光滑拟步甲（Anoplophora glabripennis）触角转录组中气味降解酶的鉴定、表达及功能预测

《Comparative Biochemistry and Physiology Part D: Genomics and Proteomics》：Identification, expression and functional prediction of odorant degrading enzymes in the antennal transcriptome of Anoplophora glabripennis

嗅觉降解酶（ODEs）在亚洲虎纹蛀虫中的功能解析及分子机制研究。通过转录组测序发现97个ODEs（含9个GSTs、20个CXEs、66个P450s、2个UGTs），qPCR显示性别特异性表达模式，分子对接表明3- Carene与AglaCYP345N1结合最强，为开发新型害虫防控策略提供理论依据。

　　

杨欢|李涵|郝恩华|卢鹏飞|乔海丽

中国北京林业大学林业学院高效森林资源生产国家重点实验室，北京100083

摘要

Anoplophora glabripennis是一种在中国造成重大经济损失的主要害虫，它侵害多种植物，如Salix、Ulmus和Populus。我们的研究揭示了这种害虫中 antennal odorant-degrading enzymes (ODEs) 的作用机制，共鉴定出97种ODEs，包括9种GSTs、20种CXEs、66种P450s和2种UGTs。qPCR分析显示某些ODEs在性别间表达存在差异：一些ODEs可能参与雄性的解毒和信息素降解过程，而另一些则参与雌性对植物气味的检测以选择产卵位置。在两种性别中都高度表达的ODEs可能能够感知食物来源的气味。分子对接实验表明，3-Carene与关键ODEs的结合亲和力最高，其中AglaCYP345N1的结合效果最好，而AglaGSTD4的结合能力最弱。这项研究为A. glabripennis的化学生态提供了新的见解，有助于开发监测和控制该害虫的策略。

引言

昆虫通过触角感知空气中的信息素或植物释放的气味分子，并据此完成觅食、交配、产卵、躲避天敌等行为。因此，敏锐的嗅觉对昆虫适应环境和种群繁殖至关重要（Leal, 2013; Zheng et al., 2013）。这一过程中涉及多种蛋白质，包括气味结合蛋白（OBPs）、化学感应蛋白（CSPs）、感觉神经元膜蛋白（SNMPs）、嗅觉受体（ORs）、信息素降解酶（PDEs）以及气味降解酶（ODEs）。对于昆虫而言，气味分子和信息素属于外来物质，如果这些物质在受体附近持续存在，可能会导致信号饱和干扰。如果气味分子不能及时被降解，就会持续刺激受体，从而对昆虫的神经系统造成严重损害（Vogt and Riddiford, 1981）。目前关于气味分子失活机制的研究有两种观点：一种认为气味降解酶在气味分子到达嗅觉神经末梢之前就改变其结构，将其代谢为活性较低的物质，从而影响嗅觉信息的质量；另一种认为气味分子首先被OBPs失活，随后ODEs修饰其官能团，使其变得更亲水，从而增加化合物的溶解度并促进其降解（Rützlerand and Zwiebel, 2005; He et al., 2020）。气味降解酶是一类选择性进化酶，已知有多种酶参与这一过程，例如细胞色素P450（CYP）、羧酯酶（CXEs）、谷胱甘肽-S-转移酶（GSTs）、醛氧化酶（AOXs）和UDP-糖基转移酶（UGTs）（Younus et al., 2014）。

最早关于气味降解酶的研究是针对Antheraea Polyphemus特异性表达的酯酶ApolPDE（Vogt and Riddiford, 1981）。该酶能够在生化水平上快速降解性信息素（6E, 11Z)-hexadecadienyl acetate（Vogt et al., 1985; Ishida and Leal, 2005）。另一种特异性表达在触角中的性信息素降解酯酶PjapPDE来自Popillia japonica的触角。动力学研究表明PjapPDE参与性信息素R-japonilure的失活（Ishida and Leal, 2008）。在Drosophila中，特异性表达在雄性触角中的Esterase-6被证实是一种气味降解酶，参与调节性信息素的感觉生理和行为反应（Chertemps et al., 2012）。Spodoptera litura的羧酯酶SlitCXE7、SlitCXE10和SlitCXE13以及Spodoptera exigua的羧酯酶SexiCXE13不仅能降解性信息素成分，还能参与植物挥发物的降解（Durand et al., 2010a, Durand et al., 2010b; He et al., 2014）。细胞色素P450不仅参与内源性化合物（如幼虫激素、蜕皮酮、脂肪酸）的生长、发育、合成和代谢，还被认为参与昆虫信号失活过程（Scott et al., 1998）。1999年，Wojtasek发现Phyllopertha diversa触角中特异性表达的P450基因参与体内生物碱性信息素（1, 3-dimethyl-2, 4-(1H,3H)-quiinazolinedion）的信号失活过程（Wojtasek and Leal, 1999）。此外，Mamestra brassicae的两种P450基因（CYP4L4和CYP4S4Papilio Xuthus的成虫触角和幼虫化学感受器中高度表达的GST-pxcs1，但其在消化器官中不表达，表明该基因在化学感受器中起作用（Ono et al., 2005）。关于昆虫UGTs的研究主要集中在鳞翅目和双翅目的一些模式昆虫上。在Bombyx mori、Spodoptera littoralis和Drosophila melanogaster中发现了特异性表达在触角中的UGTs，表明它们可能参与嗅觉处理。例如，D. melanogaster第三节触角中优先表达的UGT35a和UGT35b可能与气味转化有关（Wang et al., 1999）。在S. littoralis雄性触角中高度表达的UGT40R3和UGT46A6也与嗅觉机制相关（Bozzolan et al., 2014）。醛氧化酶在生物体中普遍存在，具有多种生理和生化功能（Yang et al., 2010）。关于昆虫中AOXs的研究主要集中在它们对化学物质的降解作用上。例如，在Helicoverpa armigera的触角中，HarmAOX2在成虫触角中高度表达，能够降解性信息素成分（Z)-11-hexenal和（Z)-9-hexenal，被认为是潜在的信息素降解酶（Xu and Liao, 2017）。在Culex quinquefasciatus中，已明确醛氧化酶基因与昆虫的抗药性有关（Coleman et al., 2002）。近年来，通过研究ODEs结合的具体气味分子，提出了一种有效控制害虫的新方法。

亚洲长角甲虫（ALB）是一种对树木具有严重破坏性的蛀木害虫，其侵害的树种范围广泛且生活习性隐蔽（Keena and Moore, 2010）。其防治一直是美国、东亚和欧洲许多国家的关注焦点（Nowak et al., 2001; Straw et al., 2016）。长期以来，A. glabripennis的防治主要依赖于传统的害虫控制技术，如化学农药和诱饵树的种植，这些方法取得了一定的控制效果（Poland et al., 2006）。然而，这些方法对环境保护和成本控制有负面影响。使用含有植物挥发物或合成信息素的诱捕器是控制入侵害虫的更优方法。迄今为止，已鉴定出三种A. glabripennis的雄性信息素：4-(n-heptyloxy) butan-1-ol、4-(n-heptyloxy) butanal（Zhang et al., 2002）和（3E,6E)-α-farnesene（Crook et al., 2014）。然而，在我们的野外试验中，使用类似诱饵捕捉A. glabripennis>的效果并不理想（未发表的初步数据）。因此，要全面了解昆虫的气味检测机制，包括信号终止对嗅觉感官器官的重要性，还需要进一步研究。

尽管ODEs在嗅觉信号终止中起着关键作用——防止感官适应并维持嗅觉系统的敏感性——但在大多数害虫（包括A. glabripennis>）中，它们的功能特征仍知之甚少。深入理解ODEs不仅有助于揭示昆虫嗅觉的分子基础，还为开发新的行为控制策略提供了潜在目标（Wei et al., 2021）。干扰ODE的活性可能会阻碍气味分子的快速清除，导致受体持续受刺激，进而影响基于嗅觉的行为，如宿主定位和交配（Corcoran et al., 2023）。鉴于A. glabripennis>的生态和经济影响以及现有控制方法的局限性，鉴定和表征该物种中的ODEs是设计更有效、更环保的害虫管理工具的关键步骤。

我们的研究团队之前基于触角转录组数据鉴定了A. glabripennis的化学感应相关蛋白（Hu et al., 2016）。在此基础上，本研究重点关注A. glabripennis中的ODEs，并探讨它们在不同组织中的表达情况。这项工作补充了对甲虫嗅觉系统的持续研究，并为进一步阐明ODEs在嗅觉处理中的功能机制奠定了基础。通过研究气味降解酶在分子水平上与信息素和植物挥发物的相互作用，我们旨在为开发新的害虫管理策略提供理论依据，例如干扰昆虫的嗅觉以干扰其宿主定位和交配行为。

部分内容摘录

鉴定A. glabripennis》中编码气味降解酶相关蛋白的基因及其序列分析

通过我们研究小组的初步工作（Hu et al., 2016; Wang et al., 2019）获得的A. glabripennis》触角转录组数据，基于Non-redundant（NR）蛋白质数据库、String、Swissprot、Pfam、KEGG和GO等数据库的注释结果，鉴定出被标记为P450s、GSTs、CXEs和UGTs的基因。利用这些基因的序列编号，使用NCBI BLASTx在线工具进行了比较。

候选GSTs的鉴定和系统发育分析

我们鉴定出九个编码GSTs的转录本，其序列长度均超过630 bp。根据ORF Finder的检测结果以及BLAST比对结果，确认所有这些基因都是全长基因，因为它们包含起始和终止密码子。除了AglaGSTZ1与Pediculus humanus corporis有高BLAST匹配度外，其他基因在NCBI上的BLAST可信度最高，与鞘翅目昆虫相关（附件2：表S1）。

讨论

ODEs在气味分子的失活和降解过程中起着关键作用。它们能够在ORs被激活后迅速清除气味分子，防止受体过度刺激，从而恢复嗅觉受体的敏感性。这种恢复使昆虫能够持续响应环境中化学挥发物的变化（Kang et al., 2018）。目前，关于嗅觉化学感应蛋白（如OBPs）的研究相对丰富，

结论

本研究全面分析了ALB触角转录组中的气味降解酶（ODEs），共鉴定出97种ODEs，包括GSTs、CXEs、P450s和UGTs。通过系统发育分析探讨了它们的进化关系，并研究了这些酶在不同组织中的表达模式，以预测其功能并识别关键蛋白。分子对接实验显示这些ODEs对不同气味分子的结合亲和力各不相同，

CRediT作者贡献声明

杨欢：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、项目管理、方法学研究、概念构思。李涵：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化分析、概念构思。郝恩华：验证、软件应用。卢鹏飞：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、资源获取、资金筹措、概念构思。乔海丽：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、项目管理、格式整理

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：32371889）的支持。资助方未参与研究设计、数据收集与分析、发表决定或手稿准备。