中国农业科学院植保所揭示马铃薯块茎蛾差异化识别寄主化学通讯机制

近日，中国农业科学院植物保护研究所经济作物虫害监测与防控创新团队联合国内外科研团队，在国际著名综合性期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》（PNAS）在线发表题为“Semiochemicals and odorant receptors underlying potato cultivar susceptibility and resistance to potato tuber moth”的研究论文。该研究系统揭示了不同马铃薯品种挥发物差异如何通过特异性气味受体调控马铃薯块茎蛾的寄主选择行为，从分子水平阐明了马铃薯块茎蛾差异化识别寄主化学通讯机制，为构建基于品种本身或信息化学物质的“推-拉”绿色防控体系提供了分子靶标和理论基础。
 
　　马铃薯块茎蛾（Potato tuber moth, Phthorimaea operculella）是全球茄科作物的重要害虫，是典型的钻柱性害虫，可同时危害田间种植期和贮藏期马铃薯植株或薯块，给马铃薯产业带来严重经济损失。长期以来，马铃薯块茎蛾防控主要依赖化学农药，防效差且存在环境与安全隐患。一系列基于生态学的害虫防控策略应运而生，其中就包括“推-拉”策略（Push-Pull）。“推-拉”策略通过利用植物释放的引诱物和驱避物调控害虫行为，被认为是害虫绿色防控的重要手段。然而，利用栽培品种本身或其释放的引诱物和驱避物构建马铃薯块茎蛾“推-拉”防治策略是否可行？其背后的化学与分子机制一直缺乏系统解析。
 
　　科研团队在田间和室内条件下对46个马铃薯品种开展系统评价，发现不同品种在幼虫密度、产卵量和受害程度上存在显著差异。通过挥发物分析与行为测定，鉴定出多种具有明确行为活性的挥发性有机化合物（VOCs）：反式橙花叔醇（trans-nerolidol）和β-紫罗兰酮（β-ionone）对雌蛾具有引诱作用，而3-蒈烯（3-carene）和惕各酸苄酯（benzyl tiglate）则表现为显著的产卵抑制或驱避效应。这些关键化合物在感虫性品种与抗虫性品种中的相对含量存在明显差异，进一步表明雌蛾通过识别品种特异的挥发物组合来决定产卵去向。
 
　　为进一步揭示雌蛾如何识别这些气味信号，科研团队进一步解析了马铃薯块茎蛾的嗅觉受体系统。通过电生理筛选和异源表达体系，成功解析了6个气味受体（odorant receptors, OR）的配体特异性。其中3个受体对关键挥发物表现出高度专一性：PopeOR01特异响应反式橙花叔醇，该基因在交配后上调表达；PopeOR15和PopeOR73分别特异识别惕各酸苄酯和3-蒈烯。功能验证显示，在高度感虫品种中富集的反式橙花叔醇与PopeOR01密切相关，而在抗虫品种中富集的3-蒈烯和惕各酸苄酯则分别对应PopeOR73和PopeOR15的感受通路。为直接验证受体在行为中的功能，研究团队利用CRISPR/Cas9技术构建基因敲除突变体。结果表明，PopeOR01缺失后，雌蛾对反式橙花叔醇的触角电生理响应和产卵偏好显著丧失；PopeOR73敲除后，个体对3-蒈烯的驱避反应明显减弱。这一结果在分子层面系统建立了“品种挥发物-气味受体-行为-田间受害结果”之间的因果联系。
 
　　结合AlphaFold3结构预测、分子对接和分子动力学模拟，研究进一步揭示了OR-Orco复合体的保守通道结构及配体稳定结合模式，发现受体结合口袋中的疏水和芳香相互作用决定了对不同挥发物的识别特异性。这些结构信息为理性设计新型引诱剂或驱避剂、精准调控害虫嗅觉提供了分子框架。综合化学生态学、功能基因组学、结构生物学与行为学分析，研究团队构建了“马铃薯品种挥发物组成-气味受体特异识别-雌蛾产卵决策-害虫发生程度”的调控模型，揭示了不同OR通路分别整合引诱与驱避信号，共同决定雌蛾在不同品种间的产卵分配。
 
　　该研究不仅深化了对昆虫-寄主植物化学通讯机制的认识，也为通过抗感品种选择和信息化学物质应用构建“推-拉”防控体系提供了关键科学依据和分子靶标，对实现农业害虫绿色防控具有重要意义。
 
　　中国农业科学院植物保护研究所博士研究生陈瑞朋为论文第一作者，高玉林研究员为通讯作者。美国加州大学戴维斯分校的Walter Leal教授为共同通讯作者，植保所尹姣研究员、闫俊杰助理研究员，硕士研究生胡望涛、胡琴以及肯尼亚国际昆虫生理与生态学中心 （ICIPE）Fathiya Khamis研究员也参与了该工作。本研究得到了国家重点研发计划项目和中国农业科学院科技创新工程项目的资助。
 
　　原文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2537754123



日期：2026-04-13