夏日必備驅(qū)蚊劑，大多依靠氣味驅(qū)逐蚊蟲，這種靈敏度高、選擇性強(qiáng)、環(huán)境友好的方法也被科學(xué)家看上了——他們想用此來(lái)對(duì)付田間害蟲。
然而，小分子化合物千千萬(wàn)，哪一款才是害蟲的“真愛(ài)”亦或“真臭”？雖然昆蟲識(shí)別氣味的受體基因已經(jīng)找到，但是這些受體如何與氣味進(jìn)行結(jié)合，成為近幾十年來(lái)的全球性未解難題。
蚜蟲。中國(guó)農(nóng)科院供圖
6月14日，《科學(xué)》在線發(fā)表了中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（大鵬灣實(shí)驗(yàn)室）（以下簡(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)合完成的最新研究論文。該研究在全球首次解析了蚜蟲報(bào)警信息素受體的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，揭示了氣味受體離子通道門控機(jī)制，為基于氣味受體結(jié)構(gòu)高通量篩選新型綠色昆蟲行為調(diào)控劑奠定了基礎(chǔ)。
中國(guó)工程院院士、貴州大學(xué)校長(zhǎng)宋寶安指出，這是昆蟲嗅覺(jué)編碼機(jī)制研究領(lǐng)域的重大突破，為開(kāi)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。
中國(guó)科學(xué)院院士、河北大學(xué)校長(zhǎng)康樂(lè)認(rèn)為，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。
從“臭”名昭著到“真香”
1999年，王桂榮考上中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所（以下簡(jiǎn)稱植保所）博士生，成為中國(guó)工程院院士郭予元的學(xué)生。
“我的師兄師姐當(dāng)時(shí)在用傳統(tǒng)化學(xué)生態(tài)學(xué)手段篩選小分子化合物，從中尋找可能的昆蟲行為調(diào)控劑。”論文共同通訊作者、基因組所研究員王桂榮回憶說(shuō)，這種實(shí)驗(yàn)每次把一種揮發(fā)性小分子化合物釋放到活體昆蟲的環(huán)境中，觀察昆蟲對(duì)其的喜惡。如果昆蟲特別喜歡或特別不喜歡，那么這種化合物有可能成為綠色標(biāo)靶農(nóng)藥的備選。
實(shí)驗(yàn)聽(tīng)起來(lái)似乎不難，但是往往聞起來(lái)讓人受不了。因?yàn)楹芏鄵]發(fā)性小分子有特殊的氣味，重復(fù)性的昆蟲行為測(cè)定實(shí)驗(yàn)也讓人感覺(jué)很枯燥，這讓很多研究者望而卻步，研究進(jìn)展很慢。
“小分子化合物有幾十萬(wàn)種，利用傳統(tǒng)的方法，一個(gè)實(shí)驗(yàn)室通常一年也就篩選幾百個(gè)。”王桂榮說(shuō)，他希望利用現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)結(jié)合昆蟲化學(xué)生態(tài)學(xué)的研究加快昆蟲行為調(diào)控劑的研發(fā)進(jìn)程。
他的導(dǎo)師郭予元團(tuán)隊(duì)一直從事生態(tài)學(xué)研究，但非常支持王桂榮用分子生物學(xué)，來(lái)探尋昆蟲行為調(diào)控劑高通量篩選方法，盡管這在當(dāng)時(shí)是很昂貴的研究手段。
然而20年前，國(guó)內(nèi)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和技術(shù)水平都不足以支持王桂榮的想法。就這樣，學(xué)植保的王桂榮申請(qǐng)到了美國(guó)一所以醫(yī)科著稱的大學(xué)（范德比特大學(xué)）工作。
恰恰在2004年，Linda Buck和Richard Axel因發(fā)現(xiàn)哺乳動(dòng)物嗅覺(jué)受體而榮獲諾貝爾獎(jiǎng)，激勵(lì)了科研人員對(duì)動(dòng)物氣味受體編碼機(jī)制的研究。在范德比特大學(xué)工作期間，王桂榮建立了非洲爪蟾卵母細(xì)胞結(jié)合雙電極電壓鉗研究平臺(tái)，用于解碼昆蟲氣味受體的功能，他還研究了岡比亞按蚊基因組編碼的所有79個(gè)氣味受體的功能。
與同事合作，王桂榮以重要的氣味受體為靶標(biāo)，篩選了范德比特大學(xué)醫(yī)學(xué)中心化合物庫(kù)中的15萬(wàn)種分子，找到了很多針對(duì)蚊子有引誘和驅(qū)避作用的活性化合物。
2011年，王桂榮回到植保所成立昆蟲功能基因組學(xué)研究組，擔(dān)任課題組長(zhǎng)。彼時(shí)，基因組學(xué)新技術(shù)興起和廣泛應(yīng)用，分子生物學(xué)進(jìn)一步發(fā)展，越來(lái)越多的科學(xué)家開(kāi)始采用新方法研究昆蟲對(duì)氣味的識(shí)別機(jī)制，一方面是昆蟲靈敏嗅覺(jué)的奧秘引人注目，同時(shí)也想籍此找到新的高通量篩選昆蟲行為調(diào)控劑的方法。于是該領(lǐng)域躍升為科學(xué)家關(guān)注的“真香”領(lǐng)域。
“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(jué)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)，而嗅覺(jué)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)。”宋寶安說(shuō)。
如何從十幾萬(wàn)到幾十？
當(dāng)國(guó)際上還在專注于模式昆蟲，例如果蠅的氣味受體研究時(shí)，王桂榮已經(jīng)開(kāi)始了針對(duì)農(nóng)業(yè)害蟲氣味受體的應(yīng)用基礎(chǔ)性研究工作。
目標(biāo)很明確，但擺在面前的卻有兩大難題。
“我們當(dāng)時(shí)已經(jīng)做了大量嗅覺(jué)受體基因的功能，篩選獲得了多種重要農(nóng)業(yè)害蟲的關(guān)鍵嗅覺(jué)受體基因，但面臨的核心問(wèn)題是國(guó)內(nèi)沒(méi)有小分子化合物的實(shí)體庫(kù)，無(wú)法基于氣味受體的功能進(jìn)行大規(guī)模的篩選。”王桂榮說(shuō)，要把幾十萬(wàn)種小分子化合物全部買回來(lái)也不現(xiàn)實(shí)，只能另辟蹊徑。
目前商業(yè)化的化合物虛擬庫(kù)有幾十萬(wàn)種化合物。“如果能有辦法從幾十萬(wàn)種化合物中篩選出幾十個(gè)上百個(gè)行為調(diào)控劑候選分子，再去逐一做昆蟲行為學(xué)篩選，倒是可行的。”盡管這像大海撈針那么難，但王桂榮想要找到一種高通量篩選的方法對(duì)虛擬庫(kù)中的化合物進(jìn)行快速的初步篩選。
這需要解決兩個(gè)關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題：首先是要從近百個(gè)氣味受體中鑒定出控制特定行為的關(guān)鍵氣味受體，建立氣味受體與昆蟲行為的關(guān)系；其次是要解析這些關(guān)鍵氣味受體的三維結(jié)構(gòu)，才能通過(guò)分子對(duì)接、機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)行智能化高通量篩選。
過(guò)去20年間，王桂榮團(tuán)隊(duì)已經(jīng)找到了系列調(diào)控昆蟲特定行為的關(guān)鍵基因，例如哪些嗅覺(jué)受體基因介導(dǎo)了昆蟲尋找寄主、配偶、產(chǎn)卵場(chǎng)所或逃避敵害等關(guān)鍵行為。接下來(lái)，解決這些關(guān)鍵氣味受體的三維結(jié)構(gòu)就成為了問(wèn)題的關(guān)鍵。
昆蟲依賴靈敏的嗅覺(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，嗅覺(jué)受體神經(jīng)元樹(shù)突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)。
康樂(lè)介紹，與脊椎動(dòng)物單個(gè)氣味受體具有功能不同，絕大多數(shù)昆蟲特異性受體要和共受體形成OR-Orco復(fù)合物才能發(fā)揮功能。因此，昆蟲氣味受體展現(xiàn)出對(duì)配體化學(xué)信息物質(zhì)高度敏感性和特異性，共同介導(dǎo)昆蟲取食、交配等重要行為反應(yīng)，是非常理想的昆蟲嗅覺(jué)行為調(diào)控劑分子靶標(biāo)。盡管昆蟲氣味受體被發(fā)現(xiàn)已有20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。
“如果破解了氣味受體的三維結(jié)構(gòu)，就能用計(jì)算機(jī)模型匹配小分子化合物和昆蟲氣味受體，判斷二者是否會(huì)發(fā)生互相作用，這樣的方法可以實(shí)現(xiàn)快速高效的篩選。”王桂榮說(shuō)。
此前，有人利用人工智能方法預(yù)測(cè)了昆蟲氣味受體的三維結(jié)構(gòu)，但準(zhǔn)確率不高。王桂榮認(rèn)為，要想研發(fā)真正有用的產(chǎn)品，投放于市場(chǎng)，必須解析氣味受體的精確三維結(jié)構(gòu)。
四年前，王桂榮和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)教授、論文共同通訊作者殷平相識(shí)。殷平長(zhǎng)期從事蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的研究，對(duì)殷平來(lái)說(shuō)，昆蟲氣味受體是一個(gè)嶄新的領(lǐng)域。但對(duì)科學(xué)未知的好奇驅(qū)動(dòng)著他們一起攻克氣味受體的三維結(jié)構(gòu)難題。
綠色新型農(nóng)藥在路上
“我是很欣然的接受了這個(gè)課題。”論文第一作者、基因組所與華中農(nóng)業(yè)大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士后王意東說(shuō)，但他完全沒(méi)有考慮到這個(gè)課題差點(diǎn)讓他無(wú)法博士后出站。
王意東在殷平課題組做科研助理期間研究的是植物的光受體結(jié)構(gòu)。當(dāng)殷平告訴他這項(xiàng)工作是以植物和昆蟲的關(guān)系為題時(shí)，他立刻去查文獻(xiàn)翻資料，感覺(jué)這是一個(gè)“寶庫(kù)”，可以挖掘的東西很多。
就這樣，王意東的博士后課題選定了全球難題——昆蟲氣味受體的三維結(jié)構(gòu)解析。
“昆蟲氣味受體是一個(gè)異源四聚體結(jié)構(gòu)。其三維結(jié)構(gòu)之所以難以解析，是由于它需要和共受體結(jié)合才能發(fā)揮作用，而這提高了蛋白表達(dá)的難度，也就很難利用冷凍電鏡解析它的結(jié)構(gòu)。”殷平說(shuō)。
機(jī)會(huì)總是給有準(zhǔn)備的人。
王桂榮的研究團(tuán)隊(duì)在前期工作中研究了多種重大農(nóng)業(yè)害蟲的近200多個(gè)氣味受體的功能。其中一個(gè)有趣的發(fā)現(xiàn)是，豌豆蚜在遇到外界威脅的時(shí)候會(huì)釋放一種化合物，告訴附近的同類“這里有危險(xiǎn)！你們趕快跑！”這種化合物就是報(bào)警信息素反—β—法尼烯（EBF）。
他們揭示了多種蚜蟲通過(guò)保守的氣味受體ApOR5-Orco特異性地識(shí)別報(bào)警信息素，并進(jìn)一步闡明了報(bào)警信息素如何巧妙地調(diào)控天敵昆蟲精準(zhǔn)定位蚜蟲的嗅覺(jué)機(jī)制。“報(bào)警信息素及其類似物的受體在蚜蟲這類重大害蟲中高度保守，作為昆蟲行為調(diào)控劑的潛力巨大。”王桂榮說(shuō)。
殷平說(shuō)，因?yàn)橐阎藞?bào)警信息素和豌豆蚜氣味受體之間的互作關(guān)系，這給他們的研究確定了一個(gè)比較明確的方向，不過(guò)困難依然存在。十多年來(lái)，國(guó)際上多個(gè)實(shí)驗(yàn)室試圖解析OR-Orco復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)，都沒(méi)有取得成功。其中最主要困難是如何獲得足量的均一化的OR-Orco蛋白復(fù)合物。
“我們篩選了100多個(gè)昆蟲氣味受體OR-Orco復(fù)合物，很巧的是，發(fā)現(xiàn)報(bào)警信息素受體復(fù)合物ApOR5-Orco的表達(dá)量比較高，容易獲得純度高的蛋白質(zhì)。”共同第一作者邱靚說(shuō)。
四聚體的四個(gè)部分“長(zhǎng)相”接近，究竟他們?cè)谌S結(jié)構(gòu)中以什么比例存在一直是科學(xué)家好奇的。此前有預(yù)測(cè)認(rèn)為，四聚體中有兩種結(jié)構(gòu)，它們以2:2的比例存在于四聚體中。但究竟“真相”如何尚不可知。
其次，盡管已知報(bào)警信息素和氣味受體之間的關(guān)系，但并不能保證精準(zhǔn)地“抓到”二者結(jié)合在一起的瞬間。
“我們?cè)嚵撕芏噢k法，最終抓到了它們?cè)陟o息狀態(tài)和激活狀態(tài)下的獨(dú)特三維結(jié)構(gòu)。”王意東說(shuō)。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，四聚體中僅ApOR5亞基具有與報(bào)警信息素結(jié)合的能力，而ApOrco亞基則作為支撐結(jié)構(gòu)。當(dāng)ApOR5亞基與報(bào)警信息素結(jié)合后，四聚體的不對(duì)稱孔打開(kāi)一個(gè)口子，供離子流入，并影響下游的行為。
“論文投出去以后審回修改就經(jīng)歷了一年多時(shí)間。”王桂榮說(shuō)，博士后出站有時(shí)間限制。如果是其他人，也許會(huì)選擇發(fā)一篇論文就出站了，但是王意東堅(jiān)持要把問(wèn)題搞透。經(jīng)過(guò)多少個(gè)節(jié)假日的加班加點(diǎn)，他們補(bǔ)充了大量必要的試驗(yàn)，交給論文評(píng)審人的回復(fù)長(zhǎng)達(dá)幾十頁(yè)，這篇論文終于在王意東出站前完成了。
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說(shuō)，這一具有開(kāi)創(chuàng)性的論文成果具有深遠(yuǎn)的意義，因?yàn)槿藗儗?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。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。
王桂榮說(shuō)，他們已經(jīng)建立了昆蟲行為調(diào)控劑高通量篩選平臺(tái)，下一步將利用這次研究成果研發(fā)針對(duì)氣味受體的新型綠色農(nóng)藥。“但是所有這些工作的核心是需要準(zhǔn)確的氣味受體三維結(jié)構(gòu)。我們的工作將給今后的受體組合篩選提供科學(xué)的借鑒。”王桂榮說(shuō)。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/science.adn6881
