當我們深吸一口氣，鼻子的靈敏感受器會捕捉到各種氣味，而昆蟲也依賴這種神奇的嗅覺能力來感知環(huán)境。不同于人類的簡單判斷，昆蟲通過氣味來尋找食物、避免天敵，甚至尋找伴侶。那么，它們是如何做到這一切的呢？
6月14日，國際頂級學術期刊《科學（Science）》在線發(fā)表了中國農業(yè)科學院深圳農業(yè)基因組研究所（嶺南現(xiàn)代農業(yè)廣東省實驗室深圳分中心）王桂榮團隊與華中農業(yè)大學殷平教授團隊、中國農業(yè)科學院植物保護研究所等單位合作完成的最新研究成果：“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(fā)奠定了結構基礎。
報警信息素：“快跑！這里有危險”
昆蟲依賴靈敏的嗅覺感知環(huán)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(fā)現(xiàn)，大多數(shù)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(tài)下的高分辨率冷凍電子顯微鏡結構。
研究發(fā)現(xiàn)，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(tài)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(tài)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。
研制更高效的綠色農藥
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(huán)境友好等優(yōu)點，能實現(xiàn)害蟲的長期控制。以嗅覺靶標為出發(fā)點，開發(fā)行為調控劑已成為當前研究的重要方向。
這一突破性的發(fā)現(xiàn)，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(chuàng)制開辟了新的道路。同時，也為科學合理地開發(fā)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。
專家點評
中國科學院院士、美國科學院外籍院士康樂：
昆蟲依賴靈敏的嗅覺感知環(huán)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(shù)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(fā)現(xiàn)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(fā)進程，為實現(xiàn)安全、綠色、可持續(xù)的農業(yè)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：
創(chuàng)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(zhàn)略需求?；陟`敏的嗅覺研發(fā)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(fā)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(fā)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。
歐洲科學院院士、中國科學院外籍院士Bill Hansson：
2004年，Linda Buck和Richard Axel因發(fā)現(xiàn)哺乳動物嗅覺受體而榮獲諾貝爾獎。十年后，Leslie Vosshall及其他團隊進一步揭示了昆蟲氣味受體的存在。隨后，人們認識到這些昆蟲氣味受體需要與共受體結合，才能高效地發(fā)揮其功能。如今，深圳農業(yè)基因組研究所的王桂榮實驗室與武漢華中農業(yè)大學的殷平教授團隊在《科學》雜志上聯(lián)合發(fā)表了一篇論文，詳細闡述了如何通過OR-Orco復合物來識別氣味分子。這篇具有開創(chuàng)性的論文的第一作者是王意東和邱靚等人。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(yè)害蟲，這些發(fā)現(xiàn)對農業(yè)害蟲防控具有潛在的應用價值。我們衷心祝賀王桂榮和殷平團隊所取得的成就，并期待他們未來能取得更大的成功。
