王桂榮團隊破解昆蟲氣味受體離子通道門控機制

蚜蟲  視覺中國 資料圖

昆蟲是如何感知氣味的？又是如何做出行為反應的？是研究昆蟲化學生態學的重要課題。

北京時間2024年6月14日凌晨2時，國際頂級學術期刊《科學（Science）》在線發表了中國農業科學院深圳農業基因組研究所（嶺南現代農業廣東省實驗室深圳分中心）王桂榮團隊與華中農業大學殷平教授團隊、中國農業科學院植物保護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 異聚體識別氣味分子的結構基礎）”，研究解析了豌豆蚜（Acyrthosiphon pisum）報警信息素受體ApOR5-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。

王桂榮和他的團隊一直致力于昆蟲嗅覺受體的功能鑒定，簡單來說，就是找到調控昆蟲行為的氣味分子，然而，氣味分子成千上萬，找到特定行為反應的關鍵受體無疑是大海撈針，歷經十幾年的研究，王桂榮和他的團隊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行為調控劑。

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，氣味受體（OR）扮演著核心角色，它們被激活后能夠將外界的化學信號轉化為生物電信號，從而介導昆蟲相應的行為反應。

報警信息素受體就是其中的一種，研究發現，大多數蚜蟲在遇天敵攻擊或者其它危險時，會從腹管中釋放出含有報警信息素（(E)-β-farnesene，簡稱EBF ) 的小液滴，“警告”鄰近的蚜蟲快速逃離或掉落。王桂榮團隊在前期工作中，成功揭示了蚜蟲識別報警信息素的新機制，并進一步闡明了報警信息素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ApOR5-Orco復合物的結構特性，成功解析了ApOR5-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。

研究發現，僅ApOR5亞基具有配體結合能力，而ApOrco亞基則作為支撐結構不結合配體。當ApOR5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ApOR5-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。

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。

這一突破性的發現，為基于靶標結構的先導化合物篩選提供了寶貴的分子基礎，為高效、特異性綠色昆蟲行為調控劑的創制開辟了新的道路。同時，也為科學合理地開發蚜蟲綠色防控技術提供了強有力的理論支撐和實踐指導，具有重要的科學意義和實際應用價值。

中國農業科學院深圳農業基因組研究所（簡稱“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，基因組所王桂榮研究員和華中農業大學殷平教授為共同通訊作者。華中農業大學馬偉華教授、劉主教授、中國科學院武漢精密測量科學與技術創新研究院龔洲副研究員、中國農業大學張立偉副教授和華中師范大學曹松講師等也參與了研究工作。華中農業大學校級蛋白質平臺和電鏡中心對該工作提供了支持。冷凍電鏡數據收集在中國科學技術大學冷凍電鏡中心完成，該中心高永翔博士為電鏡數據收集提供了技術支持。

該研究得到了國家重點研發計劃、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。

（原標題：王桂榮團隊破解昆蟲氣味受體離子通道門控機制，研究成果由《科學》在線發表）