嗅覺(jué)是動(dòng)物感受世界的重要途徑，人類逐香味而惡惡臭，動(dòng)物也是如此。而在自然界，許多昆蟲(chóng)都是天生的“嗅覺(jué)大師”，靈敏度遠(yuǎn)超人類，它們可以利用嗅覺(jué)覓食、求偶、躲避天敵、尋找產(chǎn)卵的溫床……
對(duì)人類來(lái)說(shuō)，如果能夠掌握昆蟲(chóng)利用嗅覺(jué)的密碼，那些給人類帶來(lái)災(zāi)害的害蟲(chóng)，或許能更好地防治。
通過(guò)嗅覺(jué)治蟲(chóng)并不是幻想。近日，記者從中國(guó)農(nóng)科院基因組所獲悉，我國(guó)科學(xué)家揭開(kāi)了解昆蟲(chóng)氣味受體離子通道門(mén)控機(jī)制，并順利找到綠色高效的昆蟲(chóng)嗅覺(jué)行為調(diào)控劑。該成果發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)（Science）》雜志上。
昆蟲(chóng)氣味受體離子通道門(mén)控機(jī)制的揭示，為開(kāi)發(fā)高效、綠色的行為調(diào)控劑奠定了理論基礎(chǔ)。中國(guó)農(nóng)科院基因組所供圖
嗅覺(jué)，昆蟲(chóng)的利器
視覺(jué)、味覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)……這些感官功能，把動(dòng)物和自然界連接起來(lái)，讓動(dòng)物可以直觀地感受世界。
對(duì)人類來(lái)說(shuō)，在眾多感官功能中，嗅覺(jué)可能不太引人關(guān)注，但如果缺失嗅覺(jué)，生活就可能受到嚴(yán)重的影響。而對(duì)一些特殊的昆蟲(chóng)來(lái)說(shuō)更是如此，甚至可能因此失去生存的能力。
早在2004年，就有國(guó)外科學(xué)家因發(fā)現(xiàn)哺乳動(dòng)物嗅覺(jué)受體，因此獲得諾貝爾獎(jiǎng)。10年后，昆蟲(chóng)氣味受體的存在也被揭開(kāi)。
對(duì)許多昆蟲(chóng)來(lái)說(shuō)，嗅覺(jué)是它們生存的利器。中國(guó)農(nóng)科院基因組所研究員王桂榮介紹，利用昆蟲(chóng)嗅覺(jué)靈敏的特點(diǎn)，科學(xué)家們研發(fā)出許多防治害蟲(chóng)的方法，比如研發(fā)出食誘劑；利用昆蟲(chóng)覓食的行為來(lái)捕殺害蟲(chóng)，研發(fā)出性誘劑；利用昆蟲(chóng)求偶的行為捕殺害蟲(chóng)；利用昆蟲(chóng)尋找特定植株產(chǎn)卵的行為，研發(fā)出驅(qū)避劑，防止害蟲(chóng)在農(nóng)作物上產(chǎn)卵等。
然而，這些方式并沒(méi)有真正利用到昆蟲(chóng)嗅覺(jué)發(fā)揮功能的機(jī)制。王桂榮介紹，這是因?yàn)椋谶^(guò)去，科學(xué)家們對(duì)嗅覺(jué)受體如何識(shí)別生物體內(nèi)分子的機(jī)制，仍不完全了解。
過(guò)去幾十年中，如何揭開(kāi)這一機(jī)制，并利用這一機(jī)制更好防控害蟲(chóng)，是農(nóng)業(yè)害蟲(chóng)綠色防治中的熱點(diǎn)領(lǐng)域。王桂榮和他的團(tuán)隊(duì)，一直致力于昆蟲(chóng)嗅覺(jué)受體的功能鑒定，歷經(jīng)十幾年的研究，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(chóng)嗅覺(jué)行為調(diào)控劑。
“快跑，這里有危險(xiǎn)”
昆蟲(chóng)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(chóng)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(chóng)在遇到天敵攻擊或者其他危險(xiǎn)時(shí)，會(huì)從腹管中釋放出含有報(bào)警信息素的小液滴，警告鄰近的蚜蟲(chóng)快速逃離或掉落。
這一機(jī)制成了揭開(kāi)難題的突破口。在前期工作中，王桂榮團(tuán)隊(duì)成功揭示了蚜蟲(chóng)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(chóng)精準(zhǔn)定位蚜蟲(chóng)的內(nèi)在機(jī)制，為理解昆蟲(chóng)間的相互作用提供了新的視角。
這些研究成果展示了報(bào)警信息素及其類似物，作為昆蟲(chóng)行為調(diào)控劑的巨大潛力。在隨后的研究中，科研人員借助前沿的冷凍電鏡技術(shù)，深入探究了豌豆蚜報(bào)警信息素受體復(fù)合物的結(jié)構(gòu)特性，成功解析了其不同狀態(tài)下，高分辨率冷凍電子顯微鏡結(jié)構(gòu)。
更多的研究以此展開(kāi)，科學(xué)家們更全面地理解了報(bào)警信息素受體復(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)。
據(jù)介紹，這一研究首次展示了昆蟲(chóng)OR-Orco異源復(fù)合物在獨(dú)立（封閉通道）和配體結(jié)合（開(kāi)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(chóng)氣味識(shí)別通道門(mén)控的分子機(jī)制。
研制，更高效的綠色農(nóng)藥
昆蟲(chóng)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(chóng)的長(zhǎng)期控制。以嗅覺(jué)靶標(biāo)為出發(fā)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)行為調(diào)控劑已成為當(dāng)前研究的重要方向。
王桂榮團(tuán)隊(duì)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，提供了分子基礎(chǔ)，為高效、特異性綠色昆蟲(chóng)行為調(diào)控劑的創(chuàng)制，開(kāi)辟了新的道路。同時(shí)，也為科學(xué)合理地開(kāi)發(fā)蚜蟲(chóng)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。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。
中國(guó)科學(xué)院院士康樂(lè)表示，昆蟲(chóng)氣味受體被發(fā)現(xiàn)已有二十多年，但OR-Orco復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)一直是個(gè)待解之謎。這一里程碑式的突破，為基于結(jié)構(gòu)生物學(xué)高通量篩選殺蟲(chóng)劑和驅(qū)避劑奠定了理論基礎(chǔ)。
中國(guó)工程院院士、貴州大學(xué)校長(zhǎng)宋寶安表示，創(chuàng)制靶向小分子綠色農(nóng)藥，是國(guó)際前沿研究課題，也是國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，王桂榮團(tuán)隊(duì)深入剖析了氣味受體與配體互作機(jī)制，為開(kāi)發(fā)高效、綠色的行為調(diào)控劑奠定了理論基礎(chǔ)，將顯著增強(qiáng)我國(guó)在昆蟲(chóng)行為調(diào)控劑研究領(lǐng)域的核心競(jìng)爭(zhēng)力，有望催生一批綠色、高效的昆蟲(chóng)行為調(diào)控新產(chǎn)品。
