深圳科学家成果登上《科学（Science）》，用昆虫嗅觉机制扑灭病虫害成为可能
深圳商报•读创客户端记者 张妍 通讯员 马昕怡
北京时间6月14日凌晨2时，中国农业科学院深圳农业基因组研究所（岭南现代农业广东省实验室深圳分中心）（以下简称“基因组所”）王桂荣团队与华中农业大学殷平教授团队、中国农业科学院植物保护研究所等单位合作完成的最新研究成果，在线发表在国际顶级学术期刊《科学（Science）》上。
该成果在全球首次解析了昆虫OR-Orco复合体的精细结构特性，揭示了气味识别过程中特殊的离子通道门控机制，中国科学院院士、美国科学院外籍原始康乐将其誉为“里程碑式的突破”。
更重要的是，该成果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，让利用昆虫嗅觉机制扑灭农作物病虫害成为可能，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。
打通绿色防控技术的卡点
嗅觉是人类感觉神经中最多也最复杂的器官。“别的器官都已制成了生物传感器，但是嗅觉目前还没有，因为它比较复杂。”6月14日，基因组所举行新闻发布会，王桂荣研究员表示，嗅觉不仅在人享用美食，感受环境危险时起作用，还与记忆情感有着密切关系。
近年来，科学家持续在嗅觉器官和嗅觉工作机制上进行研究，2004年，美国科学家理查德·阿克塞尔和琳达·巴克因揭示了哺乳动物的嗅觉是如何工作，获得了诺贝尔生理或医学奖。
对昆虫来说，嗅觉的重要性更为突出，在昆虫的取食、交配和产卵过程中都会发挥非常重要的作用。“如何利用昆虫非常灵敏的嗅觉，制成食诱性药剂，用微量的化学气味将它们引诱到某个特定地点，集中杀灭，是农作物病虫害绿色防控的关键。”王桂荣举例，作为生活在田间植物上最大形蚜虫，豌豆蚜是豌豆、蚕豆、苜蓿和苕子的重要害虫，还可危害沙打旺、山黧豆、草木樨等豆科植物以及荠菜等。同时，还传播多种植物病毒。它的一生能够产下1000多粒卵，杀死一头雌虫，相当于杀死了1000多个后代。
这样高效、绿色的除病虫害技术的关键卡点是昆虫行为调控设计。也就是说，首先要明白昆虫嗅觉受体的工作机制，才能以此为靶标去筛选昆虫的行为调控器。
多年前，王桂荣团队开始研究昆虫气味受体结构，明确要通过高通量筛选解决两个问题，一是鉴定一批控制昆虫关键行为的细微受体基因，如它们如何寻找配偶、寻找食物或寻找生殖场所；二是寻找昆虫气味受体的工作机制。
“快跑！有危险”，从豌豆蚜的报警信息入手
利用嗅觉发出报警信息是蚜虫的一大特性，研究人员正是从研究豌豆蚜入手。
研究人员表示，在嗅觉识别过程中，气味受体扮演着核心角色，它们被激活后能够将外界的化学信号转化为生物电信号，从而介导昆虫相应的行为反应。
报警信息素受体就是其中的一种，研究发现，大多数蚜虫在遇天敌攻击或者其它危险时，会从腹管中释放出含有报警信息素的小液滴，“警告”邻近的蚜虫快速逃离或掉落。王桂荣团队在前期工作中，成功揭示了蚜虫识别报警信息素的新机制，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内在机制，为理解昆虫间的相互作用提供了新的视角。
王桂荣透露，前期，研究人员对豌豆蚜编码基因组里79个气味受体的基因功能进行了研究，找出了对报警信息素有反应的单个气味受体。随后，通过大量实验，要在不同条件筛选蛋白组合，也就是两个受体共同表达的复合体。“这个难度就增加了很多，一开始老是失败，这对年轻的研究人员提出了很大挑战。他们坚持了下来，才最终获得了创新性成果。”
研究人员借助前沿的冷冻电镜技术，深入探究豌豆蚜报警信息素受体ApOR5-Orco复合物的结构特性，成功解析了ApOR5-Orco在配体结合和未结合状态下的高分辨率冷冻电子显微镜结构，揭示了气味配体诱导的气味受体离子通道门控机制。
“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。该项研究在国际上首次解析了昆虫OR-Orco复合体的精细结构特性，揭示了气味识别过程中特殊的离子通道门控机制。”康乐院士表示。
已在深圳开启商业化应用之路
粮食安全是“国之大者”。农作物病虫害是我国最主要的农业生产灾害之一。2021年中央一号文件指出，持续推进化肥农药减量增效，推广农作物病虫害绿色防控产品和技术。
中国工程院院士、贵州大学校长宋宝安在评价中指出，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，嗅觉受体结构未知是研发高效引诱剂和驱避剂的卡点。
该成果正是打通卡点的关键。昆虫嗅觉行为调控剂的应用是全球公认的绿色防控技术，具有生物灵敏度高、选择性强、环境友好等优点，能实现害虫的长期控制。以嗅觉靶标为出发点，开发行为调控剂已成为当前研究的重要方向。
深圳是我国唯一一个城市化率接近100%的城市，没有农村，也没有农民，但深圳要发展高科技农业，发展农业新质生产力。基因组所2014年在深圳市大鹏新区成立以来，已快速发展成为一支有1400多人的科研队伍，“正是在深圳这片创新热土上，我们才会有这样快速的发展，才能短时间内聚集大量的科研人才。”王桂荣表示，该成果的关键是利用了分子对接、人工智能，利用了基因组所的强大算力，进行高通量筛选而实现的。
据了解，这一突破性的发现，为基于靶标结构的先导化合物筛选提供了宝贵的分子基础，为高效、特异性绿色昆虫行为调控剂的创制开辟了新的道路。目前，这项技术已与国内多家企业开始商业化应用。
