科學家解碼蝗蟲群聚信息素的生物合成途徑與行為操控

昆蟲信息素作為昆蟲體內各種腺體或細胞產生并分泌到體外的微量化學物質，是昆蟲種內和種間通訊的化學媒介，在昆蟲的求偶、交配、覓食、聚集、產卵、導航定向、防御報警和種間識別等行為中發揮重要作用。因此，開發與利用昆蟲信息素是實現精準調控害蟲行為、推動害蟲綠色可持續防控發展的突破方向。而揭示昆蟲信息素的合成途徑是實現這種綠色防控策略的必要環節。盡管已有超過3000種昆蟲的信息素被發現和鑒定，但全面揭示一個特定的信息素在昆蟲體內的生物合成途徑鮮有報道。

中國科學院動物研究所康樂團隊與北京大學雷曉光團隊合作，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鍵合成酶4VPMT1和4VPMT2，同時基于酶-底物構效關系解析，通過設計和篩選開發出特異性小分子抑制劑，實現了對蝗蟲群聚信息素4VA生物合成與釋放過程的精準化學調控，完成了對其群聚行為的人工定向干預。

蝗蟲利用植物種常見的氨基酸來合成自己特異的群聚信息素，這是精巧和節省能量的適應策略。鑒于苯丙氨酸向肉桂酸繼而向對羥基肉桂酸的轉化過程是植物木質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后續轉化。借助這些植物源中間體，蝗蟲僅需兩步反應即可將其轉化為群聚信息素4VA。因此，4VA也可以看作食物信號，這可能是4VA成為蝗蟲聚集信息素的內在驅動力之一。同時，群居型飛蝗通過精準調控4VPMTs表達，即可完成4VP到4VA的生物轉化，從而實現信息素的釋放和終止。4VPMTs介導的甲基化將4VP的羥基轉化為4VA的甲氧基，能夠降低分子親水性，并增強揮發性。這些適應性機制降低了蝗蟲的能量與物質消耗，提高了群聚信息素4VA的合成效率，并增強了其應對環境變化的靈活性與適應性。

4VPMTs是4VA生物合成的關鍵酶，也是抑制蝗蟲聚集的重要靶點。4-硝基苯酚（4NP）通過競爭性結合4VPMTs來抑制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，使其成為反應活性較弱的底物。4NP與4VPMTs的結合親和力高于4VP，進而可以競爭性占據酶活性位點。從蛋白結構特征來看，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產生的脫靶效應。

該研究通過解析蝗蟲群聚信息素4VA的生物合成路徑，精準鑒定關鍵合成酶，并以此為靶點設計出高效特異的小分子抑制劑，實現了對蝗蟲信息素合成的靶向化學調控及群聚行為的人工干預。這一成果揭示了昆蟲化學通訊的分子機制，更為害蟲防控提供了全新策略—-—通過干預昆蟲信息素通路實現行為調控而非依賴傳統化學農藥。同時，該工作有望推動害蟲防控模式從過度依賴化學殺蟲劑的傳統模式向精準化、綠色化的行為調控模式躍遷。

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