曹 松, 劉 楊, 王桂榮

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所, 植物病蟲(chóng)害生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100193)

雄蛾通過(guò)識(shí)別同種雌蛾釋放的特異的性信息素來(lái)尋找合適的配偶，并完成后代繁衍。蛾類的性信息素一般是由雌蛾(僅少數(shù)雄蛾)特定的腺體合成并釋放到體外的一類揮發(fā)性的化合物，常為不同比例的多種化合物構(gòu)成的混合物(Byer, 2006)，這類混合物能引起同種雄蛾特定的行為或生理反應(yīng)(Karlson and Butenandt, 1959; Karlson and Lüscher, 1959; Roelofs and Cardé, 1977)，同時(shí)對(duì)種間生殖隔離的形成具有重要作用(Grootetal., 2006; Mingetal., 2007; Baker, 2008; Smadja and Butlin, 2009)。1959年，科學(xué)家從家蠶Bombyxmori中鑒定了蛾類的第一種性信息素成分——蠶蛾醇(Butenandtetal., 1959)。在過(guò)去60年中，超過(guò)1 600種蛾類的性信息素成分得到鑒定(Grootetal., 2016)。根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)，蛾類的性信息素可分為4種類型：Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ及0型。Ⅰ型性信息素通常是由10～18個(gè)碳原子構(gòu)成的包含0～3個(gè)不飽和雙鍵的酯類、醇類或醛類化合物(Millar, 2000; Andoetal., 2004; F?stedtetal., 2016)，如家蠶的性信息素成分蠶蛾醇E10,Z12-16∶OH(Butenandtetal., 1959)。這類化合物約占蛾類性信息素的75%。典型的Ⅱ類性信息素是由17～25個(gè)碳原子構(gòu)成的長(zhǎng)鏈不飽和碳?xì)浠衔锘颦h(huán)氧衍生物，常包含1～3個(gè)不飽和雙鍵和0～2個(gè)環(huán)氧基(Millar, 2000; Andoetal., 2004; Grantetal., 2012; F?stedtetal., 2016)，如冬尺蠖蛾Operophterabrumata的性信息素成分1, 3Z, 6Z, 9Z-19∶Hy(Roelofsetal., 1982)。Ⅱ類性信息素約占蛾類性信息素的15%。Ⅲ類性信息素的結(jié)構(gòu)與Ⅰ和Ⅱ類性信息素不同，典型的Ⅲ類性信息素通常包含1或2個(gè)甲基側(cè)鏈分支，并且甲基支鏈被奇數(shù)個(gè)碳原子隔開(kāi)(F?stedtetal., 2016)，如舞毒蛾Lymantriadispar的性信息素成分(7R, 8S)-7,8環(huán)氧-2-甲基十八烷(Bierletal., 1970)。0型性信息素主要是一類由7～9個(gè)碳原子構(gòu)成的短鏈醇類或酮類化合物，這類化合物結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，更類似于植物揮發(fā)物(F?stedtetal., 2016)，例如高山毛頂蛾Eriocraniasemipurpurella的性信息素成分(S,Z)-6-nonen-2-ol(Kozlovetal., 1996)。目前這類化合物僅在鱗翅目古老的單孔亞目(Monotrysia)及毛翅目(Trichoptera)中有報(bào)道，因此也常被看作是蛾類性信息素的起源。

雄蛾主要通過(guò)觸角上靈敏的嗅覺(jué)系統(tǒng)來(lái)識(shí)別性信息素(Vogt and Riddiford, 1981)。昆蟲(chóng)觸角上分布著不同類型的嗅覺(jué)感器，通常情況下，每根感器下包含1～4個(gè)不等數(shù)量的嗅覺(jué)受體神經(jīng)元(olfactory receptor neuron, ORN)，性信息素受體(pheromone receptor, PR)表達(dá)在毛形感器內(nèi)ORN的樹(shù)突膜上。蛾類性信息素識(shí)別是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要多種蛋白和神經(jīng)元細(xì)胞參與。首先，性信息素分子通過(guò)毛形感器表面的孔洞進(jìn)入感器內(nèi)部，脂溶性的性信息素分子被性信息素結(jié)合蛋白(pheromone binding protein, PBP)捕獲結(jié)合，并運(yùn)輸至PR，PR被激活后打開(kāi)離子通道，將化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，電信號(hào)被OSN的軸突傳遞到觸角葉內(nèi)的嗅小球，信號(hào)在觸角葉中完成加工，而后被投射神經(jīng)元(projection neuron, PN)傳遞到更高級(jí)的腦中樞。信號(hào)經(jīng)過(guò)高級(jí)腦中樞的整合、處理，指導(dǎo)雄蛾對(duì)性信息素做出電生理或行為反應(yīng)。在外周嗅覺(jué)分子水平上，除了PR(Sakuraietal., 2015; Changetal., 2017)和PBP(Gro?e-Wildeetal., 2006; Allen and Wanner, 2011; Zhu Getal., 2016)以外，感受神經(jīng)元膜蛋白(sensory neuron membrane protein, SNMP)(Pregitzeretal., 2014; Blankenburgetal., 2019)和性信息素降解酶(pheromone-degrading enzyme, PDE)(Rybczynskietal., 1989; Ishida and Leal, 2005; Durandetal., 2011; Chooetal., 2013)等多種蛋白也參與了蛾類性信息素的識(shí)別過(guò)程。另外，有研究發(fā)現(xiàn)果蠅Drosophila的離子型受體(ionotropic receptor, IR)也參與了性信息素的識(shí)別過(guò)程(Kohetal., 2014; Heetal., 2019)，但是蛾類IR是否直接參與性信息素的識(shí)別還未見(jiàn)報(bào)道。

盡管多種嗅覺(jué)相關(guān)蛋白參與了蛾類性信息素的識(shí)別過(guò)程，但是PR作為與性信息素直接結(jié)合并產(chǎn)生信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的蛋白，決定了ORN對(duì)配體的選擇性和特異性。本文綜述蛾類PR的鑒定、結(jié)構(gòu)特征、表達(dá)模式、功能研究以及進(jìn)化等方面的研究進(jìn)展，以期為蛾類PR的功能和進(jìn)化研究提供參考，同時(shí)為開(kāi)發(fā)蛾類害蟲(chóng)基于性信息素受體的綠色防控措施提供理論依據(jù)。

1 蛾類昆蟲(chóng)性信息素受體的鑒定及結(jié)構(gòu)特征

1991年，科學(xué)家從脊椎動(dòng)物褐家鼠Ratfmnorvegicus的嗅覺(jué)上皮細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)第一個(gè)氣味受體(odorant receptor, OR)基因(Buck and Axel, 1991)，它屬于G蛋白偶聯(lián)受體(G protein-coupled receptor, GPCR)超家族成員。1999年，通過(guò)全基因組測(cè)序的方法，研究人員在果蠅中首次鑒定到昆蟲(chóng)的OR基因(Clyneetal., 1999; Gao and Chess, 1999; Vosshalletal., 1999)，為昆蟲(chóng)OR的鑒定和研究提供了理論基礎(chǔ)。昆蟲(chóng)的OR一般由350～450個(gè)氨基酸編碼，是一類七次跨膜蛋白(seven-transmembrane domain protein)，但它并不屬于GPCR家族成員，因?yàn)樗鼈兙哂信cGPCR相反的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，昆蟲(chóng)OR的N端在胞內(nèi)而C端在胞外(Bentonetal., 2006; Lundinetal., 2007)。此外，昆蟲(chóng)特異的OR需要和一個(gè)種間高度保守且廣泛表達(dá)的氣味受體共受體(odorant receptor coreceptor, Orco)(Larssonetal., 2004; Jonesetal., 2005; Neuhausetal., 2005)形成異源OR-Orco多聚復(fù)合體來(lái)行使功能(Neuhausetal., 2005; Satoetal., 2008; Wicheretal., 2008)，特異的OR決定復(fù)合體的功能。蛾類PR屬于昆蟲(chóng)OR基因家族，與昆蟲(chóng)其他OR具有相同的結(jié)構(gòu)特征。

蛾類的PR基因最先在煙芽夜蛾Heliothisvirescens(Kriegeretal., 2002, 2004)和家蠶(Sakuraietal., 2004; Kriegeretal., 2005)中通過(guò)觸角cDNA文庫(kù)分析和基因組分析的方法被鑒定。在隨后幾年內(nèi)，研究人員通過(guò)同源克隆的方法成功地在多種蛾類，包括粘蟲(chóng)Mythimnaseparata、小菜蛾P(guān)lutellaxylostella和瓜絹螟Diaphaniaindica(Mitsunoetal., 2008)、多音天蠶Antheraeapolyphemus和柞蠶A.pernyi(Forstneretal., 2009)以及蘋淡褐卷蛾Epiphyaspostvittana(Jordanetal., 2009)、稈野螟屬Ostrinia幾種蛾類(Miuraetal., 2009, 2010; Wanneretal., 2010)、棉鈴蟲(chóng)Helicoverpaarmigera、煙青蟲(chóng)H.assulta(Zhangetal., 2010)和臍橙螟Amyeloistransitella(Xuetal., 2012)等蛾類中鑒定到PR基因，這表明蛾類PR基因具有序列高度保守性。此外，系統(tǒng)發(fā)育分析結(jié)果表明這些典型的PR基因都聚集在進(jìn)化樹(shù)的同一分支，形成了蛾類PR的特定分支。這也是鑒定蛾類PR基因的一個(gè)重要依據(jù)。

近年來(lái)，隨著測(cè)序技術(shù)和生物信息工具的發(fā)展和應(yīng)用，目前已有65種蛾類昆蟲(chóng)的PR基因得到了鑒定(表1)。

表1 已報(bào)道的65種蛾類的PR基因

2 蛾類昆蟲(chóng)性信息素受體基因的表達(dá)模式

通過(guò)研究PR基因的表達(dá)模式，如表達(dá)時(shí)間、表達(dá)位置，在感器中的定位等信息，我們可以推測(cè)PR的功能，為該受體的功能研究提供理論基礎(chǔ)。研究人員一般通過(guò)RT-PCR或qRT-PCR對(duì)目標(biāo)PR基因進(jìn)行表達(dá)模式研究。由于性信息素是主要由雌蛾釋放用于吸引同種雄蛾的化合物，而雄蛾依靠其觸角上的嗅覺(jué)系統(tǒng)來(lái)識(shí)別性信息素，因此在大多數(shù)情況下，PR基因在雄蛾觸角中特異或偏好表達(dá)(Sakuraietal., 2004; Kriegeretal., 2005; Nakagawaetal., 2005; Wanneretal., 2007)。但是，也存在一些特殊情況。例如，煙芽夜蛾的HvirOR6和家蠶的BmorOR9等在雌雄成蟲(chóng)觸角中的表達(dá)量無(wú)明顯差異(Kriegeretal., 2004; Wanneretal., 2007)，而且煙芽夜蛾雌蛾觸角對(duì)HvirOR6的配體Z9-14∶Ald有電生理反應(yīng)(Zielonkaetal., 2018)。還有些PR基因在雌成蟲(chóng)觸角中的表達(dá)量更高，例如紅醋栗穿孔蛾Lamproniacapitella的LcapOR3(Yuvarajetal., 2018b)、煙草天蛾Manducasexta的MsexOR15(Koenigetal., 2015)、蘋果蠹蛾Cydiapomonella的CpomOR21和CpomOR22(Walkeretal., 2016)、小菜蛾P(guān)xylOR8(Liu Yetal., 2018)等。這些在雌成蟲(chóng)觸角中高表達(dá)的PR基因可能參與了雌成蟲(chóng)間的種內(nèi)識(shí)別、種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)等特殊行為，避免處于高交配競(jìng)爭(zhēng)或產(chǎn)卵不適宜的環(huán)境，通過(guò)減少生態(tài)資源競(jìng)爭(zhēng)來(lái)提高自身交配率及后代的生存率(Holdcraftetal., 2016)。此外，PR基因也在成蟲(chóng)非觸角組織中表達(dá)，這種特殊的表達(dá)模式暗示PR基因可能具有其他功能。例如，在煙芽夜蛾中識(shí)別主要性信息素成分的HvirOR13和識(shí)別次要性信息素成分的HvirOR6在成蟲(chóng)腹部及雌成蟲(chóng)產(chǎn)卵器中表達(dá)(Kriegeretal., 2004; Widmayeretal., 2009; Vogeletal., 2010)，表明其可能參與了成蟲(chóng)交配時(shí)對(duì)性信息素的識(shí)別，而雌成蟲(chóng)可能通過(guò)識(shí)別自身釋放的性信息素來(lái)反饋調(diào)節(jié)性信息素的釋放量(Widmayeretal., 2009)。

除了在成蟲(chóng)組織中表達(dá)以外，有研究表明PR基因也在幼蟲(chóng)和蛹中表達(dá)。例如，家蠶BmorOR1在雄成蟲(chóng)羽化前4 d的蛹期開(kāi)始表達(dá)，隨后表達(dá)量逐漸增加(Sakuraietal., 2004)，煙芽夜蛾所有PR基因在雄成蟲(chóng)羽化前1 d均有表達(dá)，部分基因在羽化前5 d就開(kāi)始表達(dá)(Kriegeretal., 2009)。煙芽夜蛾HvirOR6和HvirOR13在1齡幼蟲(chóng)的頭部及5齡幼蟲(chóng)頭部和觸角中均有表達(dá)，而且幼蟲(chóng)觸角感器對(duì)性信息素成分有電生理反應(yīng)(Zielonkaetal., 2016)。在之前的報(bào)道中，研究人員就發(fā)現(xiàn)?；页嵋苟闟podopteralittoralis、甜菜夜蛾S.exigua以及小菜蛾幼蟲(chóng)均能識(shí)別雌蛾釋放的性信息素而且性信息素還能增加幼蟲(chóng)對(duì)食物的趨性行為(Poivetetal., 2012; Jinetal., 2015; Zhu Jetal., 2016)，這表明性信息素可以作為幼蟲(chóng)尋找食物資源的一個(gè)重要化學(xué)線索。但是，研究人員并未在海灰翅夜蛾幼蟲(chóng)觸角中發(fā)現(xiàn)PR基因的表達(dá)(Poivetetal., 2012, 2013)，而甜菜夜蛾和小菜蛾幼蟲(chóng)的觸角中是否表達(dá)PR基因目前還未見(jiàn)報(bào)道。

PR基因表達(dá)在觸角長(zhǎng)毛形感器內(nèi)的ORN中，在通常情況下每根感器下包含2個(gè)不同的ORNs。通過(guò)原位雜交技術(shù)，研究人員可以確定表達(dá)在同一根長(zhǎng)毛形感器中的PR基因。例如，研究發(fā)現(xiàn)家蠶BmorOR1和BmorOR3在鄰近的ORNs中表達(dá)(Kriegeretal., 2005)，煙芽夜蛾HvirOR11和HvirOR13在鄰近的ORNs中表達(dá)(Kriegeretal., 2009)。

3 蛾類昆蟲(chóng)性信息素受體的功能研究

3.1 性信息素受體功能的研究方法

2004年，研究人員借助爪蟾卵母細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)完成了第一個(gè)蛾類PR即家蠶BmorOR1的功能研究(Sakuraietal., 2004)。由于爪蟾卵母細(xì)胞具有個(gè)體大、周期短、操作簡(jiǎn)單、結(jié)果穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，使它成為PR功能研究最常用的異源表達(dá)系統(tǒng)(表2)。當(dāng)然，研究人員也通過(guò)其他異源表達(dá)系統(tǒng)研究蛾類PR的功能，主要包括HEK293(human embryonic kidney 293)細(xì)胞系(Yuvarajetal., 2018b)、CHO(Chinese hamster ovary)細(xì)胞系(Wicheretal., 2017)、果蠅“空神經(jīng)元”系統(tǒng)(Montagnéetal., 2012)、轉(zhuǎn)基因家蠶系統(tǒng)(Sakuraietal., 2011)、家蠶巨型囊泡(giant vesicles)系統(tǒng)(Hamadaetal., 2014)和草地貪夜蛾S.frugiperdaSf9細(xì)胞系(Xuetal., 2014)等(表2)。這些異源表達(dá)系統(tǒng)都成功地用于蛾類PR的功能研究，而且通常情況下，通過(guò)不同的表達(dá)系統(tǒng)得到的結(jié)果是一致的(表2)，說(shuō)明了這些異源表達(dá)系統(tǒng)用于蛾類PR的功能研究是可行的。

表2 已完成功能研究的性信息素受體的配體及研究方法

然而，在某些情況下，使用不同的表達(dá)系統(tǒng)鑒定的PR功能存在明顯的差異。例如，蘋果褐卷蛾Epiphyaspostvittana的EposOR1屬于PR分支，當(dāng)它在Sf9細(xì)胞系中表達(dá)時(shí)不能被性信息素成分激活，而對(duì)幾種植物揮發(fā)物有電生理反應(yīng)(Jordanetal., 2009)。當(dāng)EposOR1在HEK293細(xì)胞系和爪蟾卵母細(xì)胞中表達(dá)時(shí)，卻表現(xiàn)出了完全相反的功能，它能被性信息素成分激活但對(duì)前面報(bào)道的植物揮發(fā)物沒(méi)有反應(yīng)(Corcoran, 2011)。同樣地，蘋果蠹蛾的CpomOR3在轉(zhuǎn)基因果蠅和HEK293細(xì)胞中表達(dá)時(shí)僅對(duì)植物揮發(fā)物梨酯有電生理反應(yīng)(Bengtssonetal., 2014; Cattaneoetal., 2017)，對(duì)性信息素成分沒(méi)有反應(yīng)，但當(dāng)它在爪蟾卵母細(xì)胞中表達(dá)時(shí)，不僅能被梨酯激活，也能被性信息素所激活(Wanetal., 2019)。煙青蟲(chóng)HassOR13在果蠅“空神經(jīng)元”表達(dá)系統(tǒng)和煙青蟲(chóng)觸角ORN中的結(jié)合譜比爪蟾卵母細(xì)胞中的結(jié)合譜更窄，表現(xiàn)出更強(qiáng)的特異性(Wangetal., 2016)。Hou等(2019)和Yuvaraj等(2017)使用HEK293細(xì)胞系和爪蟾卵母細(xì)胞兩種表達(dá)系統(tǒng)研究了高山毛頂蛾P(guān)R的功能并系統(tǒng)地比較了兩種表達(dá)系統(tǒng)鑒定PR的功能差異，結(jié)果表明，在不同的表達(dá)系統(tǒng)中，EsemOR3和EsemOR5的選擇特異性和結(jié)合特異性均存在差異；此外，EsemOR4在HEK293表達(dá)系統(tǒng)中對(duì)測(cè)試的性信息素成分均無(wú)電生理反應(yīng)，而在爪蟾卵母細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)中特異地對(duì)主要性信息素成分有反應(yīng)(Yuvarajetal., 2017; Houetal., 2019)。這種同一個(gè)PR在不同的異源表達(dá)系統(tǒng)中表現(xiàn)出明顯的功能差異，可能與不同異源表達(dá)系統(tǒng)固有的因素有關(guān)，也可能與不同的表達(dá)系統(tǒng)中氣味的刺激方式差異相關(guān)。另外，與昆蟲(chóng)體內(nèi)環(huán)境相比，由于異源表達(dá)系統(tǒng)存在一些固有的缺陷同樣會(huì)限制我們對(duì)PR功能的評(píng)估，例如，鑒定PR功能時(shí)所用的氣味濃度和昆蟲(chóng)在自然環(huán)境中所接觸的氣味濃度是否相符，篩選PR配體時(shí)所使用的氣味種類和數(shù)量，異源表達(dá)系統(tǒng)中缺少性信息素識(shí)別過(guò)程中的重要蛋白，如PBP，SNMP和ODE等。因此，當(dāng)我們鑒定PR功能時(shí)，不能簡(jiǎn)單地根據(jù)體外篩選得到的配體來(lái)定義其體內(nèi)功能，還需要借助體內(nèi)功能研究方法，對(duì)其功能進(jìn)行進(jìn)一步確定。

目前，研究蛾類PR功能的體內(nèi)研究方法主要包括RNA干擾(RNA interference, RNAi)技術(shù)(Linetal., 2015; Zhang QHetal., 2017)，TALENs(transcription activator-like effector nucleases)基因編輯技術(shù)(Sakuraietal., 2015)以及CRISPR/Cas9(clustered regularly interspaced short palindromic repeats associated nuclease Cas9)基因編輯技術(shù)(Changetal., 2017)等。由于蛾類昆蟲(chóng)基因的RNAi效果差，不同基因干擾效率差異大(Tereniusetal., 2011)，所以目前使用RNAi技術(shù)研究蛾類PR功能的報(bào)道較少，而CRISPR/Cas9作為一種新興基因編輯技術(shù)，憑借其效率高、價(jià)格低、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在今后PR功能研究中必將占據(jù)重要地位。但是，我們也應(yīng)該注意到，如果單獨(dú)運(yùn)用基因敲除技術(shù)研究PR的功能會(huì)存在一定的盲目性。例如，當(dāng)一個(gè)PR突變體的交配率下降時(shí)，并不能清楚地解釋這個(gè)PR是如何導(dǎo)致交配率下降的。盡管可以通過(guò)電生理技術(shù)比較突變體和野生型對(duì)性信息素的反應(yīng)差異，但仍難以解釋這些差異是由這個(gè)PR直接還是間接導(dǎo)致的。有研究發(fā)現(xiàn)，位于同一根感器下的神經(jīng)元之間存在側(cè)向抑制現(xiàn)象并能影響昆蟲(chóng)嗅覺(jué)行為(Suetal., 2012; Zhang Yetal., 2019)，所以，一個(gè)神經(jīng)元上的受體被敲除時(shí)，很可能影響鄰近神經(jīng)元的功能。此外，由于受體和配體之間是組合編碼的(Careyetal., 2010; de Fouchieretal., 2017)，受體之間還可能存在功能補(bǔ)償作用。因此，為了更全面地研究和理解PR的功能，需要將體外的功能鑒定方法和體內(nèi)的研究方法充分地結(jié)合起來(lái)。一般情況下，體外功能研究方法周期較短，操作相對(duì)簡(jiǎn)單，所以我們可以先通過(guò)體外異源表達(dá)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)PR的配體進(jìn)行大范圍地篩選，明確其候選配體，推測(cè)其在昆蟲(chóng)體內(nèi)的功能。然后在昆蟲(chóng)體內(nèi)將目標(biāo)PR基因進(jìn)行敲除，并針對(duì)其配體設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證該P(yáng)R的體內(nèi)功能。例如，Liu Y等(2013)通過(guò)爪蟾卵母細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)確定了棉鈴蟲(chóng)HarmOR16是一種性信息素拮抗劑Z11-16∶OH的受體，但是并不清楚它分布在哪種類型的長(zhǎng)毛形感器及其生態(tài)學(xué)作用。隨后，Chang等(2017)通過(guò)CRISPR/Cas9技術(shù)將HarmOR16在棉鈴蟲(chóng)中進(jìn)行敲除，并借助電生理及行為學(xué)實(shí)驗(yàn)，明確了該受體與棉鈴蟲(chóng)選擇最優(yōu)的交配時(shí)間有關(guān)。

3.2 蛾類典型性信息素受體的功能研究

通常情況下，蛾類典型的PR基因比較保守，在進(jìn)化樹(shù)中聚集于同一分支，這也是蛾類典型PR基因鑒定的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。表2總結(jié)了截至2019年12月，已經(jīng)研究功能的蛾類PR的配體及研究方法等信息。

根據(jù)目前已研究功能的典型PR對(duì)性信息素的結(jié)合特異性，將其分為以下幾類：(1)結(jié)合譜特異的PR。這類PR通常是主要性信息素的受體。例如，家蠶主要性信息素成分E10,Z12-16∶OH的受體BmorOR1(Sakuraietal., 2004)，紅醋栗穿孔蛾主要性信息素成分Z9,Z11-14∶OH的受體LcapOR8(Yuvarajetal., 2018b)等(表2)。特異的結(jié)合譜有助于更準(zhǔn)確地識(shí)別同種雌蛾釋放的性信息素而不受其他成分的干擾。(2)結(jié)合譜寬的PR。除了結(jié)合譜特異的PR以外，大多數(shù)PR都能被多種結(jié)構(gòu)類似的性信息素成分或類似物所激活，具有較寬的配體結(jié)合譜。例如，黃地老虎Agrotissegetum所有的PR(Zhang and L?fstedt, 2013)，豆稈野螟Ostriniascapulalis除了未鑒定到配體的OscaOR6-8(Miuraetal., 2009, 2010)等，均能被至少兩種性信息素或類似物所激活。這類PR基因可能是對(duì)性信息素改變的一種預(yù)適應(yīng)，即使性信息素成分發(fā)生了輕微的變化，雄成蟲(chóng)同樣能追蹤到雌成蟲(chóng)(Fleischer and Krieger, 2018)。(3)未鑒定到配體的PR。除了上面兩類PR以外，還有一些PR不能被測(cè)試的化合物所激活，這類PR很常見(jiàn)，在目前已鑒定PR功能的蛾類中普遍存在(表2)。不過(guò)，雖然目前未鑒定到這類PR對(duì)應(yīng)的配體，但是并不能說(shuō)明它們完全沒(méi)有作用。Zhang等發(fā)現(xiàn)冬尺蠖蛾ObruOR1能被II類性信息素成分1,3Z,6Z,9Z-19∶Hy所激活，而其在黃地老虎中的同源基因AsegOR3同樣能被這類化合物所激活(Zhang DDetal., 2016)。系統(tǒng)發(fā)育分析結(jié)果表明，ObruOR1和AsegOR3與煙芽夜蛾HvirOR11，棉鈴蟲(chóng)HarmOR11，煙青蟲(chóng)HassOR11以及甜菜夜蛾SexiOR11聚集在進(jìn)化樹(shù)的同一分支，而這些OR11在功能研究中均未鑒定到對(duì)應(yīng)的配體，這說(shuō)明這些OR11很可能同樣識(shí)別這一類化合物。但是這些化合物的來(lái)源及其對(duì)夜蛾科昆蟲(chóng)的生態(tài)學(xué)意義還需進(jìn)一步研究。另外，Cattaneo等(2017)借助HEK293細(xì)胞系及果蠅空神經(jīng)元表達(dá)系統(tǒng)研究蘋果蠹蛾CpomOR1的功能，發(fā)現(xiàn)CpomOR1在兩種表達(dá)系統(tǒng)中均不能被測(cè)試的化合物激活。但是，Garczynski等(2017)使用CRISPR/Cas9技術(shù)將該受體進(jìn)行基因敲除，發(fā)現(xiàn)突變體雌蟲(chóng)產(chǎn)卵量及卵孵化率均顯著下降，盡管尚不清楚CpomOR1的作用機(jī)理。

3.3 蛾類其他性信息素受體的功能研究

盡管科研人員已經(jīng)在蛾類昆蟲(chóng)中鑒定了大量的典型PR，并且對(duì)其中一部分的功能進(jìn)行了深入地研究，但是仍然存在一些問(wèn)題沒(méi)有解決。例如，在幾個(gè)已進(jìn)行OR鑒定和分析的物種中未鑒定到典型的PR基因，如黃野螟Heortiavitessoides(Chengetal., 2019)及松毛蟲(chóng)屬Dendrolimus的3種松毛蟲(chóng)(Zhang SFetal., 2014, 2017a, 2017b)。此外，在多個(gè)已完成典型PR功能研究的物種中，未找到其主要性信息素成分的受體，如斜紋夜蛾Spodopteralitura(Zhangetal., 2015b)與海灰翅夜蛾(Montagnéetal., 2012; de Fouchieretal., 2015)的主要性信息素成分Z9,E11-14∶Ac的受體，蘋果蠹蛾主要性信息素成分E8,E10-12∶OH的受體(Bengtssonetal., 2014; Cattaneoetal., 2017; Garczynsketal., 2017; Wanetal., 2019)以及蘋果褐卷蛾主要性信息素成分E11-14∶Ac(Jordanetal., 2009; Corcoran, 2011)的受體等。這些問(wèn)題都暗示了蛾類昆蟲(chóng)可能還存在其他的PR基因。

近些年，研究人員在幾種蛾類昆蟲(chóng)中發(fā)現(xiàn)一些位于典型PR分支以外的PR基因，這些PR同樣起著識(shí)別性信息素的作用。Bastin-Héline等(2019)通過(guò)表達(dá)量及功能篩選，找到了海灰翅夜蛾一個(gè)獨(dú)立于傳統(tǒng)PR分支的候選PR基因，通過(guò)基因敲除并借助行為、電生理等研究證明了SlitOR5為其主要性信息素的受體。Li等同樣通過(guò)OR基因的表達(dá)量，找到一簇在灰茶尺蠖Ectropisgrisescens雄蛾觸角中高表達(dá)的OR基因，但是這個(gè)OR基因并不在傳統(tǒng)的PR分支中，通過(guò)體外功能研究，發(fā)現(xiàn)這個(gè)分支中的一個(gè)OR能特異地識(shí)別其主要性信息素成分(Li ZJetal., 2017)。Yuvaraj等(2017)通過(guò)觸角轉(zhuǎn)錄組鑒定了一種單孔亞目蛾類高山毛頂蛾的OR基因，通過(guò)功能研究找到3個(gè)識(shí)別其性信息素的PR基因，這3個(gè)PR基因構(gòu)成了一個(gè)獨(dú)立的PR分支(圖1)。

圖1 蛾類氣味受體的進(jìn)化分析

目前人們對(duì)于蛾類非典型PR的研究報(bào)道較少，主要集中在上述?；页嵋苟甑?個(gè)物種中。但是隨著更多蛾類的PR基因得到鑒定和功能得到研究，我們對(duì)蛾類PR的認(rèn)識(shí)也必將更加全面，更加深入。

4 蛾類昆蟲(chóng)性信息素受體的進(jìn)化

雌蛾釋放的性信息素作為種內(nèi)異性交流的主要方式，也使種間產(chǎn)生了生殖隔離。通常情況下，不同種雌蛾釋放的性信息素成分存在很大差異。為了能在復(fù)雜的環(huán)境中找到合適的配偶，雄蛾必須進(jìn)化出一套與其高度特異的信息素相對(duì)應(yīng)的PR基因。為了研究不同種蛾類PR的進(jìn)化關(guān)系，我們使用RAxML v8(Stamatakis, 2014)的JTT氨基酸替換模型構(gòu)建進(jìn)化樹(shù)。進(jìn)行1 000次bootstrap統(tǒng)計(jì)學(xué)檢測(cè)，選取7種蛾類的OR基因及冬尺蠖蛾的ObruOR1和ObruOrco進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析(圖1)。這7種蛾類包括高山毛頂蛾、紅醋栗穿孔蛾、家蠶、?；页嵋苟辍ⅠR尾松毛蟲(chóng)Dendrolimuspunctatus、灰茶尺蠖以及桃小食心蟲(chóng)Carposinasasakii。這些蛾類物種均具有獨(dú)特的特征：高山毛頂蛾的性信息素為0型性信息素，紅醋栗穿孔蛾是性信息素為I型的單孔亞目蛾類，家蠶為蛾類昆蟲(chóng)的模式昆蟲(chóng)，?；页嵋苟曛邪l(fā)現(xiàn)了新的PR基因分支，馬尾松毛蟲(chóng)不包含傳統(tǒng)的PR基因，灰茶尺蠖的性信息素為Ⅱ型性信息素，并已鑒定到獨(dú)立于傳統(tǒng)PR分支的PR基因，桃小食心蟲(chóng)的性信息素類型屬于其他類型，冬尺蠖蛾的性信息素為Ⅱ型性信息素，并已鑒定到位于傳統(tǒng)PR分支上的PR基因。

從進(jìn)化樹(shù)我們可以發(fā)現(xiàn)，盡管這些蛾類的親緣關(guān)系較遠(yuǎn)，但是它們的Orco基因仍聚在進(jìn)化樹(shù)的同一分支，具有高度保守性。相對(duì)來(lái)說(shuō)，不同蛾類PR基因的進(jìn)化關(guān)系較遠(yuǎn)。根據(jù)目前已鑒定功能的PR基因的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，我們發(fā)現(xiàn)除了傳統(tǒng)的PR分支以外，還包含3個(gè)PR分支，高山毛頂蛾的3個(gè)PR基因構(gòu)成了一個(gè)感受0型性信息素成分的PR分支，?；页嵋苟曛行掳l(fā)現(xiàn)的一個(gè)識(shí)別其主要性信息素成分的PR基因構(gòu)成了一個(gè)新的PR分支以及灰茶尺蠖識(shí)別其主要性信息素的PR基因形成的一個(gè)分支(圖1)。

值得注意的是，在傳統(tǒng)的PR分支中，既包括識(shí)別I型性信息素的PR又包括識(shí)別Ⅱ型性信息素的PR，同時(shí)還包括一個(gè)識(shí)別重要植物源氣味β-caryophyllene的OR(EsemOR1)。另外，性信息素為其他類型的桃小食心蟲(chóng)的4個(gè)候選PR也分布在此分支中，盡管目前它們的功能還沒(méi)有得到鑒定。這說(shuō)明識(shí)別不同類型性信息素的PR基因在進(jìn)化上并沒(méi)有完全分離，可能由相同的祖先基因(ancestral gene)進(jìn)化而來(lái)。但奇怪的是，馬尾松毛蟲(chóng)的性信息素的類型為I型，但是它的PR基因并不分布在傳統(tǒng)PR分支中，這說(shuō)明了馬尾松毛蟲(chóng)PR基因的進(jìn)化與其性信息素種類以及物種進(jìn)化并沒(méi)有直接聯(lián)系。冬尺蠖蛾ObruOR1與識(shí)別I型性信息素的PR基因的進(jìn)化關(guān)系，同樣支持這一觀點(diǎn)(圖1，粉色分支)。

?；页嵋苟曜鳛橐环N典型利用I型性信息素的蛾類昆蟲(chóng)，它識(shí)別主要性信息素的PR基因編碼蛋白，SlitOR5分布在一個(gè)遠(yuǎn)離傳統(tǒng)的PR分支的分支中(圖1，綠色分支)。我們發(fā)現(xiàn)，這個(gè)分支包含多個(gè)馬尾松毛蟲(chóng)的OR基因，同時(shí)還包括其他除了冬尺蠖蛾(進(jìn)化樹(shù)僅包括報(bào)道的兩個(gè)基因)以外所有蛾類的OR基因，這說(shuō)明了這個(gè)新的PR分支并不是海灰翅夜蛾所獨(dú)有的，很可能與傳統(tǒng)的PR分支一樣，在OR進(jìn)化過(guò)程中分化并獨(dú)立出來(lái)。盡管處于這個(gè)分支中其他蛾類的OR基因的功能還未得到驗(yàn)證，但我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于某一種蛾類來(lái)說(shuō)，它的PR基因在兩個(gè)分支中的分布存在一定偏向性。例如，馬尾松毛蟲(chóng)所有的候選PR基因都分布在此分支，而家蠶和紅醋栗穿孔蛾候選PR基因則更多分布在傳統(tǒng)PR分支中。當(dāng)然，如果想明確兩個(gè)PR分支的進(jìn)化關(guān)系，還需要更多的實(shí)驗(yàn)證據(jù)支持。

灰茶尺蠖的一個(gè)識(shí)別其主要性信息素的候選PR既不屬于傳統(tǒng)的PR分支中也不屬于新鑒定的PR分支(圖1)。在系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)中，這一簇基因與新的PR分支關(guān)系更近，但是目前還不能確定它們是否屬于同一分支。如果它們是屬于同一分支，那么對(duì)這幾個(gè)物種而言，PR基因更多存在于新的分支中，這個(gè)結(jié)果可能在一定程度上顛覆我們對(duì)蛾類PR基因進(jìn)化及性信息素識(shí)別機(jī)制的認(rèn)識(shí)。

另外一個(gè)PR分支由高山毛頂蛾的3個(gè)PR基因構(gòu)成，這3個(gè)基因主要分布在蛾類昆蟲(chóng)識(shí)別植物源氣味的OR基因分支中。由于高山毛頂蛾的性信息素結(jié)構(gòu)更類似于植物揮發(fā)物，因此存在這樣的進(jìn)化關(guān)系也很好理解。此外，我們注意到不管在傳統(tǒng)PR分支還是新的PR分支中，它們最外緣都是高山毛頂蛾的OR基因(圖1)，這與高山毛頂蛾在蛾類中的進(jìn)化關(guān)系一致，說(shuō)明了其他蛾類的PR可能是由高山毛頂蛾的OR進(jìn)化而來(lái)。

對(duì)于親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的蛾類，它們PR基因的進(jìn)化關(guān)系較遠(yuǎn)(圖1)，PR的功能也存在很大差異(表2)。但對(duì)于一些高度近緣的蛾類，它們的性信息素成分和PR基因都非常相似，因此它們必須借助與其近緣種同源的PR基因，通過(guò)基因表達(dá)量差異，基因功能分化等方式來(lái)區(qū)分同種雌蛾與近緣種雌蛾所釋放的性信息素成分。

歐洲玉米螟Ostrinianubilalis(ECB)包含兩個(gè)亞種，分別為E型和Z型，Z型的性信息素為Z11-14∶Ac(Z11)和E11-14∶Ac(E11)，主要組分為Z11-14∶Ac。而亞洲玉米螟Ostriniafurnacalis(ACB)的性信息素組分為1∶1比例的Z12-14∶Ac(Z12)和E12-14∶Ac(E12)。盡管它們性信息素組分的結(jié)構(gòu)非常相似，但是它們的雄成蟲(chóng)僅特異地識(shí)別同種雌成蟲(chóng)釋放的性信息素，這暗示了兩個(gè)近緣物種識(shí)別性信息素的過(guò)程存在差異。對(duì)其PR的功能研究結(jié)果表明，亞洲玉米螟的ACBOR3特異地識(shí)別其性信息素成分E12和Z12，而歐洲玉米螟Z型的直系同源基因ECB(Z)OR3則對(duì)同種雌蛾產(chǎn)生的性信息素E11有強(qiáng)烈反應(yīng)，對(duì)亞洲玉米螟的性信息素E12和Z12的反應(yīng)很弱。通過(guò)受體選擇壓分析，結(jié)合單點(diǎn)突變和功能研究，研究人員發(fā)現(xiàn)ECB(Z)OR3的氨基酸序列第148位的丙氨酸(A)突變導(dǎo)致了兩個(gè)受體的功能分化(Learyetal., 2012)。與此類似，近緣物種棉鈴蟲(chóng)和煙青蟲(chóng)性信息素組分均為Z11-16∶Ald和Z9-16∶Ald，但是兩者的比例卻完全相反，分別為97∶3和3∶97(Li RTetal., 2017)。兩個(gè)物種PR的表達(dá)模式及其體外功能研究結(jié)果表明，OR13和OR14b分別作為棉鈴蟲(chóng)和煙青蟲(chóng)識(shí)別其主要性信息素Z11-16∶Ald和Z9-16∶Ald的受體，它們?cè)趦蓚€(gè)物種中的表達(dá)量也發(fā)生了變化(Liu Yetal., 2013; Yang Ketal., 2017)。此外，OR14b在兩個(gè)物種中的功能也發(fā)生了分化，HassOR14b特異地識(shí)別煙青蟲(chóng)的主要性信息素成分Z9-16∶Ald，而HarmOR14b則主要識(shí)別棉鈴蟲(chóng)的次要性信息素成分Z9-14∶Ald和Z9-16∶Ald。通過(guò)定點(diǎn)突變結(jié)合功能分析的方法，研究人員發(fā)現(xiàn)兩個(gè)氨基酸位點(diǎn)的突變導(dǎo)致了OR14b在兩個(gè)物種間的功能分化(Yang Ketal., 2017)。

這些研究表明，近緣種間直系同源PR的氨基酸位點(diǎn)突變導(dǎo)致了PR的功能發(fā)生了分化，進(jìn)而引起近緣種對(duì)同種性信息素的行為差異。這種通過(guò)氨基酸突變而導(dǎo)致其對(duì)性信息素結(jié)合能力發(fā)生改變的PR，是與其高度特異的性信息素及物種分化是相適應(yīng)的，也是驅(qū)動(dòng)新物種形成的重要?jiǎng)恿Α?/p>

5 展望

在過(guò)去15年中，蛾類昆蟲(chóng)PR的研究已取得了諸多進(jìn)展，17個(gè)科65種蛾類的PR基因得到了鑒定，30種蛾類的PR功能得到研究(表1和2)，但仍存在很多問(wèn)題亟需解決。在今后的PR研究中，以下方面的研究可以作為研究的重要方向：

(1)目前PR的功能研究主要集中在夜蛾科昆蟲(chóng)中，對(duì)其他科昆蟲(chóng)特別是非I型性信息素蛾類的PR功能研究較少，嚴(yán)重限制我們對(duì)PR基因進(jìn)化的理解，在今后研究中可鑒定更多非I型性信息素蛾類的PR及其功能，增加對(duì)PR基因進(jìn)化的認(rèn)識(shí)。

(2)缺乏對(duì)于一些具有特殊表達(dá)模式的PR基因的功能認(rèn)知，如在雌蛾觸角中高表達(dá)，在成蟲(chóng)其他組織或幼蟲(chóng)、蛹中也有表達(dá)的PR，它們可能具有一些與其表達(dá)量相對(duì)應(yīng)的特殊功能，通過(guò)對(duì)這些特殊PR的功能進(jìn)行解析拓寬對(duì)PR功能的認(rèn)識(shí)。

(3)蛾類的PR新分支均是2017年之后才開(kāi)始報(bào)道，目前研究人員對(duì)這類基因的關(guān)注度較低，功能研究則更少。以后在對(duì)蛾類昆蟲(chóng)PR基因鑒定和功能研究時(shí)，也需要更多關(guān)注新PR分支的PR基因，特別是未鑒定到傳統(tǒng)PR分支PR的蛾類，這些研究必將進(jìn)一步促進(jìn)揭示PR進(jìn)化與蛾類進(jìn)化的關(guān)系。

(4)PR基因在蛾類昆蟲(chóng)的性信息素識(shí)別過(guò)程中發(fā)揮核心作用，但是其他嗅覺(jué)相關(guān)蛋白，包括PBP，IR以及SNMP等同樣發(fā)揮重要作用。目前對(duì)這些嗅覺(jué)蛋白單獨(dú)的功能研究報(bào)道較多，但是對(duì)它們?nèi)绾螀f(xié)同發(fā)揮作用的研究非常缺乏，這也限制了我們對(duì)蛾類昆蟲(chóng)性信息素識(shí)別分子機(jī)制的認(rèn)知。今后可對(duì)PR與其他嗅覺(jué)相關(guān)蛋白，特別是PR與PBP和SNMP1的互作關(guān)系進(jìn)行研究，加強(qiáng)對(duì)PR作用機(jī)制的理解。

(5)昆蟲(chóng)的PR屬于OR亞家族，目前OR的三級(jí)結(jié)構(gòu)的研究?jī)H限于對(duì)Orco的結(jié)構(gòu)研究，但是對(duì)PR與Orco形成異聚復(fù)合體的結(jié)構(gòu)研究仍是空白，極大地限制了我們通過(guò)蛋白結(jié)構(gòu)對(duì)PR配體結(jié)合的關(guān)鍵氨基酸位點(diǎn)及PR功能的預(yù)測(cè)。因此，嘗試解析PR和Orco形成復(fù)合體的結(jié)構(gòu)，有助于理解PR結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系，以及PR功能分化和物種進(jìn)化的關(guān)系。

(6)盡管目前很多蛾類PR的功能得到了鑒定，但是基于PR功能指導(dǎo)開(kāi)發(fā)蛾類害蟲(chóng)綠色防控技術(shù)的報(bào)道卻很少。在今后的研究中，通過(guò)已鑒定PR的功能設(shè)計(jì)更加高效的蛾類害蟲(chóng)綠色防控措施將是本領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。首先，由于很多蛾類昆蟲(chóng)的性信息素成分并不穩(wěn)定，在田間應(yīng)用時(shí)嚴(yán)重影響使用效果和防控時(shí)間。因此，可以從PR的功能入手，篩選能激活相同PR且結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定的配體，從而增加行為調(diào)控劑的作用時(shí)長(zhǎng)，保證作用效果。另外，PR對(duì)配體的識(shí)別具有一定的靈敏度，我們可以使用PR高敏感的配體替換低敏感的配體，在保證不影響防控效果的同時(shí)降低生產(chǎn)成本。當(dāng)然，也可以通過(guò)種植轉(zhuǎn)基因植物，釋放轉(zhuǎn)基因目標(biāo)昆蟲(chóng)等方法對(duì)害蟲(chóng)的目標(biāo)PR進(jìn)行干擾或敲除，影響蛾類害蟲(chóng)的交配和種群繁衍，達(dá)到防控目的。