点评 |吴孔明（ 中国 工程院 院士 ）、高福（ 中国科学院院士 ）、刘文（ 上海交通大学/中国科学院上海有机化学研究所 ）
在自然界中，生物之间的相互作用是复杂而多样的， 信息交流涉及 物理、化学和生物等多个层面。昆虫 信息素 （Insect Pheromone），作为昆虫体内各种腺体或细胞产生并分泌到体外的微量化学物质，是昆虫种内和种间通讯的重要化学媒介，其 在昆虫的求偶、交配、觅食、聚集、产卵、导航定向、防御报警和种间识别等行为中发挥重要作用。 因此，昆虫信息素的开发与利用，是实现精准调控害虫行为、推动害虫绿色可持续防控发展的关键突破方向。而揭示昆虫信息素的合成途径是实现这种绿色防控策略的必要环节。尽管已有超过3000种昆虫的信息素被发现和鉴定，但是 全面揭示一个特定的信息素在昆虫体内的生物合成途径鲜见报道 。
2025年6月25日 ， 中国科学院动物研究所康乐团队与北京大学雷晓光团队合作 在Nature上发表了文章Decoding 4-vinylanisole biosynthesis and pivotal enzymes in locusts（解码蝗虫群聚信息素 4-乙烯基苯甲醚 生物合成与关键催化反应酶）。该研究系统解析了蝗虫群聚信息素4-乙烯基苯甲醚（4VA）的完整生物合成途径，成功鉴定出4VA的生物合成前体化合物以及关键合成酶4VPMT1和4VPMT2，基于酶-底物构效关系的解析，研究团队通过设计和筛选开发出特异性小分子抑制剂，成功实现了对蝗虫群聚信息素 4VA 生物合成与释放过程的精准化学调控，进而完成了对其群聚行为的人工定向干预。该研究不仅深入揭示了蝗虫群聚信息素生物合成的分子机制，更在理论与技术层面为研发基于信息素调控的害虫精准防控策略奠定了坚实科学基础，为农业害虫绿色防控体系的构建开辟了全新路径。
昆虫信息素在求偶、交配、觅食、聚集、产卵、导航定向、防御报警和种间识别等方面均发挥重要作用。根据其功能的不同，昆虫信息素可以分为性信息素、报警信息素、聚集信息素、疏散信息素、追踪信息素等种内信息素，以及协同素、利己素、利他素等种间信息素。据报道，已有超过3000种昆虫信息素被鉴定。如此多样和丰富的信息素，传递着不同的化学信息，既要 有 物种的特异性，又要功能的特异性，还要巧妙的避免被其他生物和天敌利用。因此，这些信息素的合成途径也同样复杂多样。从化学结构的角度来看，大多数信息素被认为是从头合成的，但也有一些是通过食物摄入前体物质，经过简单的生物转化过程形成的。在某些情况下，肠道微生物也被证明参与或影响昆虫信息素的合成过程。然而，全面揭示一个特定信息素在昆虫体内的生物合成途径还鲜见报道。
蝗虫群聚信息素是蝗虫群聚进而形成蝗灾的重要因素之一。康乐研究团队2020年证明4-乙烯基苯甲醚（4VA）是飞蝗的聚集信息素（Guo et al., 2020, Nature），终结了50多年来的争论。然而，到目前为止，4VA的生物合成通路与密度依赖的释放机制仍然未知。为了确定4VA的合成通路， 他们 首先确定了4VA的合成底物是来源于植物的苯丙氨酸。随后预测了两条4VA的合成通路。通过饲喂或注射稳定同位素标记的候选中间体，最终确定了飞蝗中4VA合成通路是：苯丙氨酸（Phe）-肉桂酸（CA）-对羟基肉桂酸（ p -HCA）-4-乙烯基苯酚（4VP）最后到4VA。Phe-CA- p -HCA的转化在肠道中完成， p -HCA出肠道随血淋巴扩散并转化为4VP，最终合成4VA释放到体外。此外，蝗虫可以直接从植物中快速获取Phe、CA和 p -HCA（木质素合成关键化合物），只需重点完成最后4VP和4VA的转化即可。
由于散居蝗虫不产生4VA，那么哪些中间体化合物导致了仅有群居蝗虫能产生4VA呢？研究发现Phe、CA、 p -HCA和4VP均可在群居蝗虫和散居蝗虫的不同组织中检测到。对散居蝗虫饲喂或注射氘代前体均不能产生氘代4VA，表明群居型和散居型飞蝗4VA合成差异的关键在于4VP到4VA的合成过程。研究证明从4VP到4VA是由甲基转移酶介导的甲基化反应。通过体内干扰以及体外酶活检测，发现两个关键甲基转移酶4VPMT1和4VPMT2控制蝗虫体内4VP到4VA的转化。4VPMT1和4VPMT2的mRNA水平和蛋白水平能够正向响应蝗虫种群密度的变化。将4VPMT1和4VPMT2联合RNAi干扰后，4VA的释放量显著下降，群居蝗虫也 表现出向散居行为的显著转变 。这些结果表明，4VPMTs是 4VA生物合成的分子开关，他们的表达和翻译受种群密度的激发。为了进一步揭示其催化功能， 合作 团队解析了4VPMT2-4VP-SAM三元复合物的晶体结构。对结合构象分析以及定点突变实验验证发现4VP与4VPMT2中的芳香族氨基酸残基H137形成了Pi-Pi相互作用。通过对4VPMT1的结构进行建模、分子对接、动力学模拟以及定点突变实验发现4VP的结合被一些疏水残基V278和M203所稳定。同时Y61与4VP的苯酚基形成氢键作用。此外4VP与4VPMT1中的芳香族氨基酸残基W174之间形成了Pi-Pi相互作用，表明W174对4VPMT1的高活性起到了关键作用。
明确了 4VA的前体化合物、关键合成酶以及结合位点， 研究 团队 进而 设计、预测并筛选到了 几十个可以抑制4VPMTs酶促甲基化能力的小分子化合物。其中4-硝基苯酚（4NP）在体外能够以极低的浓度下对4VPMT1和4VPMT2起到抑制效果。此外与4VP相比，4NP对4VPMT1具有更高的结合亲和力，使其成为一种抑制4VA产生的有效抑制剂。 为了研究4NP在体内对4VPMTs的抑制作用，在群居飞蝗体内注射了不同浓度的4NP。结果表明在注射浓度0.1 nmol时，4NP能够显著抑制4VA的产生。此外，对群居飞蝗饲喂喷洒有4NP的麦苗后，4VA的释放量显著下降，同时群居飞蝗的行为显著向散居行为转变。同样，饲喂4NP后，群聚化处理的散居飞蝗的4VA释放量显著下降，同时群聚化处理的散居飞蝗仍表现出散居行为，而对照组则表现出显著的群居行为。因此，基于4VA前体结构以及与合成酶构效关系设计的4-硝基苯酚（4NP）能有效地抑制飞蝗的群聚行为。
蝗虫利用植物种最常见的氨基酸来合成自己特异的群聚信息素，这是一个非常精巧和节省能量的适应策略。鉴于苯丙氨酸向肉桂酸继而向对羟基肉桂酸的转化过程是植物木质素生物合成中的保守途径，蝗虫能够快速获取大量生物合成前体以促进后续转化。借助这些植物源中间体，蝗虫仅需两步反应即可将其转化为群聚信息素4VA。因此，4VA也可以看作食物信号，这也可能是4VA成为蝗虫聚集信息素的一大内在驱动力。同时，群居型飞蝗通过精准调控4VPMTs的表达，即可完成4VP到4VA的生物转化，从而实现信息素的释放和终止。4VPMTs介导的甲基化将4VP的羟基转化为4VA的甲氧基，不仅能降低分子亲水性，还能增强挥发性。这些适应性机制显著降低了蝗虫的能量与物质消耗，极大提高了群聚信息素4VA的合成效率，同时显著增强了其应对环境变化的灵活性与适应性。
4VPMTs是4VA生物合成的关键酶，也是抑制蝗虫聚集的重要靶点。4-硝基苯酚（4NP）通过竞争性结合4VPMTs来抑制4VA生物合成。作为底物类似物，4NP酚羟基的亲核性因吸电子硝基的存在而显著降低，使其成为反应活性较弱的底物。值得注意的是，4NP与4VPMTs的结合亲和力高于4VP，从而能竞争性占据酶活性位点。从蛋白结构特征来看，4NP与4VPMTs的特异性相互作用既保证了抑制剂的选择性，又能最大限度避免干扰其他代谢通路时产生的脱靶效应。
该研究通过系统性解析蝗虫群聚信息素 4VA 的生物合成路径，精准鉴定关键合成酶，并以此为靶点设计出高效特异的小分子抑制剂，成功实现了对蝗虫信息素合成的靶向化学调控及群聚行为的人工干预。这是生物信息流研究的重要突破，这一成果不仅深度揭示了昆虫化学通讯的分子机制，更创新性地为害虫防控提供了全新策略— —通过干预昆虫信息素通路实现行为调控，而非依赖传统化学农药。其成果将有力推动害虫防控模式的革命性转变— —从过度依赖化学杀虫剂的传统模式，向精准化、绿色化的行为调控模式跃迁，为农业害虫综合治理体系的革新奠定了坚实的理论根基与技术支撑，有望在保障粮食安全、守护生态环境与人类健康领域发挥深远影响（图1）。
中国科学院动物研究所郭晓娇、北京大学高磊、中国科学院动物研究所博士生李世炜为论文的共同第一作者，中国科学院动物研究所康乐与北京大学雷晓光为共同通讯作者。中国科学院动物研究所、北京大学与河北大学的多位研究生为本研究做出了重要贡献。
图1. 蝗虫群聚信息素4VA的生物合成解码与行为操控
专家点评
吴孔明 （ 中国农业科学院植物保护研究所 院士 ）
昆虫信息素作为维系昆虫种内协同与种间互作的核心化学纽带，其功能机制的深度解析与创新应用，始终是害虫绿色防控领域的前沿焦点与攻坚方向。在此背景下，蝗虫群聚信息素 4VA 的系统性研究成果，无疑是昆虫学领域的重大理论突破与技术革新。
尽管直接合成信息素引诱或捕杀昆虫已被广泛应用，但通过靶向抑制信息素合成酶而阻止其合成与释放进而调控昆虫行为还一直未见报道。康乐与雷晓光研究团队凭借跨学科整合研究策略，运用组学、化学、分子生物学、结构生物学等前沿技术，成功破译了 4VA 生物合成的完整通路，并通过蛋白质结构解析与功能验证，精准锚定了关键限速酶。 更值得关注的是， 研究团队进一步 创新性设计出具有高特异性的小分子抑制剂，实现了对昆虫信息素合成通路的靶向阻断与群聚行为的精准调控。这一成果不仅填补了昆虫化学通讯合成机制研究与靶向调控的重要空白，更开创了 “ 以生物信息流为靶点 ” 的害虫防控新思路，为害虫绿色防控闯出一条新路。
从应用前景来看，该技术体系的成功构建，标志着害虫防控正式迈入“精准靶向、绿色高效”的智能调控时代。其未来在农业生产中的广泛应用，将显著降低化学农药使用强度，有效缓解生态环境污染压力，为保障全球粮食安全、维护生物多样性提供了创新性解决方案，对推动农业绿色转型与可持续发展具有深远的战略意义与社会价值。
专家点评
高福 （ 中国科学院微生物研究所 院士 ）
在生命科学领域，发掘关键功能蛋白、通过结构生物学手段解析其原子级构象、阐明分子调控机制，并以此为基础开发靶向药物，已成为当代前沿研究的核心方向。
康乐与雷晓光团队最新的突破性发现，不仅首次完整揭示了4VA生物合成途径，更重要的是，他们鉴定到了这个信息素释放的分子开关，4VPMTs（4-乙烯基苯酚甲基转移酶）。他们通过X 射线晶体衍射解析了4VPMT2与底物的共晶结构，鉴定了底物识别的关键残基W173,H174以及催化残基Y62,并开发出结合能力更强，反应活性更低的底物竞争性分子4NP，该分子通过竞争性结合酶促位点阻断底物的结合，从而实现了对4VA生物合成与释放过程的精准调控，最终完成对蝗虫群聚行为的人工干预。 这一研究链条完整呈现了 “结构解析 - 机制阐明 - 药物设计 - 功能调控” 的全流程创新范式。
作为结构生物学指导药物研发的 典型 案例，该成果不仅为昆虫化学生态学研究建立了创新性范式，更推动了农业害虫防控策略从传统化学杀虫剂向精准行为调控的战略转型。基于该研究开发的系列新型生物调控剂，将在保障全球粮食安全、维护生态平衡等领域产生深远影响，为农业可持续发展提供坚实的科技支撑。
专家点评
刘文 （ 上海交通大学/中国科学院上海有机化学研究所 教授 ）
近日，中国科学院动物研究所康乐团队与北京大学雷晓光团队合作完成的最新研究成果“Decoding 4-vinylanisole biosynthesis and pivotal enzymes in locusts”，在《自然（Nature）》在线发表了。这是一个基于生物合成研究、为精准防 控 蝗虫 灾 害提供有效切入点的典型范例。
昆虫信息素的生物合成研究极具挑战性，很多情况下缺少有效的研究手段，例如很难开展昆虫体内的遗传学实验，很难有效地利用化学分离鉴定微量的信息素分子等。该研究突破了领域中的瓶颈，系统剖析了蝗虫群聚信息素4-乙烯基苯甲醚（4VA）的完整生物合成途径。值得注意的是，4VA的合成并非一定全在蝗虫体内进行。其前体是植物来源的苯丙氨酸（Phe）， 通过进食，在体内 历经肉桂酸（CA）、对羟基肉桂酸（ p -HCA）和4-乙烯基苯酚（4VP）等中间体过程，最终形成强挥发性的4VA释放至体外。由于苯丙氨酸、肉桂酸和对羟基肉桂酸都可以从植物中大量获取，蝗虫只需“取巧”完成4-乙烯基苯酚和4-乙烯基苯甲醚的转化即可获得导致群聚的信息素。这是一个非常高效、节省能量的生物合成策略。通过简单的生物转化，既有充足的前体来源，又形成了化学介质结构与功能的特异性。这一策略有助于提高信息素释放或终止的调控效率，体现了蝗虫对环境变化的灵活性与适应性。
通过群居蝗虫和散居蝗虫的信息素产生能力对比，研究发现从4-乙烯基苯 苯酚 到4-乙烯基苯甲醚的甲基化转化是差异关键点，受甲基化酶4VPMT1和4VPMT2表达、翻译所调控。基于酶-底物构效关系的深度解析，研究团队通过结合理性设计和药物筛选，开发出特异性小分子抑制剂，成功实现了对蝗虫群聚信息素 4VA 合成和释放过程的精准 阻断 ，进而完成了对 蝗虫 群聚行为的人工定向干预。相关工作为害 虫 防治提供了一条全新的思路，即不依赖于传统化学农药，而是通过调控 和阻断 信息素生物合成途径的关键转化步骤实现昆虫行为的精准控制。相关工作将促进昆虫病害防治模式的转变，在保障粮食安全、守护生态环境等方面发挥重要作用。
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09110-y
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