嗅覺是動(dòng)物感受世界的重要途徑,人類逐香味而惡惡臭,動(dòng)物也是如此。而在自然界,許多昆蟲都是天生的“嗅覺大師”,靈敏度遠(yuǎn)超人類,它們可以利用嗅覺覓食、求偶、躲避天敵、尋找產(chǎn)卵的溫床……
對(duì)人類來說,如果能夠掌握昆蟲利用嗅覺的密碼,那些給人類帶來災(zāi)害的害蟲,或許能更好地防治。
通過嗅覺治蟲并不是幻想。近日,記者從中國(guó)農(nóng)科院基因組所獲悉,我國(guó)科學(xué)家揭開了解昆蟲氣味受體離子通道門控機(jī)制,并順利找到綠色高效的昆蟲嗅覺行為調(diào)控劑。該成果發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)(Science)》雜志上。
昆蟲氣味受體離子通道門控機(jī)制的揭示,為開發(fā)高效、綠色的行為調(diào)控劑奠定了理論基礎(chǔ)。中國(guó)農(nóng)科院基因組所供圖
嗅覺,昆蟲的利器
視覺、味覺、觸覺、嗅覺……這些感官功能,把動(dòng)物和自然界連接起來,讓動(dòng)物可以直觀地感受世界。
對(duì)人類來說,在眾多感官功能中,嗅覺可能不太引人關(guān)注,但如果缺失嗅覺,生活就可能受到嚴(yán)重的影響。而對(duì)一些特殊的昆蟲來說更是如此,甚至可能因此失去生存的能力。
早在2004年,就有國(guó)外科學(xué)家因發(fā)現(xiàn)哺乳動(dòng)物嗅覺受體,因此獲得諾貝爾獎(jiǎng)。10年后,昆蟲氣味受體的存在也被揭開。
對(duì)許多昆蟲來說,嗅覺是它們生存的利器。中國(guó)農(nóng)科院基因組所研究員王桂榮介紹,利用昆蟲嗅覺靈敏的特點(diǎn),科學(xué)家們研發(fā)出許多防治害蟲的方法,比如研發(fā)出食誘劑;利用昆蟲覓食的行為來捕殺害蟲,研發(fā)出性誘劑;利用昆蟲求偶的行為捕殺害蟲;利用昆蟲尋找特定植株產(chǎn)卵的行為,研發(fā)出驅(qū)避劑,防止害蟲在農(nóng)作物上產(chǎn)卵等。
然而,這些方式并沒有真正利用到昆蟲嗅覺發(fā)揮功能的機(jī)制。王桂榮介紹,這是因?yàn)?,在過去,科學(xué)家們對(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。
過去幾十年中,如何揭開這一機(jī)制,并利用這一機(jī)制更好防控害蟲,是農(nóng)業(yè)害蟲綠色防治中的熱點(diǎn)領(lǐng)域。王桂榮和他的團(tuán)隊(duì),一直致力于昆蟲嗅覺受體的功能鑒定,歷經(jīng)十幾年的研究,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(diào)控劑。
“快跑,這里有危險(xiǎn)”
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,氣味受體扮演著核心角色,它們被激活后能夠?qū)⑼饨绲幕瘜W(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為生物電信號(hào),從而介導(dǎo)昆蟲相應(yīng)的行為反應(yīng)。
報(bào)警信息素受體就是其中的一種。研究發(fā)現(xiàn),大多數(shù)蚜蟲在遇到天敵攻擊或者其他危險(xiǎn)時(shí),會(huì)從腹管中釋放出含有報(bào)警信息素的小液滴,警告鄰近的蚜蟲快速逃離或掉落。
這一機(jī)制成了揭開難題的突破口。在前期工作中,王桂榮團(tuán)隊(duì)成功揭示了蚜蟲識(shí)別報(bào)警信息素的新機(jī)制,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報(bào)警信息素及其類似物,作為昆蟲行為調(diào)控劑的巨大潛力。在隨后的研究中,科研人員借助前沿的冷凍電鏡技術(shù),深入探究了豌豆蚜報(bào)警信息素受體復(fù)合物的結(jié)構(gòu)特性,成功解析了其不同狀態(tài)下,高分辨率冷凍電子顯微鏡結(jié)構(gòu)。
更多的研究以此展開,科學(xué)家們更全面地理解了報(bào)警信息素受體復(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)。
據(jù)介紹,這一研究首次展示了昆蟲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。
研制,更高效的綠色農(nóng)藥
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。
王桂榮團(tuán)隊(duì)突破性的發(fā)現(xiàn),為基于靶標(biāo)結(jié)構(gòu)的先導(dǎo)化合物篩選,提供了分子基礎(chǔ),為高效、特異性綠色昆蟲行為調(diào)控劑的創(chuàng)制,開辟了新的道路。同時(shí),也為科學(xué)合理地開發(fā)蚜蟲綠色防控技術(shù)提供了強(qiáng)有力的理論支撐和實(shí)踐指導(dǎo),具有重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。該研究得到了國(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。
中國(guó)科學(xué)院院士康樂表示,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。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)。
中國(guó)工程院院士、貴州大學(xué)校長(zhǎng)宋寶安表示,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,王桂榮團(tuán)隊(duì)深入剖析了氣味受體與配體互作機(jī)制,為開發(fā)高效、綠色的行為調(diào)控劑奠定了理論基礎(chǔ),將顯著增強(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。