近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所高玉林研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國內(nèi)外科研團(tuán)隊(duì)，在國際著名綜合性期刊《美國科學(xué)院院刊》（PNAS）在線發(fā)表了研究論文。該研究系統(tǒng)揭示了不同馬鈴薯品種揮發(fā)物差異如何通過特異性氣味受體調(diào)控馬鈴薯塊莖蛾的寄主選擇行為，從分子水平闡明了馬鈴薯塊莖蛾差異化識別寄主化學(xué)通訊機(jī)制，為構(gòu)建基于品種本身或信息化學(xué)物質(zhì)的“推-拉”綠色防控體系提供了分子靶標(biāo)和理論基礎(chǔ)。

馬鈴薯塊莖蛾（Potato tuber moth, Phthorimaea operculella）是全球茄科作物的重要害蟲，是典型的鉆柱性害蟲，可同時(shí)危害田間種植期和貯藏期馬鈴薯植株或薯塊，給馬鈴薯產(chǎn)業(yè)帶來嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。長期以來，馬鈴薯塊莖蛾防控主要依賴化學(xué)農(nóng)藥，防效差且存在環(huán)境與安全隱患。一系列基于生態(tài)學(xué)的害蟲防控策略應(yīng)運(yùn)而生，其中就包括“推-拉”策略（Push-Pull）。“推-拉”策略通過利用植物釋放的引誘物和驅(qū)避物調(diào)控害蟲行為，被認(rèn)為是害蟲綠色防控的重要手段。然而，利用栽培品種本身或其釋放的引誘物和驅(qū)避物構(gòu)建馬鈴薯塊莖蛾“推-拉”防治策略是否可行？其背后的化學(xué)與分子機(jī)制一直缺乏系統(tǒng)解析。

科研團(tuán)隊(duì)在田間和室內(nèi)條件下對46個(gè)馬鈴薯品種開展系統(tǒng)評價(jià)，發(fā)現(xiàn)不同品種在幼蟲密度、產(chǎn)卵量和受害程度上存在顯著差異。通過揮發(fā)物分析與行為測定，鑒定出多種具有明確行為活性的揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）：反式橙花叔醇（trans-nerolidol）和β-紫羅蘭酮（β-ionone）對雌蛾具有引誘作用，而3-蒈烯（3-carene）和惕各酸芐酯（benzyl tiglate）則表現(xiàn)為顯著的產(chǎn)卵抑制或驅(qū)避效應(yīng)。這些關(guān)鍵化合物在感蟲性品種與抗蟲性品種中的相對含量存在明顯差異，進(jìn)一步表明雌蛾通過識別品種特異的揮發(fā)物組合來決定產(chǎn)卵去向。

為進(jìn)一步揭示雌蛾如何識別這些氣味信號，科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步解析了馬鈴薯塊莖蛾的嗅覺受體系統(tǒng)。通過電生理篩選和異源表達(dá)體系，成功解析了6個(gè)氣味受體（odorant receptors, OR）的配體特異性。其中3個(gè)受體對關(guān)鍵揮發(fā)物表現(xiàn)出高度專一性：PopeOR01特異響應(yīng)反式橙花叔醇，該基因在交配后上調(diào)表達(dá)；PopeOR15和PopeOR73分別特異識別惕各酸芐酯和3-蒈烯。功能驗(yàn)證顯示，在高度感蟲品種中富集的反式橙花叔醇與PopeOR01密切相關(guān)，而在抗蟲品種中富集的3-蒈烯和惕各酸芐酯則分別對應(yīng)PopeOR73和PopeOR15的感受通路。為直接驗(yàn)證受體在行為中的功能，研究團(tuán)隊(duì)利用CRISPR/Cas9技術(shù)構(gòu)建基因敲除突變體。結(jié)果表明，PopeOR01缺失后，雌蛾對反式橙花叔醇的觸角電生理響應(yīng)和產(chǎn)卵偏好顯著喪失；PopeOR73敲除后，個(gè)體對3-蒈烯的驅(qū)避反應(yīng)明顯減弱。這一結(jié)果在分子層面系統(tǒng)建立了“品種揮發(fā)物-氣味受體-行為-田間受害結(jié)果”之間的因果聯(lián)系。

結(jié)合AlphaFold3結(jié)構(gòu)預(yù)測、分子對接和分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究進(jìn)一步揭示了OR-Orco復(fù)合體的保守通道結(jié)構(gòu)及配體穩(wěn)定結(jié)合模式，發(fā)現(xiàn)受體結(jié)合口袋中的疏水和芳香相互作用決定了對不同揮發(fā)物的識別特異性。這些結(jié)構(gòu)信息為理性設(shè)計(jì)新型引誘劑或驅(qū)避劑、精準(zhǔn)調(diào)控害蟲嗅覺提供了分子框架。綜合化學(xué)生態(tài)學(xué)、功能基因組學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)與行為學(xué)分析，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了“馬鈴薯品種揮發(fā)物組成-氣味受體特異識別-雌蛾產(chǎn)卵決策-害蟲發(fā)生程度”的調(diào)控模型，揭示了不同OR通路分別整合引誘與驅(qū)避信號，共同決定雌蛾在不同品種間的產(chǎn)卵分配。

該研究不僅深化了對昆蟲-寄主植物化學(xué)通訊機(jī)制的認(rèn)識，也為抗蟲資源挖掘以及通過抗感品種選擇或信息化學(xué)物質(zhì)應(yīng)用構(gòu)建“推-拉”防控體系提供了科學(xué)依據(jù)，對實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)害蟲綠色防控具有重要意義。

該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目的資助。

 

馬鈴薯塊莖蛾鉆柱取食薯塊。中國農(nóng)科院供圖