性信息素介导的种内化学通讯是昆虫配偶识别、生殖隔离和种群繁衍的重要生物学基础。在蚜虫有性世代中，性雌蚜通过后足胫节释放性信息素，吸引雄蚜完成交配。荆芥醇（nepetalactol）和荆芥内酯（nepetalactone）作为蚜虫性信息素的主要组分已被发现数十年，但雄蚜如何精准识别这些化学信号，以及性信息素受体如何将配体结合转化为离子通道开放，长期缺乏直接的分子与结构证据。
近日，华中农业大学殷平教授团队联合中国农业科学院植物保护研究所/农业基因组研究所王桂荣研究员团队，在Cell Research发表题为 Structural basis of sex pheromone detection in aphids 的研究论文。该研究鉴定了豌豆蚜（Acyrthosiphon pisum）感知性信息素的关键气味受体，解析了性信息素受体 ApOR22–Orco 复合物在三种功能状态下的高分辨率冷冻电镜结构，首次从原子水平揭示了蚜虫性信息素识别与受体激活的分子机制。
该研究综合运用结构预测、系统发育分析、电生理记录、RNAi 干扰和行为学实验，在豌豆蚜中鉴定出两个性信息素受体 ApOR21 和 ApOR22。其中，ApOR21–Orco 特异性识别荆芥醇，ApOR22–Orco 特异性识别荆芥内酯。进一步的体内功能验证表明，干扰 ApOR21 或 ApOR22 均会削弱雄蚜对相应性信息素组分的电生理响应，并影响其对性信息素混合物的趋向行为，证明二者在蚜虫性信息素感知中发挥关键作用。
在此基础上，研究团队解析了 ApOR22–Orco 复合物在未结合闭合态、荆芥内酯结合闭合态以及荆芥内酯结合开放态下的冷冻电镜结构。结构显示，ApOR22–Orco 复合物采用 1:3 异源四聚体组装形式，即 1 个 ApOR22 亚基与 3 个 ApOrco 亚基共同构成配体门控离子通道。荆芥内酯结合于 ApOR22 跨膜区由 S2–S6 螺旋围成的配体结合口袋，其中 N222 等关键残基参与稳定配体构象。配体结合后，ApOR22 的 S5、S6 和 S7 螺旋发生协同偏转，驱动门控区域构象重排，使中央孔道由关闭状态转变为开放状态，从而允许阳离子通过。
研究还发现，开放态中特异形成的 N118–Y354 氢键对于维持受体激活构象具有重要作用。通过同源建模、定点突变和电压钳功能分析，研究进一步揭示了 ApOR21 与 ApOR22 配体选择性的结构基础：尽管二者结合口袋整体相似，但 S2 和 S5 螺旋上的差异性残基共同调控其对荆芥内醇和荆芥内酯的识别偏好。该结果表明，性信息素受体的配体特异性并非由单一氨基酸决定，而是由结合口袋内多个关键残基协同塑造。
该研究系统阐明了蚜虫性信息素受体从配体识别到通道开放的分子过程，揭示了昆虫性信息素感知的结构基础，为理解昆虫化学通讯、配偶识别和生殖隔离机制提供了重要理论依据。同时，该成果也为基于受体结构开展性信息素类似物设计与绿色害虫行为调控策略开发奠定了结构基础。
蚜虫性信息素识别的结构基础。a豌豆蚜性信息素识别示意图; b豌豆蚜性信息素组分荆芥醇与荆芥内酯分子结构图; c ApOR22-Orco复合物激活机制模型。
华中农业大学殷平教授，中国农业科学院植物保护研究所王桂荣研究员、王冰研究员为论文共同通讯作者；华中农业大学博士生董志、王意东教授以及中国农业科学院植物保护研究所/河南农业大学联合培养博士生田莹为论文共同第一作者。华中师范大学曹松讲师、中国科学院武汉精密测量科学与技术创新研究院龚洲副研究员、河南农业大学赵新成教授和华中农业大学马伟华教授等共同参与了研究工作。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41422-026-01267-z
制版人： 十一
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