在“臭”名昭著的领域大海捞针，他们取得里程碑进展！
夏⽇必备的驱蚊剂⼤多依靠⽓味驱逐蚊⾍。这种灵敏度⾼、选择性强、环境友好的⽅法也被科学家看上了，他们想以此对付⽥间害⾍。然⽽，⼩分⼦化合物千千万，哪⼀款才是害⾍的“真爱”抑或“最怕”？虽然昆⾍识别⽓味的受体基因已经找到，但是这些受体如何与⽓味相结合，仍是近⼏⼗年来的全球性未解难题。
近⽇，《科学》在线发表了中国农业科学院深圳农业基因组研究所（以下简称基因组所）、华中农业⼤学、中国农业科学院植物保护研究所（以下简称植保所）等单位联合完成的最新研究论⽂。该研究在全球⾸次解析了蚜⾍报警信息素受体的冷冻电镜结构，揭示了⽓味受体离⼦通道⻔控机制，为基于⽓味受体结构⾼通量筛选新型绿⾊昆⾍⾏为调控剂奠定了基础。
中国⼯程院院⼠宋宝安指出，这是昆⾍嗅觉编码机制研究领域的重⼤突破，为开发⾼效、绿⾊的⾏为调控剂奠定了理论基础，显著增强了我国在昆⾍⾏为调控剂研究领域的核⼼竞争⼒。中国科学院院⼠康乐认为，这⼀⾥程碑式的突破为基于结构⽣物学⾼通量筛选杀⾍剂和驱避剂奠定了理论基础，将有⼒推动害⾍绿⾊防控新产品研发进程，为实现安全、绿⾊、可持续的农业⽣产模式提供强有⼒的⽀撑。
1999年，王桂荣考上植保所博⼠⽣，成为中国⼯程院院⼠郭予元的学⽣。“我的师兄、师姐当时在⽤传统化学⽣态学⼿段筛选⼩分⼦化合物，从中寻找可能的昆⾍⾏为调控剂。”论⽂共同通讯作者、基因组所研究员王桂荣回忆说，这种实验每次释放⼀种挥发性⼩分⼦化合物，观察昆⾍对其的好恶。如果昆⾍特别喜欢或特别不喜欢，那么这种化合物有可能成为绿⾊标靶农药的备选。
实验听起来似乎不难，但是闻起来往往让⼈受不了。
因为很多挥发性⼩分⼦有特殊的⽓味，重复性的昆⾍⾏为测定实验也让⼈感觉很枯燥，这让很多研究者望⽽却步，所以研究进展缓慢。王桂荣希望利⽤现代分⼦⽣物学技术结合昆⾍化学⽣态学研究，加快昆⾍⾏为调控剂的研发进程。导师郭予元⾮常⽀持王桂荣，然⽽20年前，国内的实验平台和技术⽔平都不⾜以⽀持他的想法。就这样，学植保的王桂荣申请到美国⼀所以医科著称的⼤学——范德⽐尔特⼤学⼯作。
在范德⽐尔特⼤学⼯作期间，王桂荣建⽴了⾮洲⽖蟾卵⺟细胞结合双电极电压钳研究平台，⽤于解码昆⾍⽓味受体的功能。他还研究了冈⽐亚按蚊基因组编码的所有79个⽓味受体的功能。与同事合作，王桂荣以重要的⽓味受体为靶标，筛选了范德⽐尔特⼤学医学中⼼化合物库中的15万种分⼦，找到了很多对蚊⼦有引诱和驱避作⽤的活性化合物。2011年，王桂荣回到植保所成⽴昆⾍功能基因组学研究组，并担任课题组⻓。
彼时，基因组学技术兴起并被⼴泛应⽤，分⼦⽣物学进⼀步发展，越来越多的科学家开始采⽤新⽅法研究昆⾍对⽓味的识别机制，该领域跃升为科学家关注的“真⾹”领域。
“创制靶向⼩分⼦绿⾊农药是国际前沿的研究课题，也是国家重⼤战略需求。基于灵敏的嗅觉研发的害⾍引诱剂和驱避剂是全球公认的绿⾊防控技术，⽽嗅觉受体结构未知，是研发⾼效引诱剂和驱避剂的卡点。”宋宝安说。如何从⼗⼏万到⼏⼗？
“我们已经研究了⼤量嗅觉受体基因的功能，筛选获得了多种重要农业害⾍的关键嗅觉受体基因，但⾯临的核⼼问题是国内没有⼩分⼦化合物的实体库，⽆法基于⽓味受体的功能进⾏⼤规模筛选。”王桂荣说，要把⼏⼗万种⼩分⼦化合物全部买回来也不现实，只能另辟蹊径。
“如果能从⼏⼗万种化合物中筛选出⼏⼗、上百个⾏为调控剂候选分⼦，再逐⼀做昆⾍⾏为学筛选，倒是可⾏的。”尽管这像⼤海捞针，但王桂荣试图找到⼀种⾼通量筛选⽅法，以对化合物进⾏快速的初步筛选。这需要解决两个关键的科学问题：⾸先要从近百个⽓味受体中鉴定出控制特定⾏为的关键⽓味受体，建⽴⽓味受体与昆⾍⾏为的关系；其次要解析这些关键⽓味受体的三维结构，这样才能通过分⼦对接、机器学习进⾏智能化⾼通量筛选。
通过此前的研究，王桂荣团队已经找到了系列调控昆⾍特定⾏为的关键基因，例如哪些嗅觉受体基因介导了昆⾍寻找寄主、配偶、产卵场所或逃避敌害等关键⾏为。接下来，解析这些关键⽓味受体的三维结构就成为了问题的关键。昆⾍依赖灵敏的嗅觉感知环境中的化学信息。在嗅觉识别过程中，嗅觉受体神经元树突膜上的⽓味受体扮演着核⼼⻆⾊，它们能够将外界的化学信号转化为⽣物电信号，介导昆⾍相应的⾏为反应。
康乐介绍，与脊椎动物单个⽓味受体具有功能不同，绝⼤多数昆⾍的特异性受体要和共受体形成OR-Orco复合物才能发挥功能。尽管昆⾍⽓味受体已被发现20多年，但OR-Orco复合物的三维结构⼀直是个待解之谜。“如果破解了⽓味受体的三维结构，就能⽤计算机模型匹配⼩分⼦化合物和昆⾍⽓味受体，判断⼆者是否会发⽣互相作⽤，这样就可以实现快速、⾼效的筛选。”王桂荣说。
4年前，王桂荣和论⽂共同通讯作者、华中农业⼤学教授殷平相识。殷平⻓期从事蛋⽩质空间结构的研究。对殷平来说，昆⾍⽓味受体是⼀个崭新领域，但对科学未知的好奇驱使着他和合作者们⼀起攻克⽓味受体的三维结构难题。绿⾊新型农药在路上“昆⾍⽓味受体是⼀个异源四聚体结构。其三维结构之所以难以解析，是因为它需要和共受体结合才能发挥作⽤，⽽这增加了蛋⽩表达的难度，因此很难利⽤冷冻电镜解析它的结构。”殷平说。
机会总是留给有准备的⼈。在前期⼯作中，王桂荣团队有⼀个有趣的发现——豌⾖蚜在遇到外界威胁时会释放⼀种化合物，告诉附近的同类“这⾥有危险，你们赶快跑”，这种化合物就是报警信息素反-β-法尼烯。他们揭示了多种蚜⾍通过保守的⽓味受体ApOR5-Orco特异性地识别报警信息素，并进⼀步阐明了报警信息素如何巧妙地调控天敌昆⾍精准定位蚜⾍的嗅觉机制。
“报警信息素及类似物的受体在蚜⾍这类重⼤害⾍中⾼度保守，作为昆⾍⾏为调控剂的潜⼒巨⼤。”王桂荣说。在殷平看来，已知的报警信息素和豌⾖蚜⽓味受体之间的互作关系，给研究确定了⼀个⽐较明确的⽅向，不过困难依然存在。10多年来，国际上多个实验室试图解析OR-Orco复合物的三维结构，但都没有取得成功，其中最主要的困难是如何获得⾜量的均⼀化的OR-Orco蛋⽩复合物。
为此，研究⼈员筛选了100多个昆⾍⽓味受体OR-Orco复合物。巧的是，他们发现报警信息素受体复合物ApOR5-Orco的表达量⽐较⾼，容易获得纯度⾼的蛋⽩质。四聚体的4个部分“⻓相”接近，究竟它们在三维结构中以什么⽐例存在？“我们试了很多办法，最终‘抓到’了它们在静息状态和激活状态下的独特三维结构。”论⽂第⼀作者、基因组所与华中农业⼤学联合培养博⼠后王意东说。
结果发现，四聚体中仅ApOR5亚基具有与报警信息素结合的能⼒，⽽ApOrco亚基则作为⽀撑结构。当ApOR5亚基与报警信息素结合后，四聚体的不对称孔打开⼀个⼝⼦，供离⼦流⼊，并影响下游的⾏为。中国科学院外籍院⼠、德国⻢克斯·普朗克学会化学⽣态学研究所研究员Bill Hansson说，这⼀具有开创性的论⽂成果具有深远意义，因为⼈们对嗅觉受体如何识别⽣物体内分⼦的机制不完全了解。
此外，研究聚焦于蚜⾍这⼀重要的农业害⾍，这些发现对农业害⾍防控具有潜在的应⽤价值。
王桂荣说，他们已经建⽴了昆⾍⾏为调控剂⾼通量筛选平台，下⼀步将利⽤这次研究成果研发针对⽓味受体的新型绿⾊农药。“不过，这些⼯作的核⼼是准确的⽓味受体三维结构。我们的⼯作将为今后的受体组合筛选提供科学借鉴。”相关论⽂信息：https://doi.org/10.1126/science.adn6881《中国科学报》(2024-06-18第1版要闻)编辑|赵路排版|志海