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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點(diǎn)，為把我國(guó)建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國(guó)作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書記在致中國(guó)科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國(guó)家重大需求、面向人民生命健康，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國(guó)家創(chuàng)新人才高地，率先建成國(guó)家高水平科技智庫(kù)，率先建設(shè)國(guó)際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國(guó)科學(xué)院辦院方針

首頁(yè) > 科研進(jìn)展

科學(xué)家解碼蝗蟲群聚信息素的生物合成途徑與行為操控

2025-06-30 動(dòng)物研究所

【字體：大中小】

語(yǔ)音播報(bào)

中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所康樂團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)雷曉光團(tuán)隊(duì)合作，解析了蝗蟲群聚信息素4-乙烯基苯甲醚（4VA）的完整生物合成途徑，鑒定出4VA的生物合成前體化合物以及關(guān)鍵合成酶4VPMT1和4VPMT2，同時(shí)基于酶-底物構(gòu)效關(guān)系解析，通過(guò)設(shè)計(jì)和篩選開發(fā)出特異性小分子抑制劑，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蝗蟲群聚信息素4VA生物合成與釋放過(guò)程的精準(zhǔn)化學(xué)調(diào)控，完成了對(duì)其群聚行為的人工定向干預(yù)。

蝗蟲利用植物種常見的氨基酸來(lái)合成自己特異的群聚信息素，這是精巧和節(jié)省能量的適應(yīng)策略。鑒于苯丙氨酸向肉桂酸繼而向?qū)αu基肉桂酸的轉(zhuǎn)化過(guò)程是植物木質(zhì)素生物合成中的保守途徑，蝗蟲能夠快速獲取大量生物合成前體以促進(jìn)后續(xù)轉(zhuǎn)化。借助這些植物源中間體，蝗蟲僅需兩步反應(yīng)即可將其轉(zhuǎn)化為群聚信息素4VA。因此，4VA也可以看作食物信號(hào)，這可能是4VA成為蝗蟲聚集信息素的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力之一。同時(shí)，群居型飛蝗通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控4VPMTs表達(dá)，即可完成4VP到4VA的生物轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)信息素的釋放和終止。4VPMTs介導(dǎo)的甲基化將4VP的羥基轉(zhuǎn)化為4VA的甲氧基，能夠降低分子親水性，并增強(qiáng)揮發(fā)性。這些適應(yīng)性機(jī)制降低了蝗蟲的能量與物質(zhì)消耗，提高了群聚信息素4VA的合成效率，并增強(qiáng)了其應(yīng)對(duì)環(huán)境變化的靈活性與適應(yīng)性。

4VPMTs是4VA生物合成的關(guān)鍵酶，也是抑制蝗蟲聚集的重要靶點(diǎn)。4-硝基苯酚（4NP）通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合4VPMTs來(lái)抑制4VA生物合成。作為底物類似物，4NP酚羥基的親核性因吸電子硝基而下降，使其成為反應(yīng)活性較弱的底物。4NP與4VPMTs的結(jié)合親和力高于4VP，進(jìn)而可以競(jìng)爭(zhēng)性占據(jù)酶活性位點(diǎn)。從蛋白結(jié)構(gòu)特征來(lái)看，4NP與4VPMTs的特異性相互作用既保證了抑制劑的選擇性，又能最大限度避免干擾其他代謝通路時(shí)產(chǎn)生的脫靶效應(yīng)。

該研究通過(guò)解析蝗蟲群聚信息素4VA的生物合成路徑，精準(zhǔn)鑒定關(guān)鍵合成酶，并以此為靶點(diǎn)設(shè)計(jì)出高效特異的小分子抑制劑，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蝗蟲信息素合成的靶向化學(xué)調(diào)控及群聚行為的人工干預(yù)。這一成果揭示了昆蟲化學(xué)通訊的分子機(jī)制，更為害蟲防控提供了全新策略—-—通過(guò)干預(yù)昆蟲信息素通路實(shí)現(xiàn)行為調(diào)控而非依賴傳統(tǒng)化學(xué)農(nóng)藥。同時(shí)，該工作有望推動(dòng)害蟲防控模式從過(guò)度依賴化學(xué)殺蟲劑的傳統(tǒng)模式向精準(zhǔn)化、綠色化的行為調(diào)控模式躍遷。

6月25日，相關(guān)研究成果以《解碼蝗蟲群聚信息素4-乙烯基苯甲醚生物合成與關(guān)鍵催化反應(yīng)酶》（Decoding 4-vinylanisole biosynthesis and pivotal enzymes in locusts）為題，在線發(fā)表在《自然》（Nature）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等的支持。

昆蟲信息素作為昆蟲體內(nèi)各種腺體或細(xì)胞產(chǎn)生并分泌到體外的微量化學(xué)物質(zhì)，是昆蟲種內(nèi)和種間通訊的化學(xué)媒介，在昆蟲的求偶、交配、覓食、聚集、產(chǎn)卵、導(dǎo)航定向、防御報(bào)警和種間識(shí)別等行為中發(fā)揮重要作用。因此，開發(fā)與利用昆蟲信息素是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控害蟲行為、推動(dòng)害蟲綠色可持續(xù)防控發(fā)展的突破方向。而揭示昆蟲信息素的合成途徑是實(shí)現(xiàn)這種綠色防控策略的必要環(huán)節(jié)。盡管已有超過(guò)3000種昆蟲的信息素被發(fā)現(xiàn)和鑒定，但全面揭示一個(gè)特定的信息素在昆蟲體內(nèi)的生物合成途徑鮮有報(bào)道。中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所康樂團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)雷曉光團(tuán)隊(duì)合作，解析了蝗蟲群聚信息素4-乙烯基苯甲醚（4VA）的完整生物合成途徑，鑒定出4VA的生物合成前體化合物以及關(guān)鍵合成酶4VPMT1和4VPMT2，同時(shí)基于酶-底物構(gòu)效關(guān)系解析，通過(guò)設(shè)計(jì)和篩選開發(fā)出特異性小分子抑制劑，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蝗蟲群聚信息素4VA生物合成與釋放過(guò)程的精準(zhǔn)化學(xué)調(diào)控，完成了對(duì)其群聚行為的人工定向干預(yù)?；认x利用植物種常見的氨基酸來(lái)合成自己特異的群聚信息素，這是精巧和節(jié)省能量的適應(yīng)策略。鑒于苯丙氨酸向肉桂酸繼而向?qū)αu基肉桂酸的轉(zhuǎn)化過(guò)程是植物木質(zhì)素生物合成中的保守途徑，蝗蟲能夠快速獲取大量生物合成前體以促進(jìn)后續(xù)轉(zhuǎn)化。借助這些植物源中間體，蝗蟲僅需兩步反應(yīng)即可將其轉(zhuǎn)化為群聚信息素4VA。因此，4VA也可以看作食物信號(hào)，這可能是4VA成為蝗蟲聚集信息素的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力之一。同時(shí)，群居型飛蝗通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控4VPMTs表達(dá)，即可完成4VP到4VA的生物轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)信息素的釋放和終止。4VPMTs介導(dǎo)的甲基化將4VP的羥基轉(zhuǎn)化為4VA的甲氧基，能夠降低分子親水性，并增強(qiáng)揮發(fā)性。這些適應(yīng)性機(jī)制降低了蝗蟲的能量與物質(zhì)消耗，提高了群聚信息素4VA的合成效率，并增強(qiáng)了其應(yīng)對(duì)環(huán)境變化的靈活性與適應(yīng)性。4VPMTs是4VA生物合成的關(guān)鍵酶，也是抑制蝗蟲聚集的重要靶點(diǎn)。4-硝基苯酚（4NP）通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合4VPMTs來(lái)抑制4VA生物合成。作為底物類似物，4NP酚羥基的親核性因吸電子硝基而下降，使其成為反應(yīng)活性較弱的底物。4NP與4VPMTs的結(jié)合親和力高于4VP，進(jìn)而可以競(jìng)爭(zhēng)性占據(jù)酶活性位點(diǎn)。從蛋白結(jié)構(gòu)特征來(lái)看，4NP與4VPMTs的特異性相互作用既保證了抑制劑的選擇性，又能最大限度避免干擾其他代謝通路時(shí)產(chǎn)生的脫靶效應(yīng)。該研究通過(guò)解析蝗蟲群聚信息素4VA的生物合成路徑，精準(zhǔn)鑒定關(guān)鍵合成酶，并以此為靶點(diǎn)設(shè)計(jì)出高效特異的小分子抑制劑，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蝗蟲信息素合成的靶向化學(xué)調(diào)控及群聚行為的人工干預(yù)。這一成果揭示了昆蟲化學(xué)通訊的分子機(jī)制，更為害蟲防控提供了全新策略—-—通過(guò)干預(yù)昆蟲信息素通路實(shí)現(xiàn)行為調(diào)控而非依賴傳統(tǒng)化學(xué)農(nóng)藥。同時(shí)，該工作有望推動(dòng)害蟲防控模式從過(guò)度依賴化學(xué)殺蟲劑的傳統(tǒng)模式向精準(zhǔn)化、綠色化的行為調(diào)控模式躍遷。6月25日，相關(guān)研究成果以《解碼蝗蟲群聚信息素4-乙烯基苯甲醚生物合成與關(guān)鍵催化反應(yīng)酶》（Decoding 4-vinylanisole biosynthesis and pivotal enzymes in locusts）為題，在線發(fā)表在《自然》（Nature）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等的支持。

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