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摘要 在昆虫触角中，位于嗅觉感器神经树突膜上的气味受体蛋白与同源配位体相互作用将化学信号转换为神经活动。在与气味受体相互作用前，这些疏水性的配位体必须进入和穿过含有高度聚集气味降解酶的水环境，气味分子和气味结合蛋白OBP相互作用，在水腔和感器的表皮毛壁的交界面上与气味分子结合，通过扩散穿过水腔，将气味运送到神经细胞膜受体。接收后传入中枢神经系统。中枢神经系统对所有感官器官接收信号进行整合，最后使效应器官产生行为反应。对昆虫感受气味物质的分子机制进行了探讨。
关键词 嗅感器；气味结合蛋白；气味降解酶；气味受体
中图分类号 S185 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）35-12544-03
在长期的进化过程中，昆虫嗅觉系统已经成为一个高度专一、极其灵敏的化学监测器。昆虫依赖触角上的嗅觉感受器鉴定和识别环境中的化学气味分子，这些嗅感器可以敏感和特异地分辨出环境中对昆虫自身具有重要意义的气味，接收后传入中枢神经系统。中枢神经系统对所有感受器接收到的信号进行整合，并将这些化学信号转化为电信号，从而启动了昆虫的专一行为反应，如寻找食物、产生交配反应、搜寻产卵及生殖场所等。笔者对昆虫感受气味物质的分子机制进行了探讨。
1 触角嗅感器类型分布
昆虫的触角表面具有很多不同类型的感受器，感受器是表皮特化而形成的，是昆虫感受外界信息的最小功能单位（图1）。昆虫感受器按外部形状分为以下类型：①毛形感器（Sensillat richodea）；②椎形感器（Sensilla basiconica）；③刺形感器（Sensilla chaetica）；④腔锥形感器（Sensilla coeloconica）；⑤栓锥形感器（Sensilla styloconica）；⑥Bobhm 氏鬃毛（Bobhm bristles）；⑦鳞形感器（Sensilla squamiformia）；⑧耳形感器（Sensilla auricillica）；⑨钟形感器（Sensilla campaniformia）；⑩板形感器（Sensilla placodea）；B11瓶形感器（Sensilla ampullacea）；B12剑梢感器（Sensilla scolopadia）[1]。
2 昆虫嗅感器的内部构造
嗅觉感受器是壁孔感受器，即感受器的壁上具有微孔（Pore），是外界气味分子进入感觉器的通道[3]，单壁嗅感器的内腔在微孔附近常常有孔道微管（Pore tubules），来协助气味分子的运输[4]。
每个嗅感器由嗅觉神经元（Olfactory receptor neuron）、包围神经元的辅助细胞及最外层的表皮组成（图2）。神经元的细胞体为圆形，细胞核较大，细胞质内线粒体呈香肠形，含量丰富。神经元顶端逐渐变细形成“内树突节”（Inner dendritic segment），并与“外树突节”（Out dendritic segment）之间形成缢缩，外树突节深入嗅感器的椎体或盘体内，并在端部形成树突分支（Dendritic branch），外树突节上包含受体和离子通道，是神经元唯一能与气味分子接触的部分[5-6]。包围神经元的辅助细胞是鞘原细胞（Tormogen cell），形成了内感受淋巴腔和树突鞘，鞘细胞的外层是毛原细胞（Trichogen cell）形成了外感受淋巴腔，毛原细胞的微管发达。
3 气味结合蛋白
昆虫感受到的气味物质大多为脂溶性的小分子化合物，这些小分子物质通过触角上皮细胞间的孔道扩散到达触角感器淋巴液，而触角感器是亲水性的液体，外界亲脂性分子不能直接穿过这些亲水性的液体到达嗅觉神经树突末梢[8]。Vogt和Riddiford采用标记性外激素的方法证实了昆虫触角感器淋巴液中存在1种蛋白，它可溶解并运输脂溶性的性外激素穿过亲水性的淋巴液，并将这种蛋白命名为性外激素PBP（Pheromone binding protein，PBP）[9]。昆虫触角内的气味结合蛋白OBP（Odrant binding proteins）是水溶性酸性蛋白，多肽链全长约144个氨基酸，相对分子量较小，一般为15～17 kD，N2末端有一段20个氨基酸左右的信号肽，序列中有6个保守的半胱氨酸位点，具有相似的水溶性及次级结构[10]。当气味分子和嗅觉结合蛋白OBP结合后，被运送到嗅觉神经元树突膜上的跨膜受体蛋白上，气味分子与气味受体作用后，激发G-蛋白偶联级联反应。受调节的G蛋白激活与第二信使连锁的关键酶使腺苷酸环化酶催化5-腺苷三磷酸形成3，5-环化腺苷酸（c-AMP），也可使磷脂酶C（PLC）水解膜上的磷脂酰肌醇，释放1，4，5-三磷酸肌醇（IP3）和二酰甘油（DAG）。细胞内IP3和c-AMP浓度的升高激活了膜上的离子通道，产生感受器电位[11-12]。
迄今为止，关于气味结合蛋白的分子结构，在鳞翅目蛾类昆虫中已鉴定了10 种29个OBP。根据它们的氨基酸序列同源性，可分为3 类：第一类为PBP，主要存在于雄蛾触角中。研究发现，玉米穗虫（Helicoverpa zea）等3 种鳞翅目雌蛾触角中PBP的表达量也很高，与雄蛾触角中相当，它们与昆虫感受性外激素有关[13]。另外2类在雌雄蛾触角中有相同的表达，它们都属于GOBP，并分别称为GOBP1和GOBP2，其在昆虫感受普通气味物质过程中起作用[14]。在小地老虎的研究中，利用免疫细胞化学方法，克隆的AipsPBP1-3蛋白在雄蛾的毛状感受器的淋巴液中高表达，其中AipsPBP1与信息素Z7-12和Z9-14有很高的亲和力[15]。
4 气味降解酶
当气味分子刺激感受器神经膜受体后，一定存在某种机制降解剩余的气味分子，否则昆虫会因为连续刺激而死亡。这种酶起着双重作用，一方面主要分解性外激素中的醛类物质，另一方面还可能参与普通气味的分解作用，因为醛类化合物普遍存在于植物挥发物中，最后气味分子被特殊的酶（E）降解为失活状态。已经发现的几类在昆虫触角中高水平表达的酶类，即酯酶、氧化酶类和谷胱甘肽-S-转移酶。这种酯酶能够降解多声大蚕蛾性外激素中的乙酸酯组分，并且在雄蛾触角中特异性表达[16]。 5 气味受体
气味结合蛋白对气味分子初步过滤和识别外，昆虫对成千上万种结构各异的气味分子的识别主要依赖于气味受体介导的气味分子与嗅觉神经的专一性结合。经长期的研究发现，气味受体具有G-蛋白偶联受体的特征，有7个亲脂性跨膜区、1个糖基化位点和1个磷酸化位点（图3）。
刺激分子（S）通过嗅感器表面的孔（P）和孔道进入感器淋巴腔，气体分子与气味结合蛋白结合，被转移到嗅神经细胞树突膜上的受体分子上。高度特异性的受体被激活，引致胞内第二信使串联产生动作电位（放电信号），同时改变气味结合蛋白的性质（B′），使气味蛋白不再激活受体（R′）。
6 展望
行为是昆虫的感受器官接收刺激后通过神经系统的综合而使效应器官产生的反应。昆虫行为是一个复杂、神秘而有趣的问题，是一个值得深入研究的领域。化学联系是昆虫同种个体之间及与环境其他生物之间最普遍的联系，这种联系的范围和内容都是极其丰富的，起到信号作用的信息化学物质常常是挥发性的，由昆虫的嗅觉系统感受。昆虫生命中一些重要的行为（如寄主定位、寻找配偶、聚集及产卵等）常常需要挥发性化学信息物质的指引，这些信息化学物质和它们所引起的行为反应是昆虫对环境的一种适应，有利于其生存或生殖成功，所以昆虫的行为与嗅觉的关系尤为密切。昆虫的嗅觉系统的构造、生理功能以及参与化学识别的分子等，与脊椎动物有很多相似之处。因此，研究昆虫的嗅觉识别机理，对研究脊椎动物和其他对昆虫嗅觉识别机制的研究不仅可以提示生物体识别环境气味分子的基本原理，而且还具有重要的生态和经济意义。
参考文献
[1] 马瑞燕，杜家纬.昆虫的触角感器[J].昆虫知识，2000，37（3）：179-
182.
[2] 孙凡，胡基华，王广利，等.东北大黑鳃金龟嗅感器超微结构[J].昆虫学报，2007，50（7）：675-681.
[3] ALTNER H，PRILLINGER L.Ultrastructure of invertebrate chemo-，and hygroreceptors and its functional significance[J].Int Rev Cytol，1980，67：69-139.
[4] STEINBRECHT R A.Pore structures in insect olfactory sensilla：A review of data and concepts[J].Int J Insect Morphol Embryol，1997，26：229-245.
[5] KEIL T A，STEINBRECHT R A.Mechanosensitive and olfactory sensilla of insects[M]//KING R C，AKAI H.Insect ultrastructure，Vol.1.New York：Plenum，1994：402-433.
[6] KEIL T A，STEINBRECHT R A.Diffusion barries in silkmoth sensory epithelia：application of lanthanum tracer to olfactory sensilla of Antheraea polyphemus and Bombyx mori[J].Tissue Cell，1987，19：119-134.
[7] 雷宏，邱宇彤，CHRISTENSEN T A.昆虫嗅觉系统的结构与功能[M]//刘同先.昆虫学研究进展与展望.北京：科学出版社，2005：131-169.
[8] 孙凡.昆虫的嗅觉与行为[M].哈尔滨：东北林业大学出版社，2009：121-122.
[9] VOGT R G，RIDDIFORD L M.Pheromone binding and inactivation by moth antennae [J].Nature，1981，293：161-163.
[10] PENG G，LEAL W S.Identification and cloning of a pheromone-binding protein from the oriental beetle，Exomala orientalis[J].J Chem Ecol，2001，27（11）：2183-2192.
[11] RAMING K，KRIEGER J，STROTMANN J，et al.Cloning and expression of odorant receptors[J].Nature，1993，361（10）：353-356.
[12] KRIEGER J，BREER H.Transduction mechanisms of olfactory sensory neurons in insect pheromone biochemistry and molecular biology[M].London：Elsevier Academic Press，2003：593-607.
[13] CALLAHAN F E，VOGT R G，TUCKER M L，et al. High level expression of “male specific” pheromone binding proteins（PBPs）in the antennae of female noctuid moths [J].Insect Biochem Mol Biol，2000，30：507-514.
[14] VOGT R G，PRESTWICH G D，LERNER M R.Odorant binding protein subfamilies associate with distinct classes of olfactory receptor neurons in insects [J].J Neurobiol，1991，22：74-84.
[15] GU S H，ZHOU J J，WANG，G R，et al.Sex pheromone recognition and immunolocalization of three pheromone binding proteins in the black cutworm moth Agrotis ipsilon[J].Insect Biochemistry and Molecular Biology，2013，43（3）：237.
[16] 王桂荣，吴孔明，郭予元.昆虫感受气味物质的分子机制研究进展[J].农业生物技术学报，2004，12（6）：720-726.
[17] STENGL M，ZIEGELBERGER G，BOEKHOFF I，et al.Perireceptor events，transduction mechanisms in insect olfaction[M]//HANSSON B.Insect olfaction.Berlin：Springer-Verlag，1999：49-66.
关键词 嗅感器；气味结合蛋白；气味降解酶；气味受体
中图分类号 S185 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）35-12544-03
在长期的进化过程中，昆虫嗅觉系统已经成为一个高度专一、极其灵敏的化学监测器。昆虫依赖触角上的嗅觉感受器鉴定和识别环境中的化学气味分子，这些嗅感器可以敏感和特异地分辨出环境中对昆虫自身具有重要意义的气味，接收后传入中枢神经系统。中枢神经系统对所有感受器接收到的信号进行整合，并将这些化学信号转化为电信号，从而启动了昆虫的专一行为反应，如寻找食物、产生交配反应、搜寻产卵及生殖场所等。笔者对昆虫感受气味物质的分子机制进行了探讨。
1 触角嗅感器类型分布
昆虫的触角表面具有很多不同类型的感受器，感受器是表皮特化而形成的，是昆虫感受外界信息的最小功能单位（图1）。昆虫感受器按外部形状分为以下类型：①毛形感器（Sensillat richodea）；②椎形感器（Sensilla basiconica）；③刺形感器（Sensilla chaetica）；④腔锥形感器（Sensilla coeloconica）；⑤栓锥形感器（Sensilla styloconica）；⑥Bobhm 氏鬃毛（Bobhm bristles）；⑦鳞形感器（Sensilla squamiformia）；⑧耳形感器（Sensilla auricillica）；⑨钟形感器（Sensilla campaniformia）；⑩板形感器（Sensilla placodea）；B11瓶形感器（Sensilla ampullacea）；B12剑梢感器（Sensilla scolopadia）[1]。
2 昆虫嗅感器的内部构造
嗅觉感受器是壁孔感受器，即感受器的壁上具有微孔（Pore），是外界气味分子进入感觉器的通道[3]，单壁嗅感器的内腔在微孔附近常常有孔道微管（Pore tubules），来协助气味分子的运输[4]。
每个嗅感器由嗅觉神经元（Olfactory receptor neuron）、包围神经元的辅助细胞及最外层的表皮组成（图2）。神经元的细胞体为圆形，细胞核较大，细胞质内线粒体呈香肠形，含量丰富。神经元顶端逐渐变细形成“内树突节”（Inner dendritic segment），并与“外树突节”（Out dendritic segment）之间形成缢缩，外树突节深入嗅感器的椎体或盘体内，并在端部形成树突分支（Dendritic branch），外树突节上包含受体和离子通道，是神经元唯一能与气味分子接触的部分[5-6]。包围神经元的辅助细胞是鞘原细胞（Tormogen cell），形成了内感受淋巴腔和树突鞘，鞘细胞的外层是毛原细胞（Trichogen cell）形成了外感受淋巴腔，毛原细胞的微管发达。
3 气味结合蛋白
昆虫感受到的气味物质大多为脂溶性的小分子化合物，这些小分子物质通过触角上皮细胞间的孔道扩散到达触角感器淋巴液，而触角感器是亲水性的液体，外界亲脂性分子不能直接穿过这些亲水性的液体到达嗅觉神经树突末梢[8]。Vogt和Riddiford采用标记性外激素的方法证实了昆虫触角感器淋巴液中存在1种蛋白，它可溶解并运输脂溶性的性外激素穿过亲水性的淋巴液，并将这种蛋白命名为性外激素PBP（Pheromone binding protein，PBP）[9]。昆虫触角内的气味结合蛋白OBP（Odrant binding proteins）是水溶性酸性蛋白，多肽链全长约144个氨基酸，相对分子量较小，一般为15～17 kD，N2末端有一段20个氨基酸左右的信号肽，序列中有6个保守的半胱氨酸位点，具有相似的水溶性及次级结构[10]。当气味分子和嗅觉结合蛋白OBP结合后，被运送到嗅觉神经元树突膜上的跨膜受体蛋白上，气味分子与气味受体作用后，激发G-蛋白偶联级联反应。受调节的G蛋白激活与第二信使连锁的关键酶使腺苷酸环化酶催化5-腺苷三磷酸形成3，5-环化腺苷酸（c-AMP），也可使磷脂酶C（PLC）水解膜上的磷脂酰肌醇，释放1，4，5-三磷酸肌醇（IP3）和二酰甘油（DAG）。细胞内IP3和c-AMP浓度的升高激活了膜上的离子通道，产生感受器电位[11-12]。
迄今为止，关于气味结合蛋白的分子结构，在鳞翅目蛾类昆虫中已鉴定了10 种29个OBP。根据它们的氨基酸序列同源性，可分为3 类：第一类为PBP，主要存在于雄蛾触角中。研究发现，玉米穗虫（Helicoverpa zea）等3 种鳞翅目雌蛾触角中PBP的表达量也很高，与雄蛾触角中相当，它们与昆虫感受性外激素有关[13]。另外2类在雌雄蛾触角中有相同的表达，它们都属于GOBP，并分别称为GOBP1和GOBP2，其在昆虫感受普通气味物质过程中起作用[14]。在小地老虎的研究中，利用免疫细胞化学方法，克隆的AipsPBP1-3蛋白在雄蛾的毛状感受器的淋巴液中高表达，其中AipsPBP1与信息素Z7-12和Z9-14有很高的亲和力[15]。
4 气味降解酶
当气味分子刺激感受器神经膜受体后，一定存在某种机制降解剩余的气味分子，否则昆虫会因为连续刺激而死亡。这种酶起着双重作用，一方面主要分解性外激素中的醛类物质，另一方面还可能参与普通气味的分解作用，因为醛类化合物普遍存在于植物挥发物中，最后气味分子被特殊的酶（E）降解为失活状态。已经发现的几类在昆虫触角中高水平表达的酶类，即酯酶、氧化酶类和谷胱甘肽-S-转移酶。这种酯酶能够降解多声大蚕蛾性外激素中的乙酸酯组分，并且在雄蛾触角中特异性表达[16]。 5 气味受体
气味结合蛋白对气味分子初步过滤和识别外，昆虫对成千上万种结构各异的气味分子的识别主要依赖于气味受体介导的气味分子与嗅觉神经的专一性结合。经长期的研究发现，气味受体具有G-蛋白偶联受体的特征，有7个亲脂性跨膜区、1个糖基化位点和1个磷酸化位点（图3）。
刺激分子（S）通过嗅感器表面的孔（P）和孔道进入感器淋巴腔，气体分子与气味结合蛋白结合，被转移到嗅神经细胞树突膜上的受体分子上。高度特异性的受体被激活，引致胞内第二信使串联产生动作电位（放电信号），同时改变气味结合蛋白的性质（B′），使气味蛋白不再激活受体（R′）。
6 展望
行为是昆虫的感受器官接收刺激后通过神经系统的综合而使效应器官产生的反应。昆虫行为是一个复杂、神秘而有趣的问题，是一个值得深入研究的领域。化学联系是昆虫同种个体之间及与环境其他生物之间最普遍的联系，这种联系的范围和内容都是极其丰富的，起到信号作用的信息化学物质常常是挥发性的，由昆虫的嗅觉系统感受。昆虫生命中一些重要的行为（如寄主定位、寻找配偶、聚集及产卵等）常常需要挥发性化学信息物质的指引，这些信息化学物质和它们所引起的行为反应是昆虫对环境的一种适应，有利于其生存或生殖成功，所以昆虫的行为与嗅觉的关系尤为密切。昆虫的嗅觉系统的构造、生理功能以及参与化学识别的分子等，与脊椎动物有很多相似之处。因此，研究昆虫的嗅觉识别机理，对研究脊椎动物和其他对昆虫嗅觉识别机制的研究不仅可以提示生物体识别环境气味分子的基本原理，而且还具有重要的生态和经济意义。
参考文献
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[11] RAMING K，KRIEGER J，STROTMANN J，et al.Cloning and expression of odorant receptors[J].Nature，1993，361（10）：353-356.
[12] KRIEGER J，BREER H.Transduction mechanisms of olfactory sensory neurons in insect pheromone biochemistry and molecular biology[M].London：Elsevier Academic Press，2003：593-607.
[13] CALLAHAN F E，VOGT R G，TUCKER M L，et al. High level expression of “male specific” pheromone binding proteins（PBPs）in the antennae of female noctuid moths [J].Insect Biochem Mol Biol，2000，30：507-514.
[14] VOGT R G，PRESTWICH G D，LERNER M R.Odorant binding protein subfamilies associate with distinct classes of olfactory receptor neurons in insects [J].J Neurobiol，1991，22：74-84.
[15] GU S H，ZHOU J J，WANG，G R，et al.Sex pheromone recognition and immunolocalization of three pheromone binding proteins in the black cutworm moth Agrotis ipsilon[J].Insect Biochemistry and Molecular Biology，2013，43（3）：237.
[16] 王桂荣，吴孔明，郭予元.昆虫感受气味物质的分子机制研究进展[J].农业生物技术学报，2004，12（6）：720-726.
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