北京時(shí)間2024年6月14日，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”）、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所等單位聯(lián)合在《科學(xué)》上在線發(fā)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(bào)警信息素受體Ap OR5-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)。
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，基因組所研究員王桂榮和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)教授殷平為共同通訊作者。
昆蟲嗅覺行為調(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。然而，利用傳統(tǒng)化學(xué)生態(tài)學(xué)手段篩選化合物的通量不高、組分活性低、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等問題突出。其中，分子靶標(biāo)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是限制新型昆蟲行為調(diào)控劑研發(fā)的卡點(diǎn)。
新翅類昆蟲作為最龐大的昆蟲類群，其嗅覺系統(tǒng)核心由獨(dú)特的OR-Orco異聚體組成，展現(xiàn)出對(duì)配體化學(xué)信息物質(zhì)高度敏感性和特異性，是非常理想的昆蟲嗅覺行為調(diào)控劑分子靶標(biāo)。然而，長(zhǎng)期以來，OR-Orco異聚體的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)仍然未知。
該研究團(tuán)隊(duì)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(shí)別報(bào)警信息素——反-β-法尼烯（EBF）的精確分子機(jī)制，并進(jìn)一步闡明了EBF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Ap OR5-Orco復(fù)合物的結(jié)構(gòu)特性，成功解析了Ap OR5-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)。
氣味分子介導(dǎo)的Ap OR5-Orco異源四聚體離子通道門控機(jī)制。中國(guó)農(nóng)科院供圖
研究發(fā)現(xiàn)，僅Ap OR5亞基具有配體結(jié)合能力，而Ap Orco亞基則作為支撐結(jié)構(gòu)不結(jié)合配體。當(dāng)Ap OR5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。
通過單分子熒光試驗(yàn)和細(xì)胞電生理試驗(yàn)，更全面地理解Ap OR5-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。
中國(guó)科學(xué)院院士、河北大學(xué)校長(zhǎng)康樂指出，昆蟲依賴靈敏的嗅覺感知環(huán)境中的化學(xué)信息，在嗅覺識(shí)別的過程中，嗅覺受體神經(jīng)膜上的氣味受體扮演著核心角色，它們能夠?qū)⑼饨绲幕瘜W(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為生物電信號(hào)，介導(dǎo)昆蟲相應(yīng)的行為反應(yīng)。與脊椎動(dòng)物單個(gè)受體具有功能不同，絕大多數(shù)昆蟲特異性受體和共受體形成OR-Orco復(fù)合物，共同介導(dǎo)昆蟲取食、交配等重要行為反應(yīng)。盡管昆蟲氣味受體被發(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。該項(xiàng)研究在國(guó)際上首次解析了昆蟲OR-Orco復(fù)合體的精細(xì)結(jié)構(gòu)特性，揭示了氣味識(shí)別過程中特殊的離子通道門控機(jī)制。這一里程碑式的突破為基于結(jié)構(gòu)生物學(xué)高通量篩選殺蟲劑和驅(qū)避劑奠定了理論基礎(chǔ)，將有力推動(dòng)害蟲綠色防控新產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)程，為實(shí)現(xiàn)安全、綠色、可持續(xù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式提供強(qiáng)有力的支撐。
中國(guó)工程院院士、貴州大學(xué)校長(zhǎng)宋寶安指出，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。基于靈敏的嗅覺研發(fā)的害蟲引誘劑和驅(qū)避劑是全球公認(rèn)的綠色防控技術(shù)，嗅覺受體結(jié)構(gòu)未知是研發(fā)高效引誘劑和驅(qū)避劑的卡點(diǎn)。該研究團(tuán)隊(duì)揭示了昆蟲氣味受體OR-Orco復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)，深入剖析了氣味受體與配體互作機(jī)制，是昆蟲嗅覺編碼機(jī)制研究領(lǐng)域的重大突破，為開發(fā)高效、綠色的行為調(diào)控劑奠定了理論基礎(chǔ)，顯著增強(qiáng)我國(guó)在昆蟲行為調(diào)控劑研究領(lǐng)域的核心競(jìng)爭(zhēng)力，有望催生一批綠色、高效的昆蟲行為調(diào)控新產(chǎn)品。
中國(guó)科學(xué)院外籍院士、德國(guó)馬克斯·普朗克學(xué)會(huì)化學(xué)生態(tài)學(xué)研究所研究員Bill Hansson指出，這篇論文詳細(xì)闡述了如何通過OR-Orco復(fù)合物來識(shí)別氣味分子。這是一篇具有開創(chuàng)性的論文。這一研究成果具有深遠(yuǎn)的意義，因?yàn)槲覀儗?duì)嗅覺受體如何識(shí)別生物體內(nèi)分子的機(jī)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(nóng)業(yè)害蟲，這些發(fā)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)害蟲防控具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
該研究得到國(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。
相關(guān)論文信息：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn6881
