近日，中国农业科学院植物保护研究所抗虫功能基因研究与利用团队联合农业基因组研究所、浙江大学等单位在国际细胞分子生物学领域知名期刊《Cellular and Molecular Life Sciences》在线发表题为“Evolutionary shifts in pheromone receptors contribute to speciation in four  Helicoverpa  species”的研究论文。该研究揭示了棉铃虫与其近缘物种性信息素受体的功能差异并阐明其功能分化的分子机制。

在蛾类昆虫中，雄蛾利用其灵敏的信息素通信系统来区分同种雌蛾和同域分布的其他物种，这有助于维持种间的生殖隔离并促进新物种的形成。在蛾类昆虫性信息素通讯研究中的一个突出而又一直未解决的问题是，雄虫种间特异的性信息素识别系统与雌虫性信息素组分的改变是如何相互相适应的？一些亲缘关系较近的蛾类性信息素识别系统表现出高度特异性，成为研究信息素通信系统进化分子机制的理想模型。

本研究对同属铃夜蛾属 Helicoverpa 的四种蛾类棉铃虫 H . armegera 、烟青虫 H. assulta 、美洲棉铃虫 H. zea 、阿根廷棉铃虫 H. gelotopoeon 的性信息素受体进行了鉴定和功能研究。通过比较发现，四个近缘物种的两个直系同源的性信息素受体OR14b和OR16发生了功能的分化。为探究这两个受体功能分化的机制，该团队首先采用人工智能结构预测算法AlphaFold2对这两个性信息素受体的进行了三级结构预测，随后通过分子对接预测了性信息素和受体复合物的结构，最终通过全原子分子动力学模拟的手段，确定了受体识别性信息素的关键氨基酸位点。通过计算生物学方法预测的关键差异性位点随后得到了定点突变和体外电生理试验的验证。整合计算和试验结果共同表明：在OR14b中，氨基酸位点164和232直接参与配体结合，这两个位点的突变导致了棉铃虫和美洲棉铃虫OR14b的功能转变；而在OR16中，氨基酸位点66虽然不直接参与配体相互作用，却在结合口袋附近，其突变可能通过位阻效应调控底物识别，可能是导致四个近缘物种OR16功能转变的主要原因。

该研究通过整合人工智能结构预测、分子对接、分子模拟等一系列计算生物学手段和生化、电生理试验开发了一套高效的方法，用于鉴定昆虫气味受体与配体结合的关键位点，加深了我们对昆虫气味受体分子机制理解，同时也为蛾类近缘物种信息素受体的功能分化与物种形成提供了新的见解。

中国农业科学院植物保护研究所王桂荣研究员，刘杨研究员和浙江大学生命科学学院王勇研究员为论文共同通讯作者，植保所已毕业博士生曹松和浙江大学在读博士生时晨为论文共同第一作者。植保所王冰研究员，浙江大学航空航天学院修鹏教授共同参与了研究工作。该研究是化学生态学+计算生物学等多学科领域交叉融合的研究成果，得到国家自然科学基金项目、国家十四五重点研发计划“生物与信息融合”专项、中国农业科学院科技创新工程等项目的资助。

论文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s00018-023-04837-1