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作为地球上种类和数量最大的生物类群,昆虫在漫长的进化过程中,形成了高度灵敏的嗅觉感受系统,以此来感受环境中纷繁复杂的气味物质,从而完成寻找配偶、食物、产卵场所和逃避天敌等重要的行为活动,因此研究昆虫嗅觉感受机制具有重要的科学意义。从应用的角度讲,我国长期以来采用化学农药防治害虫,不仅使害虫产生了抗性,防治效果降低,同时农药残留给环境及人类生活带来的安全隐患日益严重并引起格外关注,亟需开发更环保、更安全的害虫防治技术。基于昆虫两性之间高度特异的信息素通讯而设计开发的性引诱剂已经成功应用于一些害虫的防治,但总体效果仍无法达到人们预期,主要原因是对昆虫性信息素或其他气味物质的嗅觉机制还不够了解。昆虫对于气味物质的感受和识别涉及多个蛋白,如气味结合蛋白（Odorant binding protein,OBP）、化学感受蛋白（Chemosensory protein,CSP）、气味受体（Odorant receptor,OR）、离子型受体（Ionotropic receptor,IR）、感觉神经元膜蛋白（Sensory neuron membrane protein,SNMP）和气味降解酶（Odorant degrading enzyme,ODE）等。深入研究这些基因的功能及其在气味识别过程中的作用机制,无疑将有助于开发更高效的害虫防治技术。本研究以重要农业害虫斜纹夜蛾（Spodoptera litura）和棉铃虫（Helicoverpa armigera）为研究对象,结合分子生物学、生物信息学和电生理学技术,重点对OR和SNMP两类基因进行了鉴定及功能分析,主要结果如下:1.斜纹夜蛾性信息素受体基因的克隆、表达及功能研究在鳞翅目昆虫中,根据功能差异一般可以将OR分为性信息素受体（pheromone receptor,PR）和非性信息素受体（non-pheromone receptor,non-PR OR）。根据海灰翅夜蛾（Spodoptera littoralis）报道的4个PR基因,设计特异性引物,从斜纹夜蛾雄蛾触角中克隆并鉴定了4个PR基因片段,进一步通过RACE技术获得其全长cDNA序列,分别命名为SlituOR6（Genbank登录号:KC188666）、SlituOR11（KC188667）、SlituOR13（KC188668）和SlituOR16（KC188669）。组织表达谱显示,4个PR主要在触角中表达,SlituOR6和SlituOR13在雄虫触角特异表达,SlituOR11和SlituOR16在雄虫触角高表达。进一步采用非洲爪蟾卵母细胞（Xenopus oocytes）系统表达并分析4个PRs的功能,其中SlituOR6对次要性信息素组分Z9,E12-14:OAc特异反应(EC50=1.99×10-6 M);SlituOR13对次要性信息素组分Z9,E12-14:OAc(EC50=6.109×10-6M)和Z9-14:OAc(EC50=1.184×10-6M)反应比较强烈,对主要性信息素组分Z9,E11-14:OAc有微弱反应;S1ituOR16对斜纹夜蛾的行为拮抗剂Z9-14:OH有最大反应(EC50=2.920×10-6M);S1ituOR11对所有检测气味均不反应。研究结果为明确斜纹夜蛾性信息素的感受机制提供了重要依据。2.斜纹夜蛾普通气味受体基因的克隆、表达定位及功能研究蛾类受体功能的研究大多针对PR,对non-PR OR的研究很少。我们根据已报道的海灰翅夜蛾的OR序列,设计特异性引物从斜纹夜蛾触角中克隆得到4条non-PR OR片段,进一步通过RACE技术获得cDNA全长序列,分别命名为SlituOR12（Genbank登录号:JX999588）、SlituOR19（JX999589）、SlituOR44（JX999587）和SlituOR51（JX999586）。组织表达谱分析表明,这4条OR都在触角中表达;原位杂交（in situ hybridization）实验表明,SlituOR12在长毛形、短毛形和锥形感器中都有表达,与感器的嗅觉功能相一致。进一步利用非洲爪蟾卵母细胞表达并分析4个OR的功能,结果表明,SlituOR12特异性地识别植物挥发物顺-3-己烯基乙酸酯(EC50=3.393×10-7M),SlituOR19对4’-乙基苯乙酮有微弱反应,但SlituOR44和SlituOR51对所有检测气味均无反应。基于前人对顺-3-己烯基乙酸酯对昆虫行为影响的报道,我们推测SlituOR12参与了雌虫寻找寄主和产卵场所的过程。3.斜纹夜蛾感觉神经元膜蛋白基因的克隆及表达定位感觉神经元膜蛋白是一种膜蛋白,在果蝇中已被证实在性信息素的感受中必不可少。我们利用PCR技术从斜纹夜蛾触角中克隆鉴定了2个SNMP基因的全长cDNA序列,分别命名为SlituSNMP1（GenBank登录号:KC571258）和SlituSNMP2（KC571259）。将2个SNMP进行进化分析发现,两者分别属于SNMP1和SNMP2亚族。利用RT-PCR和qPCR进行组织表达谱分析,发现SlituSNMP1特异表达于成虫触角;而SlituSNMP2主要在成虫触角中表达,在其他嗅觉器官（如喙和下唇须）和非嗅觉器官（足和生殖器）中也有少量表达。利用原位杂交技术定位了这2个基因在雄虫触角中的感器分布,发现SlituSNMP1在长毛形感器下的神经元中表达,而SlituSNMP2则在周围的柱状细胞中表达,暗示两者均参与了嗅觉过程,但功能上有所差异。4.棉铃虫触角转录组测序及嗅觉感受基因的鉴定为了更好地研究棉铃虫的嗅觉识别机制,我们利用Illumina HiSeqTM 2000高通量测序平台对棉铃虫触角进行转录组测序,新发现了15个OR、7个IR、8个OBP和6个CSP。包括本实验室已报道的棉铃虫454测序结果,我们在棉铃虫触角中共鉴定到133个嗅觉基因,包括60个OR、19个IR、2个SNMP、34个OBP和18CSP。这些基因的鉴定为全面阐释棉铃虫的嗅觉机制奠定了重要基础,同时为进一步通过与姐妹种烟青虫进行比较分析来揭示两种昆虫食性分化的机制提供了重要依据。5.棉铃虫气味受体基因的表达谱及功能分析在对棉铃虫进行转录组测序及OR鉴定的基础上,进一步对这些OR进行了功能研究。首先利用RT-PCR技术对已鉴定的所有OR进行了组织表达谱分析,结果显示,其中28个OR基因在成虫触角和幼虫触角中均有表达,2个为幼虫特异表达,其余只在成虫触角表达。然后利用RACE技术克隆了26个OR基因的全长cDNA序列,并对其中的12个OR进行了功能鉴定,对84种气味物质的电生理反应测定发现,7个OR（OR7、8、23、26、27、34和43）的气味结合谱很窄,只对2-4种气味物质有反应;4个OR（OR31、35、40和42）的结合谱较宽,对5种以上气味有反应;1个对被测气味物质均未有反应。推测这些反应谱窄的OR在棉铃虫寄主的识别过程中发挥重要作用。综上所述,本文综合运用分子生物学、生物信息学和电生理记录学技术,在斜纹夜蛾触角中克隆了8个OR（4个PR和4个non-PR OR）和2个SNMP,测定了这些基因的组织表达特征,并进一步鉴定了它们的功能;在棉铃虫中新鉴定了36个嗅觉基因,包括15个OR、7个IR、8个OBP和6个CSP,克隆了26个OR的全长cDNA序列,并完成了12个OR的功能鉴定。研究结果为阐明斜纹夜蛾、棉铃虫对性信息素和植物挥发物的嗅觉分子机制提供了重要依据,同时为设计和开发高效的蛾类行为引诱剂和交配干扰剂提供了支撑。