2024年8月20日，江苏科技大学金沙娱场城61665最新版、蚕业研究所盛晟、王俊团队在国际昆虫学领域经典期刊《Insect Biochemistry and Molecular Biology》在线发表了题为“Binding characteristics and structural dynamics of two general odorant-binding proteins with plant volatiles in the olfactory recognition of Glyphodes pyloalis”的研究论文，首次报道了我国桑树重大害虫桑螟的嗅觉识别分子机制，明确了引起桑螟嗅觉行为反应的关键靶标气味物质。
桑螟Glyphodes pyloalis是桑树重大暴发性害虫，在各蚕桑主产区普遍发生，严重制约我国蚕桑产业发展，而桑园化学农药的长期不合理施用造成了桑螟抗药性剧增，导致其防治难度不断加大。因此，开发绿色高效的桑螟防治新手段迫在眉睫。近年来，以引诱技术为代表的害虫绿色防治手段日益得到重视并逐步推广应用，其核心基于深刻揭示昆虫对气味物质的识别与感知机制以及明确响应行为的靶标气味分子。然而，桑螟的嗅觉识别分子机制目前尚未报道，极大限制了桑螟引诱技术及其产品的开发。
该论文首先利用RNA-Seq技术从桑螟触角中大规模筛选鉴定出114个嗅觉基因，组织表达谱显示2个一般气味结合蛋白（general odorant-binding proteins，GOBPs）GpylGOBP1与GpylGOBP2在桑螟触角中高度表达，推测它们参与桑螟对桑树气味物质的嗅觉识别过程。通过GC-MS测定桑树挥发物主要成分，与常见植物挥发物建立气味化合物配体库，利用荧光竞争结合实验测定了GOBP1和GOBP2蛋白与56种气味化合物的结合特性（图1）。结果显示，GOBP1与十六醛（Ki = 2.29 ± 0.18 μM）、β-紫罗兰酮（Ki = 13.24 ± 0.85 μM）、丙烯酸异辛酯（Ki = 19.97 ± 1.38 μM）显著结合；而GOBP2与法尼醇（Ki = 2.12 ± 0.03 μM）、β-紫罗兰酮（Ki =15.30 ± 0.30 μM）、对特辛基苯酚（Ki =17.36 ± 0.47 μM）、苯甲酸苄酯（Ki =20.12 ± 1.24 μM）显著结合。
图1 GOBP1和GOBP2蛋白与不同植物挥发物的结合特性分析
随后，利用分子动力学模拟技术分析了GOBP1和GOBP2与候选植物挥发物的结合模式（图2），发现非极性氨基酸残基提供的疏水作用力是复合体结合的主要驱动力；定点突变实验最终证实，GOBPs蛋白α1螺旋上的苯丙氨酸（Phe）残基是它们与候选植物挥发物结合的关键位点。
图2 GOBP1 (a)和GOBP2 (b)蛋白与候选植物挥发物的相互作用位点
最后，利用昆虫四臂嗅觉仪分析了桑螟成虫对不同候选植物挥发物的嗅觉行为反应，明确了十六醛与β-紫罗兰酮可显著吸引桑螟雄蛾（图3）。前期工作发现，十六醛为桑螟虫害诱导植物挥发物（herbivore-induced plant volatiles，HIPVs）成分之一，暗示桑螟幼虫侵害桑叶产生的十六醛，可吸引桑螟成虫聚集并进一步引起交配、产卵等行为的发生。该气味物质有望进一步用于桑螟田间引诱剂的研发。
图3 桑螟成虫对候选植物挥发物的嗅觉行为反应测定
本研究首次全面鉴定了桑树重大害虫桑螟的嗅觉基因，成功将分子动力学模拟等计算化学技术与定点突变技术相结合，从多个角度阐明了桑螟关键嗅觉蛋白GOBPs与气味分子的结合机制，明确了桑螟虫害诱导植物挥发物可引起桑螟雄蛾的典型嗅觉行为反应。研究有利于研发以新型引诱手段为代表的桑螟绿色治理技术，保障蚕桑产业健康持续发展，并为防治大宗作物鳞翅目害虫提供有益参考。
江苏科技大学金沙娱场城61665最新版、蚕业研究所畜牧学博士研究生李易江成为第一作者，盛晟教授和王俊教授为本论文的共同通讯作者，吴福安研究员也参与了该项研究。该研究得到了镇江市重点研发计划（现代农业）（NY2022005）、江苏省“青蓝工程”优秀骨干教师计划（2021）、江苏省农业科技自主创新资金（CX(20)2029，CX(21)3179）、江苏省研究生科研与实践创新计划项目（KYCX24_4140）和江苏省高校自然科学重大项目（20KJA210004）的资助。
论文链接如下：https://doi.org/10.1016/j.ibmb.2024.104177
