北京時間2024年6月14日，中國農業科學院深圳農業基因組研究所（簡稱“基因組所”）、華中農業大學、中國農業科學院植物保護研究所等單位聯合在《科學》上在線發表了題為“Structural basis for odorant recognition of the insect odorant receptor OR-Orco heterocomplex”的研究論文。
該研究解析了豌豆蚜Acyrthosiphon pisum 報警信息素受體Ap OR5-Orco異源四聚體的冷凍電鏡結構，揭示了氣味配體誘導的氣味受體離子通道門控機制，從而為針對氣味受體的新型昆蟲綠色行為調控劑的研發奠定了結構基礎。
基因組所與華中農業大學聯合培養博士后王意東、華中農業大學博士生邱靚和中國農科院植保所王冰研究員為論文共同第一作者，基因組所研究員王桂榮和華中農業大學教授殷平為共同通訊作者。
昆蟲嗅覺行為調控劑的應用是全球公認的綠色防控技術，具有生物靈敏度高、選擇性強、環境友好等優點，能實現害蟲的長期控制。以嗅覺靶標為出發點，開發行為調控劑已成為當前研究的重要方向。然而，利用傳統化學生態學手段篩選化合物的通量不高、組分活性低、結構不穩定等問題突出。其中，分子靶標的結構基礎是限制新型昆蟲行為調控劑研發的卡點。
新翅類昆蟲作為最龐大的昆蟲類群，其嗅覺系統核心由獨特的OR-Orco異聚體組成，展現出對配體化學信息物質高度敏感性和特異性，是非常理想的昆蟲嗅覺行為調控劑分子靶標。然而，長期以來，OR-Orco異聚體的結構基礎仍然未知。
該研究團隊在前期工作中，成功揭示了蚜蟲通過氣味受體Ap OR5-Orco特異性地識別報警信息素——反-β-法尼烯（EBF）的精確分子機制，并進一步闡明了EBF如何巧妙地調控天敵昆蟲精準定位蚜蟲的內在機制，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控劑的巨大潛力。
該研究借助前沿的冷凍電鏡技術，深入探究豌豆蚜報警信息素受體Ap OR5-Orco復合物的結構特性，成功解析了Ap OR5-Orco在配體結合和未結合狀態下的高分辨率冷凍電子顯微鏡結構。
氣味分子介導的Ap OR5-Orco異源四聚體離子通道門控機制。中國農科院供圖
研究發現，僅Ap OR5亞基具有配體結合能力，而Ap Orco亞基則作為支撐結構不結合配體。當Ap OR5亞基與配體結合后，其成孔螺旋S7b從孔中央向外移動，導致不對稱孔開口以供離子流入。
通過單分子熒光試驗和細胞電生理試驗，更全面地理解Ap OR5-Orco復合物的動態組裝和功能，揭示了異源四聚體亞基化學計量的分子基礎。
該研究不僅首次展示了昆蟲OR-Orco異源復合物在獨立（封閉通道）和配體結合（開放通道）兩種狀態下的獨特結構，而且深入揭示了昆蟲氣味識別通道門控的分子機制。
中國科學院院士、河北大學校長康樂指出，昆蟲依賴靈敏的嗅覺感知環境中的化學信息，在嗅覺識別的過程中，嗅覺受體神經膜上的氣味受體扮演著核心角色，它們能夠將外界的化學信號轉化為生物電信號，介導昆蟲相應的行為反應。與脊椎動物單個受體具有功能不同，絕大多數昆蟲特異性受體和共受體形成OR-Orco復合物，共同介導昆蟲取食、交配等重要行為反應。盡管昆蟲氣味受體被發現已有二十多年，但OR-Orco復合物的三維結構一直是個待解之謎。該項研究在國際上首次解析了昆蟲OR-Orco復合體的精細結構特性，揭示了氣味識別過程中特殊的離子通道門控機制。這一里程碑式的突破為基于結構生物學高通量篩選殺蟲劑和驅避劑奠定了理論基礎，將有力推動害蟲綠色防控新產品研發進程，為實現安全、綠色、可持續的農業生產模式提供強有力的支撐。
中國工程院院士、貴州大學校長宋寶安指出，創制靶向小分子綠色農藥是國際前沿研究課題，也是國家重大戰略需求。基于靈敏的嗅覺研發的害蟲引誘劑和驅避劑是全球公認的綠色防控技術，嗅覺受體結構未知是研發高效引誘劑和驅避劑的卡點。該研究團隊揭示了昆蟲氣味受體OR-Orco復合物的三維結構，深入剖析了氣味受體與配體互作機制，是昆蟲嗅覺編碼機制研究領域的重大突破，為開發高效、綠色的行為調控劑奠定了理論基礎，顯著增強我國在昆蟲行為調控劑研究領域的核心競爭力，有望催生一批綠色、高效的昆蟲行為調控新產品。
中國科學院外籍院士、德國馬克斯·普朗克學會化學生態學研究所研究員Bill Hansson指出，這篇論文詳細闡述了如何通過OR-Orco復合物來識別氣味分子。這是一篇具有開創性的論文。這一研究成果具有深遠的意義，因為我們對嗅覺受體如何識別生物體內分子的機制仍不完全了解。此外，他們的研究聚焦于蚜蟲這一重要的農業害蟲，這些發現對農業害蟲防控具有潛在的應用價值。
該研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、深圳市科技計劃項目、中國農業科學院農業科技創新工程等項目的資助。
相關論文信息：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn6881
