蚜蟲 視覺(jué)中國(guó) 資料圖
昆蟲是如何感知?dú)馕兜?？又是如何做出行為反?yīng)的？是研究昆蟲化學(xué)生態(tài)學(xué)的重要課題。
北京時(shí)間2024年6月14日凌晨2時(shí)，國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)（Science）》在線發(fā)表了中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)廣東省實(shí)驗(yàn)室深圳分中心）王桂榮團(tuán)隊(duì)與華中農(nóng)業(yè)大學(xué)殷平教授團(tuán)隊(duì)、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所等單位合作完成的最新研究成果：“Structural basis for odorant recognition of the insect odorant receptor OR-Orco heterocomplex（昆蟲氣味受體 OR-Orco 異聚體識(shí)別氣味分子的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)）”，研究解析了豌豆蚜（Acyrthosiphon pisum）報(bào)警信息素受體ApOR5-Orco異源四聚體的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，揭示了氣味配體誘導(dǎo)的氣味受體離子通道門控機(jī)制，從而為針對(duì)氣味受體的新型昆蟲綠色行為調(diào)控劑的研發(fā)奠定了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
王桂榮和他的團(tuán)隊(duì)一直致力于昆蟲嗅覺(jué)受體的功能鑒定，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是找到調(diào)控昆蟲行為的氣味分子，然而，氣味分子成千上萬(wàn)，找到特定行為反應(yīng)的關(guān)鍵受體無(wú)疑是大海撈針，歷經(jīng)十幾年的研究，王桂榮和他的團(tuán)隊(duì)找到了一種高通量的方法，并成功篩選得到綠色高效的昆蟲嗅覺(jué)行為調(diào)控劑。
昆蟲依賴靈敏的嗅覺(jué)感知環(huán)境中的化學(xué)信息。在嗅覺(jué)識(shí)別的過(guò)程中，氣味受體（OR）扮演著核心角色，它們被激活后能夠?qū)⑼饨绲幕瘜W(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為生物電信號(hào)，從而介導(dǎo)昆蟲相應(yīng)的行為反應(yīng)。
報(bào)警信息素受體就是其中的一種，研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)蚜蟲在遇天敵攻擊或者其它危險(xiǎn)時(shí)，會(huì)從腹管中釋放出含有報(bào)警信息素（(E)-β-farnesene，簡(jiǎn)稱EBF ) 的小液滴，“警告”鄰近的蚜蟲快速逃離或掉落。王桂榮團(tuán)隊(duì)在前期工作中，成功揭示了蚜蟲識(shí)別報(bào)警信息素的新機(jī)制，并進(jìn)一步闡明了報(bào)警信息素如何巧妙地調(diào)控天敵昆蟲精準(zhǔn)定位蚜蟲的內(nèi)在機(jī)制，為理解昆蟲間的相互作用提供了新的視角。這些研究成果展示了EBF及其類似物作為昆蟲行為調(diào)控劑的巨大潛力。
該研究借助前沿的冷凍電鏡技術(shù)，深入探究豌豆蚜報(bào)警信息素受體ApOR5-Orco復(fù)合物的結(jié)構(gòu)特性，成功解析了ApOR5-Orco在配體結(jié)合和未結(jié)合狀態(tài)下的高分辨率冷凍電子顯微鏡結(jié)構(gòu)。
研究發(fā)現(xiàn)，僅ApOR5亞基具有配體結(jié)合能力，而ApOrco亞基則作為支撐結(jié)構(gòu)不結(jié)合配體。當(dāng)ApOR5亞基與配體結(jié)合后，其成孔螺旋S7b從孔中央向外移動(dòng)，導(dǎo)致不對(duì)稱孔開口以供離子流入。
通過(guò)單分子熒光試驗(yàn)和細(xì)胞電生理試驗(yàn)，更全面地理解ApOR5-Orco復(fù)合物的動(dòng)態(tài)組裝和功能，揭示了異源四聚體亞基化學(xué)計(jì)量的分子基礎(chǔ)。
該研究不僅首次展示了昆蟲OR-Orco異源復(fù)合物在獨(dú)立（封閉通道）和配體結(jié)合（開放通道）兩種狀態(tài)下的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，而且深入揭示了昆蟲氣味識(shí)別通道門控的分子機(jī)制。
昆蟲嗅覺(jué)行為調(diào)控劑的應(yīng)用是全球公認(rèn)的綠色防控技術(shù)，具有生物靈敏度高、選擇性強(qiáng)、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)害蟲的長(zhǎng)期控制。以嗅覺(jué)靶標(biāo)為出發(fā)點(diǎn)，開發(fā)行為調(diào)控劑已成為當(dāng)前研究的重要方向。
這一突破性的發(fā)現(xiàn)，為基于靶標(biāo)結(jié)構(gòu)的先導(dǎo)化合物篩選提供了寶貴的分子基礎(chǔ)，為高效、特異性綠色昆蟲行為調(diào)控劑的創(chuàng)制開辟了新的道路。同時(shí)，也為科學(xué)合理地開發(fā)蚜蟲綠色防控技術(shù)提供了強(qiáng)有力的理論支撐和實(shí)踐指導(dǎo)，具有重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（簡(jiǎn)稱“基因組所”）與華中農(nóng)業(yè)大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士后王意東、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)博士生邱靚和中國(guó)農(nóng)科院植保所王冰研究員為論文共同第一作者，基因組所王桂榮研究員和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)殷平教授為共同通訊作者。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)馬偉華教授、劉主教授、中國(guó)科學(xué)院武漢精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院龔洲副研究員、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)張立偉副教授和華中師范大學(xué)曹松講師等也參與了研究工作。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)校級(jí)蛋白質(zhì)平臺(tái)和電鏡中心對(duì)該工作提供了支持。冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)冷凍電鏡中心完成，該中心高永翔博士為電鏡數(shù)據(jù)收集提供了技術(shù)支持。
該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程等項(xiàng)目的資助。
