫产生的9种信息素作为供试配体化合物,结合双电极电压钳技术对ORs基因功能进行验证,最终确定McaOR3对(S)-2-甲基-1-丁醇敏感,McaOR20对(2S,3R)-2,3-己二醇敏感,McaOR5对2-苯乙醇敏感。并且发现McaOR3和McaOR20对其他天牛的相似信息素也敏感,说明同源受体也存在于其他天牛物种中。Wang等[14,33]通过构建松褐天牛触角转录组得到8条ORs片段序列和1条全长序列MaltOR1,后者编码451个氨基酸。在光肩星天牛转录组中鉴定37个ORs,其中7个为全长基因,系统发育树中大多数ORs聚在多条分支,这表明该受体蛋白保守性低,保证天牛嗅觉系统的特异性。光肩星天牛AglaOR9与1个家蚕、5个鞘翅目昆虫和1个西方蜜蜂Orco基因聚在一支,说明Orco基因在不同种属之间保守性比OR基因高,因此可判定AglaOR9为光肩星天牛的共受体基因[22]。气味受体作为将外界化学物质转变为电信号最终引起昆虫行为反应过程中的关键蛋白,其具体功能有待进一步探讨。从光肩星天牛基因组中鉴定132个ORs基因,包括1个Orco基因、120个ORs基因、11个ORs假基因,其中3个ORs基因在雌虫中高表达,1个ORs基因在雄虫中高表达,这些受体功能未知,可根据其他天牛的受体基因进行推测,如将AglaOR29、AglaOR35—36和AglaOR65—68分别与胡桃缢虎天牛的McarOR3、McarOR5和McarOR20[23,44]相比进行推测,后者的功能已被验证。

2.4 其他嗅觉相关蛋白

除了上述的3类蛋白质外,人们对参与昆虫嗅觉识别的离子型受体、感觉神经膜蛋白、气味降解酶等蛋白质的研究较少。目前有少数文献进行了基因鉴定,如Hu等[22]通过对光肩星天牛转录组研究获得1条ODE、14条PDEs(Pheromone-degrading enzymes)、4条IRs和2条SNMPs基因序列,通过对光肩星天牛的基因组研究得到72条IRs基因序列;Wang等[14]通过测定分析松褐天牛触角的转录组,得到了1条SNMPs基因全长序列。但是这些基因的功能目前在天牛中还未见报道。

3 展望

目前对鞘翅目中嗅觉蛋白的研究只报道了12个种,天牛科中报道了5个种,仅赤拟谷盗和光肩星天牛等个别物种大部分嗅觉蛋白家族有系统报道,多数物种只研究了1个或几个蛋白家族甚至只报道了个别基因序列。由于物种和序列的局限性,不能做整个嗅觉蛋白家族的进化分析,无法将OBPs等进一步区分到型,鞘翅目作为昆虫纲最大的目,更多物种的嗅觉基因需要鉴定,这对于整个昆虫纲嗅觉蛋白的进化研究具有重要意义。另外,与鳞翅目等其他昆虫类群相比,天牛嗅觉基因的功能研究采用的方法单一,仅利用生化指标及原核表达纯化蛋白等途径来研究蛋白质功能,而通过RNA干扰或基因敲除等手段观察昆虫行为来研究基因功能的报道很少,是未来需要进一步拓展的方向之一。

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