昆虫嗅觉视觉信号识别及相关引诱技术研究进展

尹海辰 李文静 许 敏 许 冬 万 鹏*

（1.农业农村部华中作物有害生物综合治理重点实验室，农作物重大病虫草害防控湖北省重点实验室，

湖北省农业科学院植保土肥研究所 湖北武汉 430064；2.华中农业大学植物科学技术学院 湖北武汉 430070）

1 引言

在长期的进化过程中，昆虫形成一套敏锐的感觉器官，昆虫利用触角、跗足、口器等部位上的视觉、嗅觉器官不断收集来自自然环境的各种信息，判断寄主植物种类、数量、生长状况、交配对象的位置等，形成了其与周围环境通讯的特殊“语言”[1-4]。使其可在复杂的自然环境中准确寻找合适的食物源、交配对象以及有利于其后代生活的产卵地[5-7]。目前利用昆虫与寄主、交配对象间识别机制开发的各种引诱技术，已成为害虫监测与防治中的重要新技术，尤其对于体型微小、隐匿性强的害虫或钻蛀类害虫，具有良好的应用前景[8,9]。本文介绍了昆虫视觉信号、植物挥发物、昆虫性信息素等物理、化学信号在昆虫诱杀过程中的应用及研究进展，以期为明确昆虫与环境间的互作关系、制定有效的害虫综合治理措施提供研究思路和理论指导。

2 昆虫嗅觉信号识别及引诱技术研究进展

2.1 昆虫性信息素成分鉴定

昆虫性成熟后，其特定腺体能够生物合成性信息素并释放到体外，吸引同种异性个体进行交配活动。绝大多数性信息素由雌虫释放，雄虫可以跟踪空间中不同浓度的气味羽流来探测交配对象的位置[10]。近年来通过单感器记录（SSR）、气相色谱触角电位联用（GC-EAD）、气相色谱质谱联用（GC-MS）等技术从害虫顶空样品和全身提取物中发现并鉴定出了许多性信息素[11-14]。例如Ma等[15]对茶尺蠖Ectropis grisescens雌性腺体提取物进行了分析，发现其中(Z, Z, Z)-3,6,9-十八碳三烯和(Z,Z)-3,9-6,7-环氧十八烯能够诱发的电生理反应，并且可以在田间条件下表现出诱捕活性；Sullivan 等[16]通过GC-EAD 结合田间诱捕，发现凤眼莲卷叶蛾Archips goyerana雄性成虫对雌性腹部尖端提取物中的(Z)-11-乙酸十四碳酯，(E)-11-乙酸十四碳酯，(Z)-9-乙酸十四碳酯和(Z)-11-四烯-1-醇四种化合物极为敏感。

在对昆虫性信息素进行分析时，需要考虑到化合物立体异构间的引诱活性差异。如Hughes等[17]利用高效液相色谱法（RP-HPLC）和数字旋光法测定了天牛Anoplophora glabripennis雌性性信息素的绝对构型，发现其中主要成分7-甲基庚烷为右旋，行为学实验表明右旋信息素混合物可以引起雄性的强烈反应。而一种天牛科性信息素fuscumol 在田间试验中也被发现其右旋和左旋异构体分别可以诱集Astylidius parvus(LeCon⁃te)和Aegomorphus modestus(Gyllenhall)的成虫，证明了立体异构体功能的差异[18]。

2.2 植物挥发物成分鉴定

植物可以产生烃、醇、醛、酮、酯、有机酸和萜烯类化合物等多种挥发性次生代谢物质，这些物质在昆虫寄主识别定位过程中起着重要作用[19-21]。如Amorós 等[22]测定了柑橘挥发物主要成分，发现其挥发物中d-柠檬烯、N-甲基邻氨基苯甲酸甲酯、β-罗勒烯、β-榄香烯和β-石竹烯等化合物复配后，对柑橘木虱Diaphorina citri产生了较好的引诱作用。Yang 等[23]测定了韭菜挥发物释放量，发现其中甲基烯丙基二硫和二烯丙基二硫的释放量最高，这两种硫化合物及其混合物除了在触角电位检测中引起韭菜迟眼蕈蚊Brady⁃sia odoriphaga雌虫的强烈反应，在Y管嗅觉仪检测中也吸引雌性成虫，且这两种化合物或以1:5比例复配的混合物添加到韭菜植株中可增加该虫产卵量。Li 等[24]测定了烟草植物挥发物中13种化合物对马铃薯茎蛾Phthorimaea operculella的电生理活性，发现9种电生理活性物质，其中顺式-3-己烯-1-醇可以引起该虫两性的定向行为，壬醛、癸醛、癸烷和十六酸甲酯等化合物具有刺激雌虫产卵的作用。Adhikary等[25]在四个品种豆科植物的种子中鉴定出23种挥发物，测试表明其中3-辛酮、3-辛醇、氧化芳樟醇、1-辛醇和壬醛等化合物对豆科作物重要害虫四纹豆象Calloso⁃bruchus maculatus表现出引诱作用，将这些化合物按一定比例配置成复配剂后引诱作用显著增强。

植物在受到害虫为害后，会产生一些植食性昆虫诱导挥发物（Herbivore-induced plant vola⁃tiles，HIPVs），这些挥发物可以吸引害虫天敌取食从而增强植物的防御能力。目前这种植物-害虫-天敌间的三级营养关系吸引了许多研究者的目光。如Xiu 等[26]发现受到绿盲蝽Apolygus luco⁃rum危害的苜蓿花会产生异丙基甲苯和4-乙基苯乙酮两种化合物，这两种物质可以引起绿盲蝽内寄生天敌苞小蜂Peristenus spretus雌虫显著的触角电位反应，嗅觉仪生测表明，雌性苞小蜂可被10mg/ml 和100mg/ml 的两种化合物吸引，且在野外条件下悬挂诱捕器可显著提高附近绿盲蝽的寄生率。Ortiz-Carreon等[27]发现相比于健康植株，被植食性害虫侵害过的玉米植株会释放更多的α-长蒎烯和α-胡椒烯，这两种化合物单剂无法吸引寄生蜂Chelonus insularis雌虫，但两者复配剂却表现出很强的引诱作用。然而有时，HIPVs 的产生表明寄主植物防御已被破坏，反而会吸引更多的害虫取食，如黄蓟马Scirtothrips dorsalis就更加偏爱被害虫取食过的甜椒植株，进一步研究表明，蓟马会显著地被HIPVs混合物所吸引[28]。此外，植食性害虫在这一关系中并不一定处于被动地位，一些害虫在寄主挥发物的影响下也会主动提升自身免疫系统，例如斜纹夜蛾Spodoptera litura幼虫暴露在寄主挥发物（E）-β-罗勒烯下时，其血细胞数会显著增加，降低了其被寄生蜂产卵的风险[29]。这些研究表明植物、害虫与天敌间存在着复杂的相互作用关系。

在昆虫与寄主识别过程中也不应忽视非寄主植物的作用，昆虫有时也会被非寄主植物所吸引，如张献英等[30]报道了洋葱鳞茎挥发物对褐飞虱Nilaparvata lugens的引诱作用。Zhang 等[31]也发现暗黑鳃金龟Holotrichia parallela在田间会被有毒的非寄主植物蓖麻所吸引，并且在蓖麻气味环境中雌雄成虫抱对率显著提高，飞行活动能力显著增强[32]。这表明昆虫嗅觉感受器中具备识别非寄主植物的感觉神经元，如Park等[33]利用单感器记录技术在卷叶蛾Cydia sucedana触角中鉴定出多种感觉神经元可对不同非寄主植物产生的香叶醇、松油醇、柠檬醛和乙酸苄酯产生高度的特异性反应。

2.3 昆虫嗅觉感受器及相关蛋白研究进展

昆虫对性信息素及植物挥发物的识别依赖其触角、下颚须等器官上存在的一些毛形、锥形、钟形、板形、腔锥形气味感受器。其中毛形感器在昆虫触角上分布最广、数量最多，这种感受器上布满小孔，由表皮、孔、孔管、树突、树突膜和感器淋巴液所组成，小孔包含一个或多个感觉细胞，这些细胞的树状突穿过内壁直达顶端。在这些感受器内存在着气味结合蛋白(odorant bind⁃ing protein, OBP)、化学感受蛋白（chemosensory proteins, CSPs）、气 味 受 体(odorant receptors,ORs)或离子受体（ionotropic receptors,IR）等多种与化学信号识相关的蛋白。当昆虫感受器接收到气味分子后，气味分子通过触角感器上的小孔进入淋巴液中，气味结合蛋白或化学感受蛋白与其结合形成聚合物，运输至嗅觉神经元膜表面与气味受体或离子受体结合，激活受体和与受体偶联的G 蛋白，通过肌醇三磷酸、环腺苷酸或两者结合的机制产生动作电位传递至脑内的由嗅觉纤维球(Glomeruli)构成的触角叶，进而将信号整合并传递到位于昆虫的前脑叶髓层的嗅觉认知高级中枢蕈形体(Mushroom body)中，从而诱发定向移动行为[34-36]。

近年来通过转录组测定、体外重组表达、荧光竞争法、爪蟾卵母细胞电压钳记录等技术手段已鉴定了多种气味识别相关基因并对其功能进行了研究[37-39]。例如，冯一璐等[40]发现茶尺蠖Ect⁃ropis obliqua雄虫触角信息素结合蛋白基因Eo⁃blPBP2在大肠杆菌中表达后得到的高浓度重组蛋白，该蛋白可以与性信息素(Z,Z,Z)-3,6,9-十八碳三烯结合，但结合能力弱于中β-紫罗兰酮、邻苯二甲酸二丁酯等植物挥发物。Ge 等[41]利用上述方法研究了分别在桃柱螟Dichocrocis punctife⁃ralis雌雄虫触角内高度表达的CpunPBP5、Cpun⁃PBP2 两种气味结合蛋白与性信息素的结合能力，并通过同源模建法模拟了两种蛋白的三维结构及结合位点。Liu 等[42]通过非洲爪蟾卵母细胞系统研究了Athetis dissimilis四种性信息素受体候选 基 因（AdisOR1、AdisOR6、AdisOR11和Adi⁃sOR14）功能，发现其中AdisOR1对多种信息素组分反应强烈，表明其在性信息素感知中的重要作用。昆虫气味识别相关蛋白也不仅只在触角中表达，Zhang等[43]发现在松墨天牛Monochamus al⁃ternatus体内存在一种与松树的主要挥发性化合物具有高度亲和力的气味结合蛋白MaltOBP1，免疫印迹法结果显示该蛋白在翅膀和腿也有较高水平的表达，表明此类蛋白可能还具有其他生理作用。例如雄性棉铃虫Helicoverpa armigera在交配过程中通过精液可将一些气味结合蛋白传给雌虫，这些气味结合蛋白是一些产卵阻断剂的载体，雌虫产卵后这些蛋白分布于卵的表面，阻止其它雌虫在附近产卵，避免了后代的相互残杀[44]。

2.4 昆虫气味降解酶研究进展

当昆虫触角上结合了过高剂量的气味物质时，会诱导气味降解酶的合成，将感受神经元（ORNs）膜上嗅觉受体附近淋巴中的气味物质降解，保持气味通信系统的敏感性，这些气味物质降解酶主要包括酯酶、细胞色素P450s、谷胱甘肽S-转移酶（GSTs）和UDP 糖基转移酶等[45-46]。例如，Chertemps 等[47]研究证明，体外重组表达的黑腹果蝇Drosophila melanogaster触角中的羧酸酯酶EST-6可以降解其食物中释放的挥发性酯类，触角中缺少该酶基因的果蝇对性信息素顺式醋酸乙烯酯和多种食物源气味物质的阈值降低，信号终止延迟，兴奋恢复速度明显减慢。Durand等[48]发现性信息素和植物气味化合物暴露可以诱导一种斜纹夜蛾Spodoptera litura雄性触角中的酯酶基因SlCXE7 的转录，且体外重组的SlCXE7可以有效水解性信息素，对植物挥发物也具有较高的亲和力。

2.5 昆虫内源因子对气味识别的调控

气味对昆虫行为的影响会受到神经系统中5-羟色胺、章鱼胺、多巴胺、保幼激素等多种物质的调控[49-51]。例如，蔷薇斜条卷叶蛾Choristoneu⁃ra rosaceana经章鱼胺注射处理后提升了该虫对-2-己烯醛、苯甲醛、1-己烯醇等植物挥发物的敏感性，反之章鱼胺拮抗剂氯丙嗪处理可降低这种敏感性[52]。Hillier 和Kavanagh[53]研究表明注射章鱼胺可以显著提升烟芽夜蛾Heliothis virescens雌雄虫触角对于性信息素的电位反应。这一现象在果蝇Drosophila中也同样存在，章鱼胺神经元的活动是其对某些气味源产生偏好的必要条件[54]。

Abrieux 等[55]通过注射dsRNA 干扰了小地老虎Agrotis ypsilon触角叶中与多巴胺结合的G-蛋白偶联受体基因表达后，该虫雄虫对性信息素的触角电位反应和选择性显著降低。多巴胺也参与了丽蝇蛹集金小蜂Nasonia vitripennis交配后的行为转换过程，正常情况下该寄生蜂雌虫交配后不再被雄性信息素所吸引，但若在交配前喂饲多巴胺受体拮抗剂氯丙嗪，则雌性在交配后仍能保持对雄性信息素的选择性[56]。Lemmen 和Even⁃den[57]经过触角电位和昆虫风洞测试发现，在秋季单独施用保幼激素类似物甲氧普林、吡丙醚或与章鱼胺、多巴胺、5-羟色胺等联用可以提高卷叶螟Caloptilia fraxinella对性信息素的反应，但在夏季滞育代中没有效果。这些研究表明昆虫对气味物质的反应是可塑性的，与激素、生物胺等多种内源因子有关。

3 昆虫视觉信号识别及引诱技术研究进展

3.1 昆虫视觉系统

昆虫可以识别外界特定的光源刺激，并产生定向运动，这一现象被称为昆虫趋光性。昆虫视觉系统是其趋光性的基础，该系统由2 个子系统组成：复眼和视叶组成的主视觉系统和单眼感光辅助系统[58-60]。其中复眼结构复杂，由多个独立的小眼构成，每个小眼具有角膜、晶锥、感杆束、色素细胞、基膜等结构。光学显微镜、扫描以及透射电子显微镜观察表明昆虫复眼结构的差异很大，甚至可以作为昆虫分类的依据。而单眼可以分为背单眼和侧单眼两类，其中侧单眼是全变态类昆虫的幼虫所具备的唯一的感光器，具有一定的视觉作用。背单眼是昆虫成虫复眼的辅助器官，起到提高复眼感光能力的作用[61,62]。

目前研究表明在昆虫感杆束处的视网膜细胞内主要存在紫外、蓝和绿光三种感受器，昆虫的光感受器大多并非单独起作用，而是通过相互作用来辨识不同的颜色。这些感受器中上存在由跨膜视蛋白和载色体构成的感光色素，由于载色体种类以及与视蛋白的组合方式不同，导致感光色素的光谱吸收性有一定的差别，形成了昆虫对不同光源的选择性[63-65]。除视觉系统外，昆虫的其他部位也存在着光感受器。如黑腹果蝇Drosophila melanogaster幼虫的整个体壁都存在感应蓝光和紫外线的神经树突，可以调控着幼虫的避光行为[66]。

3.2 昆虫趋光性的影响因素

昆虫趋光行为与光源特性如波长、光照强度、偏振，昆虫自身状态如龄期、性别以及各种环境因素密切相关[67-70]。例如Yamaguchi 等[71]发现果蝇Drosophila体内存在R7、R8两种光感受器与其对颜色的趋性密切相关，缺少R7 的果蝇对蓝光有趋性，而缺少R8 则会导致对紫外线产生趋性；Sun等[72]测定了葡萄小食心虫Grapholitha mo⁃lesta对7 种波长光源的趋性，结果表明该虫显著偏好波长为405nm的光，其次是540nm，在480nm波长处没有趋光性。

除波长外光照强度也对昆虫趋光性有重要影响，如烟蓟马Thrips alliorum对430、450、562 nm三种波长的光源趋性随着光照强度的增加而增加[73]。谷蠹Rhizopertha dominica的趋光率在一定的光强范围内也随光照强度的增强而增大[74]。此外，由于光的本质是一种电磁波，阳光经过空气尘埃的折射或者反射后会形成偏振光，一些鳞翅目或鞘翅目昆虫翅膀也会反射偏振光以吸引异性，有研究表明这些人眼无法辨别的偏振光在昆虫导航，求偶觅食过程中具有重要的作用，然而目前对于此方面的研究相对较少[75]。

昆虫对光源的反应与其自身状态关系密切，同一昆虫在不同发育阶段对于光源的选择性会发生显著变化，例如研究表明在果蝇Drosophila整个生活史中，其趋光性不断发生变化，在低龄幼虫阶段该虫在腐烂果实内取食，高龄幼虫则主要寻找化蛹地点，促使其从避光转为屈光；在成虫期，随着龄期的增长该虫光感受器基因表达量减低，导致趋光性逐渐减弱[76,77]。这一现象在豌豆蚜Acyrthosiphon pisum中也同样存在，该虫有翅成虫在繁殖期均为负趋光性，在其他时期有翅和无翅蚜均为正趋光性，且两者偏好的光源波长存在差异，研究表明这一变化过程可能受到了多巴胺的调节[78]。在同一种昆虫两种性别个体间，由于飞行能力及复眼结构的差别，对于不同波长光的趋性也存在显著差异，例如Crook 等[79]通过视网膜电位（ERG）研究发现，小蠹虫Agrilus pla⁃nipennis雌性对光谱中的红色区域（640-670nm）敏感，而雄性则不敏感。吕飞等[80]研究发现黑绒鳃金龟Serica orientalis雌、雄虫对14 种单色光的趋光率在460、483、524、605 nm 等处趋性反应差异显著，雌虫的趋光率总体高于雄虫。此外，包括温度、湿度、降水、气压等环境因素同样与昆虫的趋光性行为有密切关系[81,82]。

3.3 昆虫视觉系统对轮廓形状的识别

以往研究普遍认为，昆虫的视力较差，识别寄主植物和寻找配偶主要依靠的是化学信号，然而近年来一些研究表明，视觉信号在这一过程中同样起着重要作用。例如，Sun 等[83]研究发现榆紫叶甲Ambrostoma quadriimpressum在野外可以被形似寄主榆树的黑色纸柱强烈吸引；Reeves等[84]发现将寄主植物密封在玻璃瓶中同样可以吸引水生象甲Euhrychiopsis lecontei。这些研究表明一些昆虫的视觉系统不仅仅只能简单地感受到光线的存在，同时可以辨别寄主植物的轮廓形状，在部分昆虫的寄主识别过程中，视觉信号甚至能够起到主导作用，然而相对于简单的趋光性，这种比较精细的视觉识别过程研究较少。

4 多种信号联用协同增效作用

4.1 性信息素与植物挥发物联合作用

在自然界中，雌虫通常也会利用寄主植物挥发物寻找产卵场所，这就导致了性信息素通常会和特定的植物背景气味一起出现，这些寄主挥发物的存在提示雄虫在某些区域与雌性相遇的几率很高，并且寄主植物挥发物对昆虫求偶行为有一定的促进作用，提升了交配成功率[85]。这些因素促使在寄主背景气味条件下雄虫对性信息素电生理反应大大升高，从而导致性信息素与植物挥发物产生了协同增效作用[86,87]。例如植物绿叶挥发物(z)-3-己烯基乙酸酯或(z)-3-己烯基乙酸酯、(z)-3-己烯基-1-醇和(e)-2-己烯醛组成都混合物可以提升性引诱剂对小菜蛾Plutella xylostel⁃la的诱捕效果[88]。而(E)-β-石竹烯，(z)-3-己烯基醋酸酯，1-己醇，1-辛-3-醇等葡萄挥发物增加了则葡萄花翅小卷蛾Lobesia botrana对性信息素源的反应，且当性信息素与寄主植物挥发物比例为1:1000 时，增效作用最明显[89]。Binyameend 等[85]发现棉花叶片气味物质可以促进棉贪夜蛾Spodoptera littoralis雌虫提前开始交配，同时在风洞实验中增加了该虫雄虫对雌性信息素的选择性。此外，在一些植物挥发物如芳樟醇中的短时暴露也可以显著提升该虫对性信息素的敏感性[90]。然而性信息素与植物挥发物的关系是复杂的，两者也并不总是表现出增效作用，例如Ian 等[87]通过棉铃虫Helicoverpa armigera头部钙离子成像证实性信息素刺激会抑制植物挥发物感觉神经元的活动，反过来植物挥发物也会抑制性信息素的反应。此外一些非寄主植物挥发物也会对性信息素的作用产生影响[91]。这表明昆虫对气味的识别是非常复杂的过程，在引诱剂的研制和应用时要考虑多种背景气味的影响。

4.2 视觉与嗅觉信号联合作用

如前文所述，昆虫同样具备复杂的视觉系统，视觉信号也很可能参与了寄主识别过程，有时甚至起到了主要作用。例如Kerr 等[92]在松林中悬挂了六种颜色的诱捕器比较了对松林主要害虫的诱捕效果，结果显示无论是否有引诱剂（α-蒎烯+乙醇），黑色和红色诱捕器捕获率均最高，引诱剂的存在可以提升诱捕效果，但总体上欧洲根小蠹Hylastes ater、暗梗天牛Arhopalus fer⁃us对视觉信号更为敏感。Pan等[93]研究表明相比于红色、黄色发光二极管或无光照条件，绿盲蝽Apolygus lucorum更易被绿色发光二极管所吸引，而当在绿光中加入开花的棉花植株后，绿盲蝽的选择反应显著高于两个信号的单独作用。除了植物挥发物外，视觉信号与性信息素联用也能取得很好的效果，例如性引诱剂对可可盲蝽Sahlbergella singularis的引诱效果不佳，但若将性引诱剂加入绿色诱捕器，捕捉的可可盲蝽数量便显著高于白色和紫色诱捕器[94]。以上研究表明与单纯视觉或嗅觉刺激相比，将两种刺激相结合可以提高昆虫区分寄主和非寄主植物以及配偶和非配偶的准确性。两种信号也有不同的作用范围，通常认为远距离时昆虫通过识别气味羽流追踪目标，距离内则依靠视觉搜索[95]，因此利用这些规律将两种信号巧妙结合就可以达到改善诱捕效果的目的。

5 讨论

通过模拟寄主植物、交配对象物理化学信号开发的食诱剂、性诱剂、杀虫灯、诱虫板等各种诱捕技术作为一种新兴害虫防治方法，同化学农药相比较，具有毒性低、环境友好等特点，在当前我国农业由粗放型转向集约型的条件下具有广阔的空间。然而目前在生产实践中应用这些技术还存一些问题，如诱虫灯对天敌、中性昆虫的造成伤害，食诱剂、性诱剂效果不稳定等。这些问题表明在昆虫寄主识别、交配对象选择方面的研究还存在不足，如在昆虫视觉研究领域，对昆虫敷复眼结构的研究易受到昆虫体型的限制，对一些体型较小的昆虫从其复眼深层结构水平认识其对光信号的识别比较困难。昆虫在受到视觉刺激后神经信号是如何转导的，视觉刺激后产生的各种生理变化又与哪些基因的表达有关？这些问题仍不明确。目前已有研究表明5-羟色胺、多巴胺神经递质参与调控了昆虫嗅觉信号的识别，但神经递质与视觉信号识别间的关系方面的研究尚不全面。此外对视觉信号的研究多关注昆虫对波长、颜色的驱性，然而实际上许多昆虫可以识别寄主或交配对象的轮廓，但在此方面的研究与应用不多。

在昆虫嗅觉识别机制研究中，目前科学家已鉴定出OBPs、CSPs、ORs、IRs 等多种嗅觉相关蛋白。然而这些蛋白在触角之外许多器官中也同样存在，此类蛋白的生理功能目前依然不是十分清楚。利用嗅觉信号开发而成的食诱剂、性诱剂等产品，在实际生产中有时效果不稳定，一方面昆虫的嗅觉是可塑的，会随着多种内外因而变化，相关的嗅觉中枢神经以及相应的分子机制研究仍需研究。另一方面，昆虫感知到的是寄主、交配对象挥发到空气中的微量分子，然而目前对于这些分子在空气中的运动规律，以及这种运动规律与引诱效果间的关系少有研究。

此外，昆虫对自然环境的感知是十分复杂的行为，是多种感官系统共同作用的结果，因此如能将多种物理化学信号结合起来，就能更加准确地模拟食物源、交配对象的特征，从而提升引诱效果，为开发更加高效安全的害虫防治措施提供可能。