作者:李晨 来源:中国科学报 发布时间:2024/6/16 15:31:36
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他们大海捞针,“窥见”害虫气味受体“真相”

 

夏日必备驱蚊剂,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——他们想用此来对付田间害虫。

然而,小分子化合物千千万,哪一款才是害虫的“真爱”亦或“真臭”?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进行结合,成为近几十年来的全球性未解难题。

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蚜虫。中国农科院供图

6月14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(大鹏湾实验室)(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门控机制,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、贵州大学校长宋宝安指出,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、河北大学校长康乐认为,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。 

从“臭”名昭著到“真香”

1999年,王桂荣考上中国农业科学院植物保护研究所(以下简称植保所)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,这种实验每次把一种挥发性小分子化合物释放到活体昆虫的环境中,观察昆虫对其的喜恶。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,但是往往闻起来让人受不了。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,研究进展很慢。

“小分子化合物有几十万种,利用传统的方法,一个实验室通常一年也就筛选几百个。”王桂荣说,他希望利用现代分子生物学技术结合昆虫化学生态学的研究加快昆虫行为调控剂的研发进程。

他的导师郭予元团队一直从事生态学研究,但非常支持王桂荣用分子生物学,来探寻昆虫行为调控剂高通量筛选方法,尽管这在当时是很昂贵的研究手段。

然而20年前,国内的实验平台和技术水平都不足以支持王桂荣的想法。就这样,学植保的王桂荣申请到了美国一所以医科著称的大学(范德比特大学)工作。

恰恰在2004年,Linda Buck和Richard Axel因发现哺乳动物嗅觉受体而荣获诺贝尔奖,激励了科研人员对动物气味受体编码机制的研究。在范德比特大学工作期间,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,筛选了范德比特大学医学中心化合物库中的15万种分子,找到了很多针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,担任课题组长。彼时,基因组学新技术兴起和广泛应用,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,一方面是昆虫灵敏嗅觉的奥秘引人注目,同时也想籍此找到新的高通量筛选昆虫行为调控剂的方法。于是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?

当国际上还在专注于模式昆虫,例如果蝇的气味受体研究时,王桂荣已经开始了针对农业害虫气味受体的应用基础性研究工作。

目标很明确,但摆在面前的却有两大难题。

“我们当时已经做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的筛选。”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。

目前商业化的化合物虚拟库有几十万种化合物。“如果能有办法从几十万种化合物中筛选出几十个上百个行为调控剂候选分子,再去逐一做昆虫行为学筛选,倒是可行的。”尽管这像大海捞针那么难,但王桂荣想要找到一种高通量筛选的方法对虚拟库中的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:首先是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;其次是要解析这些关键气味受体的三维结构,才能通过分子对接、机器学习实行智能化高通量筛选。

过去20年间,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,解决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。在嗅觉识别的过程中,嗅觉受体神经元树突膜上的气味受体扮演着核心角色,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,绝大多数昆虫特异性受体要和共受体形成OR-Orco复合物才能发挥功能。因此,昆虫气味受体展现出对配体化学信息物质高度敏感性和特异性,共同介导昆虫取食、交配等重要行为反应,是非常理想的昆虫嗅觉行为调控剂分子靶标。尽管昆虫气味受体被发现已有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,这样的方法可以实现快速高效的筛选。”王桂荣说。

此前,有人利用人工智能方法预测了昆虫气味受体的三维结构,但准确率不高。王桂荣认为,要想研发真正有用的产品,投放于市场,必须解析气味受体的精确三维结构。

四年前,王桂荣和华中农业大学教授、论文共同通讯作者殷平相识。殷平长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的领域。但对科学未知的好奇驱动着他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

“我是很欣然的接受了这个课题。”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,但他完全没有考虑到这个课题差点让他无法博士后出站。

王意东在殷平课题组做科研助理期间研究的是植物的光受体结构。当殷平告诉他这项工作是以植物和昆虫的关系为题时,他立刻去查文献翻资料,感觉这是一个“宝库”,可以挖掘的东西很多。

就这样,王意东的博士后课题选定了全球难题——昆虫气味受体的三维结构解析。

“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,是由于它需要和共受体结合才能发挥作用,而这提高了蛋白表达的难度,也就很难利用冷冻电镜解析它的结构。”殷平说。

机会总是给有准备的人。

王桂荣的研究团队在前期工作中研究了多种重大农业害虫的近200多个气味受体的功能。其中一个有趣的发现是,豌豆蚜在遇到外界威胁的时候会释放一种化合物,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(EBF)。

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。“报警信息素及其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。

殷平说,因为已知了报警信息素和豌豆蚜气味受体之间的互作关系,这给他们的研究确定了一个比较明确的方向,不过困难依然存在。十多年来,国际上多个实验室试图解析OR-Orco复合物的三维结构,都没有取得成功。其中最主要困难是如何获得足量的均一化的OR-Orco蛋白复合物。

“我们筛选了100多个昆虫气味受体OR-Orco复合物,很巧的是,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。”共同第一作者邱靓说。

四聚体的四个部分“长相”接近,究竟他们在三维结构中以什么比例存在一直是科学家好奇的。此前有预测认为,四聚体中有两种结构,它们以2:2的比例存在于四聚体中。但究竟“真相”如何尚不可知。

其次,尽管已知报警信息素和气味受体之间的关系,但并不能保证精准地“抓到”二者结合在一起的瞬间。

“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。”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。

“论文投出去以后审回修改就经历了一年多时间。”王桂荣说,博士后出站有时间限制。如果是其他人,也许会选择发一篇论文就出站了,但是王意东坚持要把问题搞透。经过多少个节假日的加班加点,他们补充了大量必要的试验,交给论文评审人的回复长达几十页,这篇论文终于在王意东出站前完成了。

中国科学院外籍院士、德国马克斯·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的意义,因为人们对嗅觉受体如何识别生物体内分子的机制仍不完全了解。此外,他们的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。“但是所有这些工作的核心是需要准确的气味受体三维结构。我们的工作将给今后的受体组合筛选提供科学的借鉴。”王桂荣说。 

相关论文信息:https://doi.org/10.1126/science.adn6881

 
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