劉曉嵐, 尚冬雅, 趙新成*, 王桂榮

(1.河南農業(yè)大學植物保護學院, 河南省害蟲綠色防控國際聯(lián)合實驗室，鄭州 450002; 2.中國農業(yè)科學院植物保護研究所, 植物病蟲害生物學國家重點實驗室, 北京 100193)

棉鈴蟲Helicoverpaarmigera隸屬于鱗翅目Lepidoptera夜蛾科Noctuidae,是世界上重要的多食性農業(yè)害蟲。棉鈴蟲尋找寄主、識別配偶以及選擇產卵位點等與生存和繁衍密切相關的行為主要依賴于嗅覺神經系統(tǒng)調控。近年來,關于棉鈴蟲嗅覺感受的神經和分子機制研究獲得突飛猛進的發(fā)展,同時,利用棉鈴蟲嗅覺行為進行害蟲防控的技術也取得了重要突破[1-2]。本文將對棉鈴蟲嗅覺系統(tǒng)結構和功能的研究進展進行系統(tǒng)詳盡的綜述,以期為后續(xù)棉鈴蟲嗅覺機理研究和行為調控技術開發(fā)提供參考。

1 棉鈴蟲外周嗅覺系統(tǒng)

1.1 棉鈴蟲外周嗅覺器官及功能

1.1.1觸角

觸角(antennae)是棉鈴蟲主要的外周嗅覺感受器官,由柄節(jié)、梗節(jié)和鞭節(jié)組成,其中鞭節(jié)包含72～82個亞節(jié),背側多被鱗片覆蓋,腹側密集分布著感器[3]。掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn),棉鈴蟲觸角鞭節(jié)上共有6類感器,即毛形感器(sensillum trichodeum)、錐形感器(sensillum basiconicum)、刺形感器(sensillum chaeticum)、耳形感器(sensillum auricillicum)、腔錐形感器(sensillum coeloconicum)和栓錐形感器(sensillum styloconicum)[4]。毛形感器和錐形感器為常見的嗅覺感器,感器壁上有多個微孔。其中毛形感器為棉鈴蟲觸角上數(shù)量最多的感器,雌雄性棉鈴蟲的毛形感器在數(shù)量上和形態(tài)上均有差異,雄性的毛形感器數(shù)量較多,且長度較長,末端稍彎曲[5]。

觸角電位圖(electroantennogram,EAG)技術記錄表明,棉鈴蟲的觸角可以感受性信息素和寄主植物揮發(fā)性化合物等氣味信息物質[6-14]。單感器記錄(single sensillum recording,SSR)發(fā)現(xiàn)，雄性棉鈴蟲毛形感器能夠感受雌性信息素[15-20]。根據性信息素種類和反應特性,可以將性信息素敏感毛形感器歸為A、B和C 3種類型。A類型毛形感器感受順-11-十六碳烯醛(cis-11-hexadecenal,Z11-16∶Ald);B類型毛形感器感受順-9-十四碳烯醛(cis-9-tetradecenal,Z9-14∶Ald);C類型毛形感器感受順-9-十六碳烯醛(cis-9-hexadecenal,Z9-16∶Ald)和Z9-14∶Ald,順-11-十六碳烯醇(cis-11-hexadecenol,Z11-16∶OH)和順-11-十六乙酸酯(cis-11-hexadecenyl acetate,Z11-16∶Ac)[17]。其中,B類型毛形感器可分為B1和B2亞型,B1亞型感受Z9-14∶Ald,B2亞型感受Z9-14∶Ald和Z11-16∶OH;C類型毛形感器可分為C1、C2和C3亞型,C1亞型感受Z9-14∶Ald、Z9-16∶Ald、Z11-16∶OH和Z11-16∶Ac, C2亞型感受Z9-14∶Ald、Z11-16∶OH和Z9-16∶Ald,C3亞型感受Z9-14∶Ald和Z9-16∶Ald[16]。Z11-16∶Ald為棉鈴蟲主要性信息素成分,Z9-16∶Ald為次要成分,兩者比例為97∶3時引誘雄性棉鈴蟲的活性最高。Z9-14∶Ald對棉鈴蟲具有雙重作用,即低劑量時可增加性信息素Z11-16∶Ald和Z9-16∶Ald的引誘活性,而高劑量時則抑制性信息素的引誘活性。Z11-16∶OH為行為抑制劑,Z11-16∶Ac對棉鈴蟲沒有顯著的行為引誘作用[21]。雄性棉鈴蟲的A類型毛形感器數(shù)量最多,C類型的數(shù)量次之,B類型毛形感器數(shù)量最少[17]。

對雌性棉鈴蟲觸角上的毛形感器的功能研究較少,電生理研究表明,雌性棉鈴蟲毛形感器可以感受雌性信息素、寄主植物揮發(fā)性化合物和花香氣味[22-23]。棉鈴蟲觸角上的錐形感器也為嗅覺感器,可感受植物揮發(fā)性化合物[22, 24-25]。但是,刺形感器、栓錐形感器、耳形感器、腔錐形感器等類型觸角感器的功能尚未見報道,需要進一步研究。

1.1.2下唇須

棉鈴蟲下唇須(labial palps)位于頭部下面,喙的兩側,表面被密集的鱗片覆蓋。每個下唇須由3節(jié)組成,第3節(jié)末端有一開口,在開口內部可以看到一個瓶狀結構,稱為下唇須陷窩器(labial-palp pit organ,LPO)。棉鈴蟲的LPO長約300 μm,寬約60 μm,內部約含有1 200個感器,感器內多數(shù)只含有1個感受神經元,根據其形態(tài)主要分為兩類,即毛狀感器(hair-shaped sensillum)和棒狀感器(club-shaped sensillum),它們分別位于陷窩器上部和下部[26-27]。單感器電生理記錄表明,棉鈴蟲LPO感器能夠感受CO2濃度的變化[28-29]。但這兩種類型感器都感受CO2還是其中一種類型感器感受還未明確。行為測定表明,蛾類通過探測CO2信息尋找寄主植物蜜源或產卵場所[30]。但棉鈴蟲感受CO2的行為學意義和生態(tài)學意義尚未明確,亟待進一步研究。

1.1.3其他附肢的嗅覺感器

已有研究表明,除觸角和下唇須以外,昆蟲頭部的其他器官以及翅、足和產卵器等也具有嗅覺感器。例如,黑腹果蠅Drosophilamelanogaster的下顎須表面分布了60個感受多種氣味信息的錐形感器[31];蚊類的下顎須具有感受CO2的感器[32-34]。此外,埃及伊蚊Aedesaegypti的翅和足部跗節(jié)也具有感知揮發(fā)性化合物的感器[35]。煙草天蛾Manducasexta的喙頂端具有感受花香氣味的感器[36]。煙青蟲Helicoverpaassulta產卵器存在感受寄主植物揮發(fā)物以定位適宜產卵位點的嗅覺感器[37]。掃描電鏡觀察表明,棉鈴蟲的喙上具有一些栓錐形感器,該感器表面具有多孔結構,暗示其可能具有嗅覺感受的功能[38]。棉鈴蟲的足、翅、產卵器等器官是否也具有嗅覺感器,還需要進一步研究。

1.2 棉鈴蟲外周嗅覺感受相關蛋白的組織分布和功能

棉鈴蟲觸角轉錄組分析表明,觸角內表達有133種化學感受相關的蛋白,包括60種氣味受體(olfactory receptors,ORs),19種離子型受體(ionotropic receptors,IRs),34種氣味結合蛋白(odorant-binding proteins,OBPs),18種化學感受蛋白(chemosensory proteins,CSPs)和2種感覺神經元膜蛋白(sensory neuron membrane proteins,SNMPs)[39-40]。棉鈴蟲喙和下唇須轉錄組分析證明,喙和下唇須內也表達有多種氣味受體、離子型受體、氣味結合蛋白、化學感受蛋白和感覺神經元膜蛋白,這些結果進一步表明觸角是棉鈴蟲的主要嗅覺器官,喙和下唇須也具有嗅覺功能。

棉鈴蟲觸角中檢測到7種性信息素受體基因,HarmOR6、HarmOR11、HarmOR13、HarmOR14(或HarmOR14a)、HarmOR14b、HarmOR15和HarmOR16的表達。利用爪蟾Xenopuslaevis卵母細胞表達系統(tǒng)、鈣離子成像系統(tǒng)、CRISPR-Cas9基因敲除技術和轉基因果蠅系統(tǒng)技術研究發(fā)現(xiàn),受體HarmOR13能感受Z11-16∶Ald[41-45],HarmOR14b感受Z9-14∶Ald[43-44],HarmOR16感受Z11-16∶OH和Z9-14∶Ald[41,44-45],HarmOR6感受Z9-16∶Ald和Z9-14∶Ald[41],或Z9-16∶OH和順-9-十四碳烯醇(cis-9-tetradecenol,Z9-14∶OH)[43,45]。不同的研究中,HarmOR6的配體化合物存在差異,可能與表達系統(tǒng)的不同和測定化合物譜的大小相關。目前尚未發(fā)現(xiàn)受體HarmOR11, HarmOR14與HarmOR15的配體。如果敲除HarmOR14基因,棉鈴蟲成蟲的交配時間和持續(xù)時長均發(fā)生變化,說明HarmOR14參與調控棉鈴蟲的交配行為[46]。

關于棉鈴蟲普通氣味受體的功能研究也取得了一些進展,至目前已有28種受體的配體得到鑒定(HarmOR3、HarmOR7、HarmOR8、HarmOR25、HarmOR29、HarmOR43、HarmOR40、HarmOR55、HarmOR56、HarmOR12、HarmOR19、HarmOR22、HarmOR23、HarmOR26、HarmOR27、HarmOR31、HarmOR35、HarmOR36、HarmOR42、HarmOR48、HarmOR50、HarmOR52、HarmOR59、HarmOR60、HarmOR63、HarmOR66、HarmOR67)[47-48]。棉鈴蟲的喙上表達3種氣味受體,分別為HarmOR24、HarmOR30和HarmOR58,其中HarmOR30感受含氮化合物吲哚[49]。在棉鈴蟲觸角中表達19 種IRs[39-40]，其中HarmIR8a在觸角中高表達,原位雜交顯示HarmIR8a廣泛存在于腔錐形感器內,表明該受體很可能也參與了氣味的識別[50]。

棉鈴蟲感受CO2的受體為HarmGr1、HarmGr2和HarmGr3,這3種受體共同表達在下唇須的感器神經元中,其中HarmGr1和HarmGr3是棉鈴蟲感受CO2必不可少的[29]。

運用熒光競爭結合試驗發(fā)現(xiàn),棉鈴蟲觸角表達的3種信息素結合蛋白(pheromone-binding proteins,PBPs),HarmPBP1、HarmPBP2和HarmPBP3可以與Z11-16∶Ald和Z9-16∶Ald結合,且HarmPBP1與Z9-16∶Ald的結合力較強[51-53]。進一步利用RNA干擾技術研究發(fā)現(xiàn),HarmPBP1與HarmPBP2同時沉默則會導致雄性棉鈴蟲對Z11-16∶Ald的敏感性降低,說明HarmPBP1與HarmPBP2都參與了主要性信息素組分的識別[54]。而利用CRISPR-Cas9基因敲除技術敲除HarmPBP1基因后,雄性棉鈴蟲對Z11-16∶Ald,Z9-16∶Ald的電生理反應都會顯著降低[51]。除PBPs外,氣味結合蛋白HarmOBP7對Z11-16∶Ald和Z9-16∶Ald也有結合作用,說明氣味結合蛋白也可能參與性信息素的識別[55]。棉鈴蟲的HarmSNMP1特異表達在成蟲觸角上,HarmSNMP2則存在于成蟲觸角和跗節(jié)上[56]。利用CRISPR/Cas9技術結合觸角單感器記錄、風洞試驗,表明HarmSNMP1對感受長鏈性信息素(十六碳)組分有重要作用,但對感受短鏈性信息素則不是必需的[57]。在棉鈴蟲觸角轉錄組中鑒定到19種CSPs,在喙和下唇須轉錄組中鑒定到26種CSPs,而在棉鈴蟲基因組內鑒定到27種[38,40,58],但關于棉鈴蟲CSPs功能的研究尚未見報道。

2 棉鈴蟲嗅覺中樞神經系統(tǒng)

近些年,關于棉鈴蟲嗅覺中樞神經系統(tǒng)的研究也取得了一定進展,但多數(shù)研究聚焦在棉鈴蟲腦內處理嗅覺信息的初級神經中樞—觸角葉。觸角葉位于中腦,呈球形結構,對稱分布在食道孔兩側,通過觸角神經與外周的觸角相聯(lián)系[59]。同多數(shù)昆蟲一樣,棉鈴蟲觸角葉的顯著特征就是其內部由許多神經纖維球(glomerulus)構成。神經纖維球是觸角葉神經元形成突觸聯(lián)系的地方,是嗅覺信息處理的基本單位。

2.1 觸角葉神經纖維球

先前報道的蛾類昆蟲的神經纖維球數(shù)量為50～70個,其中棉鈴蟲的觸角葉神經纖維球為65個[60]。利用突觸蛋白免疫染色標記和觸角葉神經元追蹤標記發(fā)現(xiàn),棉鈴蟲觸角葉內約有80個神經纖維球[59]。該數(shù)量與棉鈴蟲表達的60個ORs和19個IRs的數(shù)量之和相當,符合昆蟲觸角葉神經纖維球數(shù)量和ORs、IRs受體數(shù)量一致的假說。依據纖維球的位置和排列方式,雌雄棉鈴蟲觸角葉神經纖維球均可分為4組。在觸角神經進入腦的入口處,雄性棉鈴蟲觸角葉具有3個體積擴大的神經纖維球,稱為巨大型纖維球復合體(macroglomerular complex, MGC),為雄性特有。雌性棉鈴蟲沒有MGC,但在對應的位置有5個雌性特異的神經纖維球,稱為雌性特異纖維球復合體(female-specific glomerular complex,Fx)。除雌雄特異的神經纖維球復合體外,其他纖維球劃分為明顯的3組,即后側纖維球復合體(posterior complex,PCx)、下唇須陷窩器纖維球(labial pit organ glomerulus,LPOG)和普通神經纖維球(ordinary glomerulus,OG)。棉鈴蟲的OG由66個纖維球構成,在數(shù)量、大小、位置和排放方式上,雌雄棉鈴蟲的OG非常相似,僅有G1、G3、G7、G12、G14、G18、G32、G35、G36、G37、G53、G61和G70等13個纖維球在體積上存在性別差異, 雌性的G1、G7、G14、G35和G36的體積比雄性的大,其余8個OG纖維球是雄性的體積大于雌性的。LPOG僅包括一個纖維球,位于觸角葉腹側,與下唇須相聯(lián)系。雌性的LPOG體積比雄性的稍大。PCx位于性別特異纖維球復合體后側,雄性棉鈴蟲的PCx由10個纖維球組成,而雌性由9個組成。其中G75僅存在于雄性PCx中,而雌性缺失。另外,雌性PCx的G52和G57的體積比雄性的大,而G49、G51、G54和G55的體積比雄性的小。

目前,關于棉鈴蟲觸角葉神經纖維球的功能研究僅聚焦在MGC和LPOG上。棉鈴蟲MGC主要參與性信息素及相關氣味信息的處理。棉鈴蟲MGC包含3個體積擴大型神經纖維球,即云狀體(cumulus,Cu)、背中前側纖維球(anterior dorsomedial unit,DMA)和背中后側纖維球(posterior dorsomedial unit,DMP)。利用鈣離子成像、感器神經元染色追蹤以及胞內記錄和染色標記等技術研究證明,Cu的功能是負責處理主要性信息素Z11-16∶Ald,DMA負責處理行為拮抗劑信號Z9-14∶Ald和Z11-16∶OH,而DMP負責處理次要性信息素Z9-16∶Ald和Z9-14∶Ald[16,18,20,61]。LPOG的功能是負責處理CO2信號[62]。關于棉鈴蟲PCx和OG功能方面尚未見有深入的研究報道,少數(shù)胞內記錄和染色標記證明感受植物氣味的神經元分支分布在OG內[62]。

2.2 觸角葉神經元

棉鈴蟲觸角葉神經纖維球內錯綜連接的神經纖維主要來自4種類型的觸角葉神經元,即嗅覺感受神經元(olfactory sensory neurons,OSNs)、局域中間神經元(local interneurons,LNs)、投射神經元(projection neurons,PNs)和遠心神經元(centrifugal neurons,CNs)[59,61]。最近,神經連接組學研究發(fā)現(xiàn),黑腹果蠅的觸角葉內,4類觸角葉神經元間形成了復雜的突觸聯(lián)系[63]。

2.2.1嗅覺感受神經元

觸角填充染色標記顯示,棉鈴蟲觸角感器內的OSNs神經元主要投射到觸角葉神經纖維球,其軸突末端主要分布在神經纖維球外層[59]。一般同一個神經纖維球的OSNs表達同類OR,即遵循“1受體—1嗅覺感受神經元—1神經纖維球”的假說[64]。受體基因原位雜交、單感器記錄和染色標記研究結果顯示,雄性棉鈴蟲感受主要性信息素的HarmOR13在A類毛形感器中的OSN內表達,該OSN的軸突末端投射進觸角葉MGC內的Cu;感受Z9-14∶Ald的HarmOR14b在B類毛形感器中的OSN內表達,該OSN的軸突末端投射到觸角葉MGC的DMA內;感受Z11-16∶OH與Z9-14∶Ald 的HarmOR16和感受Z9-16∶Ald與Z9-14∶Ald的HarmOR6分別在C類毛形感器的兩個OSNs中表達,這兩個OSNs的軸突末端分別投射到觸角葉MGC的DMA和DMP[20,44]。棉鈴蟲性信息素感受相關受體—OSN—神經纖維球的圖譜對應關系,支持 “1受體—1嗅覺感受神經元—1神經纖維球”的嗅覺感受假說。另外,示蹤染色LPO感器,發(fā)現(xiàn)其內OSNs的軸突沿著下唇神經投射至同側和對側觸角葉內的LPOG,LPO感器內感受CO2信號的OSNs投射到LPOG,顯示出不同的嗅覺器官處理的氣味信息從外周到初級中樞是空間分離的[26-27]。目前已鑒定出了28個普通氣味受體氣味分子配體,明確了其氣味感受功能[48],但表達這些受體的OSNs與觸角葉神經元纖維球的圖譜對應關系尚未明確。深入研究表達普通氣味受體的OSNs到觸角葉纖維球的中樞投射,將有助于揭示觸角葉普通神經纖維球對寄主植物氣味的編碼圖譜。

2.2.2局域中間神經元

局域中間神經元(LNs)的細胞體位于觸角葉外側細胞體群,其神經分支僅分布在觸角葉內,為單極神經元。根據神經分支在神經纖維球內的分布模式和范圍,棉鈴蟲觸角葉LNs可分為多球LNs(multiglomerular LNs)和寡球LNs(oligoglomerular LNs)。多球LNs為棉鈴蟲觸角葉內數(shù)量最多的LNs,其神經分支延伸至絕大多數(shù)觸角葉神經纖維球內。根據神經分支在神經纖維球的分布密度可分為稠密型LNs和稀疏型LNs。根據分支對稱性,又分為對稱分布型LNs和非對稱分布型LNs,對稱型指神經分支在有分布的神經纖維球內密度相似,非對稱型指神經分支在有分布的神經纖維球內密度不同,如在MGC內,30%多球LNs的神經分支密度相對稀疏;在PCx內,18%多球LNs的神經分支密度相對稀疏,2%多球LNs的神經分支密度相對稠密,還有2%多球LNs在此結構無分支;在LPOG內,17%多球LNs的神經分支密度相對稀疏,9%多球LNs無分支。有少數(shù)多球LNs的一條神經分支延伸出觸角葉投射到觸角葉后腹側峽部神經髓(antennal lobe isthmus,IST)。寡球LNs神經分支分布于60%～70%的觸角葉神經纖維球內,如棉鈴蟲LN49的神經纖維分布在大多數(shù)OG和LPOG內,但在PCx和MGC中無神經分支,LN51的神經纖維分布在大多數(shù)OG和MGC內,但在PCx和LPOG內無神經分支[65]。

研究表明,昆蟲觸角葉內的LNs主要通過側興奮或側抑制調節(jié)觸角葉神經纖維球之間的相互作用,并對觸角葉內信息傳遞到輸出過程起調諧作用[66-68]。通過γ-氨基丁酸(GABA)免疫組織化學染色發(fā)現(xiàn),在果蠅、美洲大蠊Periplanetaamericana、家蠶Bombyxmori、煙草天蛾觸角葉內,多數(shù)LNs含有抑制性神經遞質GABA,在觸角葉內介導神經纖維球間的側抑制作用[69-73]。研究表明,LNs可通過側抑制作用增益控制平衡氣味處理效率,保持嗅覺神經元對氣味的敏感性。當OSNs輸入的信號較弱時,LNs的側抑制作用最小,OSNs與PNs的突觸聯(lián)系較強;當OSNs輸入的信號較強時,LNs發(fā)揮側抑制作用,防止刺激飽和超出PNs接收信息強度的動態(tài)范圍[67],且LNs側抑制作用具有選擇性,并不局限于鄰近的觸角葉神經纖維球之間[74]。果蠅中還發(fā)現(xiàn)了少數(shù)LNs含有興奮性神經遞質乙酰膽堿,在觸角葉介導神經纖維球間的側興奮作用,這類LNs可增強PNs信號向下階神經元的傳遞[66]。此外,LNs還能促進不同PNs對氣味刺激的同步響應[75]。美洲大蠊中,根據LNs的電生理特征分為兩類,尖峰局域中間神經元(spiking LNs)和非尖峰局域中間神經元(nonspiking LNs)。前者在觸角葉神經纖維球間信號轉導中起主要作用,后者在觸角葉神經纖維球內信號轉導中起主要作用[68]。但目前在棉鈴蟲中尚未有關于LN的功能研究報道。

2.2.3投射神經元

投射神經元(PNs)為觸角葉的輸出神經元,其細胞體位于觸角葉細胞體群,樹突分布在神經纖維球內,其軸突通過觸角葉神經束(antennal lobe tract,ALT)向前腦延伸,為單極神經元。對觸角葉進行染色標記研究發(fā)現(xiàn),棉鈴蟲的PNs向前腦投射的觸角葉神經束主要有3條,即內側觸角葉神經束(medial ALT,mALT)、中間觸角葉神經束(mediolateral ALT,mlALT)和外側觸角葉神經束(lateral ALT,lALT)[76]。少數(shù)PNs投射通路為橫向觸角葉神經束(transverse ALT,tALT)。利用細胞內記錄與神經示蹤研究發(fā)現(xiàn)極少數(shù)的PNs通過背中側觸角葉神經束(dorsomedial ALT,dmALT)和背側觸角葉神經束(dorsal ALT,dALT)向前腦投射[65]。

根據樹突分布的神經纖維球數(shù)量,PNs分為單球PNs(uniglomerular PNs,uPNs)和多球PNs(multiglomerular PNs,mPNs)。uPNs是最常見的PNs類型,其樹突分布在1個觸角葉神經纖維球內,細胞體多數(shù)位于觸角葉內側細胞體群和外側細胞體群,軸突沿mALT先投射到前腦的蕈形體冠(calyx,Ca),隨后投射到側角(lateral horn,LH)。mPNs的樹突分布于多個觸角葉神經纖維球內,細胞體一般位于外側細胞體群,軸突沿mlALT或lALT投射到前腦的LH及LH周圍的神經髓,如上外側前腦(superior lateral protocerebrum,SLP)、上中間前腦(superior intermediate protocerebrum,SIP)、腹外側前腦(ventrolateral protocerebrum,VLP)等。絕大多數(shù)PNs投射向同側前腦中樞,但少數(shù)PNs向雙側投射,軸突分為兩個側支,通過lALT或tALT,一支向同側前腦高級中樞投射,另一支穿過腦中線,投射至對側前腦高級中樞[65]。

PNs的功能是將觸角葉編碼的嗅覺信息傳遞至前腦的高級神經中樞。目前關于棉鈴蟲PNs功能的研究主要集中在其對性信息素和CO2信號的感受方面[61,77]。利用細胞內記錄與染色標記證明感受Z11-16∶Ald的uPNs來自MGC神經纖維球內的Cu,軸突沿mALT投射到前腦的Ca、VLP、SLP和SIP;感受Z9-14∶Ald的uPNs來自MGC神經纖維球內的DMA,軸突沿mALT投射到前腦的Ca、LH和VLP;感受Z9-16∶Ald的uPNs來自MGC神經纖維球內的DMP,軸突也是沿mALT投射到前腦的Ca、LH和VLP[61]。從MGC發(fā)出的mPNs,其軸突沿mlALT投射到LH和VLP[61]。少數(shù)MGC-PNs的軸突沿lALT投射到同側和對側的前腦柱狀神經髓[77]。PNs對氣味的反應特性通常與OSNs的相對應。但鈣離子成像結果顯示少數(shù)Cu-PNs不僅對性信息素主要組分Z11-16∶Ald有反應,還對其他次要組分的刺激有反應。這些反應可能是局域中間神經元或多球投射神經元局部介導的結果[61]。此外,沿不同神經束通路的PNs對氣味的反應在響應時間和強度上有所不同,比如,沿lALT投射的PNs比沿mALT投射的PNs對刺激響應的速度更快[77]。

棉鈴蟲感受CO2信號的PNs來自LPOG,主要通過tALT投射到Ca、LH、SLP、后外側前腦(posterior lateral protocerebrum,PLP)和VLP等高級中樞。少數(shù)的LPOG-PNs通過mALT、lALT、dmALT 和觸角-咽下神經束(antenno-suboesophageal tract,AST)投射到Ca、LH和前腦其他區(qū)域[62]。關于棉鈴蟲感受寄主植物氣味的PNs研究較少,細胞內記錄和染色標記顯示棉鈴蟲對植物花香氣味反應的PNs來自OG,軸突通過mALT投射到Ca和LH,與對性信息素敏感的PNs末端投射區(qū)域有顯著區(qū)別,而與CO2敏感的PNs末端投射區(qū)域有較多重疊[62]。

2.2.4遠心神經元

遠心神經元(CNs)的形態(tài)特征為細胞體和樹突位于其他神經系統(tǒng),其軸突末端分支分布在所有的觸角葉神經纖維球內,為單極神經元。CNs的數(shù)量較少,但形態(tài)多樣,根據形態(tài)和投射模式, 棉鈴蟲CNs可分為7種類型,其中3類為雙側投射,4類為單側投射。第1類CNs的形態(tài)與在煙草天蛾上鑒定到的多巴胺能拱狀神經元(dopaminergic arching neurons,DAAR)相似,其細胞體位于前腦后方,蕈形體柄腹側,樹突分支分布在前腦的上內側前腦(superior medial protocerebrum,SMP)、SIP、SLP和前視結節(jié)(anterior optic tubercle,AOTU)等神經髓,軸突投射向雙側觸角葉,末端分支密度在兩側的觸角葉不對稱,一側稀疏,另一側稠密。第2類CNs為對側投射的五羥色胺能中腦神經元(contralaterally projecting serotonin-immunoreactive deutocerebral neuron,CSDn)。在蛾類中,每個觸角葉內僅含有1個CSDn,其細胞體位于觸角葉內的外側細胞體群,樹突分支分布在雙側前腦的SMP、SLP、PLP、LH以及中央體(central body,CB)上方,軸突穿過中線延伸至對側的觸角葉。第3類CNs的細胞體位于腦前側胞體層,觸角機械感覺與運動中心(antennal mechanosensory and motor center,AMMC)腹外側,樹突分支分布于兩側的AMMC,軸突通過AST延伸到兩側的觸角葉,細胞體同側的觸角葉只有少數(shù)OG含有該類型CNs的神經分支,而對側觸角葉的所有神經纖維球都有密集的神經分支。第4類CNs在其他物種中沒有報道過,其細胞體位于腦后方細胞體層,PLP背腹側,前腦的多個神經髓都含有密集的神經分支,軸突沿著內側神經束通路單側投射，神經分支分布在同側觸角葉內所有的神經纖維球內。第5類CNs在其他物種中也沒有報道過,其細胞體位于腦后側胞體層,神經分支分布在前腦的VLP和LH,軸突都沿著外側神經束單側投射，神經分支分布在部分觸角葉神經纖維球內。第6類CNs的細胞體位于腦前側細胞體層,VLP前側,在前腦部分神經髓含有神經分支,軸突都沿著外側神經束單側投射,神經分支分布在觸角葉背側的部分神經纖維球內以及這些神經纖維球的間隙。第7類CNs的細胞體接近腦中線,CB背側。前腦的神經纖維似乎沿著上位纖維系統(tǒng)(superior fiber system,SFS)分布,軸突末端分布在同側的觸角葉神經纖維球內[65]。CNs屬于典型的反饋神經元,能夠將其他中樞系統(tǒng)的信息反饋至觸角葉,從而參與觸角葉對氣味信息的調諧和編碼。目前棉鈴蟲中CNs的功能研究較少,Zhao 等利用細胞內記錄與染色標記試驗標記到一類CNs,形態(tài)上與上述第7類CNs相近,電生理數(shù)據顯示這類CNs對聲音和氣流速度的變化有響應,表明CNs通過多模式感受反饋氣味調控的作用[78]。

3 結論與展望

綜上所述,關于棉鈴蟲嗅覺系統(tǒng)及嗅覺感受的分子和神經機制已取得一定進展?；久鞔_了棉鈴蟲從外周感器到中樞神經探測和編碼性信息素與CO2的神經通路以及分子機制。棉鈴蟲主要性信息素Z11-16∶Ald的受體為HarmOR13,在A類毛形感器中的OSN內表達,該OSN的軸突末端投射到觸角葉MGC的Cu神經纖維球,Cu-PNs進一步將信號傳遞到腦嗅覺高級中樞Ca、VLP、SLP和 SIP。Z9-14∶Ald的受體為HarmOR14b,在B類毛形感器中的OSN內表達,該OSN的軸突末端投射到觸角葉MGC的DMA神經纖維球。Z11-16∶OH 的受體為HarmOR16,在C類毛形感器中的一個OSN內表達,該OSN的軸突末端也投射到DMA,DMA-PNs進一步將信號傳遞到腦嗅覺高級中樞Ca、LH和VLP。Z9-16∶Ald的受體 HarmOR6在C類毛形感器中的另一個OSN內表達,該OSN的軸突末端投射到觸角葉MGC的DMP神經纖維球,DMP-PNs進一步將信號傳遞到腦嗅覺高級中樞Ca、LH和VLP。棉鈴蟲感受CO2的受體為HarmGr1、HarmGr2和HarmGr3,在LPO感器中的OSNs內表達,這些OSNs的軸突投射到LPOG,LPOG-PNs將信號傳遞到腦高級中樞內多個神經髓中,Ca、LH、SLP、PLP和VLP。

然而,除上述少數(shù)氣味受體和神經通路得到解析,棉鈴蟲還有大量的其他氣味受體和神經通路尚未得到研究。棉鈴蟲分布范圍大,寄主范圍廣,嗅覺行為復雜,關于棉鈴蟲的嗅覺感受機制還需深入研究。其中以下幾個方面非常值得進一步研究, 1)棉鈴蟲觸角上錐形感器、腔錐形感器、栓錐形感器等多種類型感器的功能; 2)除性信息素和CO2外,寄主植物、有害食物和天敵等氣味分子的受體—OSN—觸角葉神經纖維球圖譜對應關系;3)觸角葉神經元間的突觸聯(lián)系及其氣味處理與編碼的對應關系; 4)在腦高級嗅覺中樞內,編碼各種具體氣味分子的神經元間的突觸聯(lián)系,以及腦內產生吸引和驅避運動指令神經機制; 5)棉鈴蟲對生境中氣味分子的適應、學習和記憶。