摘要
在昆虫的整个生命周期中，嗅觉发挥着至关重要的作用。许多昆虫依赖强大的嗅觉系统来寻找合适的栖息地和寄主植物，识别交配对象和产卵地点。草地贪夜蛾（Spodoptera frugiperda）是一种世界性的农业害虫，其寄主范围几乎包括所有重要的农作物。由于其强大的迁飞能力和环境适应性，草地贪夜蛾的防治一直是全球农业面临的巨大挑战。因此，揭示草地贪夜蛾的嗅觉识别机制，对于开发新型防控策略具有重要意义。 本研究以草地贪夜蛾成虫为研究对象，采用“反向化学生态学”研究路径，结合多种实验技术，对草地贪夜蛾的嗅觉受体（OR）与配体的结合机制进行了系统研究。首先利用转录组测序技术鉴定出69个OR基因和25个IR基因。系统发育分析发现，SfruOR14和SfruOR23的直系同源蛋白在不同昆虫物种间具有较高的序列保守性。qPCR实验结果表明，这两个OR基因主要在草地贪夜蛾的触角中特异性表达。电生理实验证实，SfruOR14能够被多种芳香族化合物激活，包括苯乙醛（PAA）、苯甲醛、庚醛、E-2-己烯-1-醛、肉桂醛和2-苯乙醇等，其中以PAA的响应最强。而SfruOR23的主要配体分子则为E-β-法尼烯（EBF）、乙酸香叶酯（GA）、E-α-法尼烯、乙酸芳樟醇和Z-9-十四碳烯醛，其中EBF为SfruOR23的主配体。 为了阐明SfruOR14和SfruOR23与其配体相互作用的分子机制，本研究构建了这两个受体的三维结构模型，并通过分子对接、动力学模拟、MM-PBSA和定点突变技术，揭示了关键氨基酸残基在受体-配体结合中的重要作用。结果显示，SfruOR14与PAA等配体相互作用主要依赖Phe79、His83、Tyr149、Pro176、Gln177、Leu202 和 Thr348 等关键氨基酸残基。而 SfruOR23 与配体 EBF 和 GA 结合时，则主要受 Ile68、Thr71、Val150、Tyr157、Phe178、Tyr210 和 Phe324等残基的相互作用。分子动力学模拟和MM-PBSA进一步验证了 SfruOR23-配体复合物的动力学特征和结合自由能。结果表明，EBF和GA能够与SfruOR23形成稳定的复合物，其结合自由能分别为-130.725±11.666 kJ/mol 和-120.047±8.834 kJ/mol。氨基酸残基能量分解表明，Thr71、Ile68、Val150、Phe178、Ala154、Tyr157和His320等残基对复合物稳定性贡献较大。此外，GetContacts分析发现，在整个模拟过程中，Phe178与配体的结合频率高达98％,其次为Cys206、His320、Thr71、Tyr157、Val150、Cys153和Ile68。定点突变实验直接验证了这些关键残基的作用,SfruOR23的Ile68、Thr71、Val150、Phe178和His320等残基突变为丙氨酸后，均丧失了与EBF和GA结合的能力。类似地，SfruOR14的His83Ala突变体完全丧失了对PAA的响应，而Phe79Ala和Leu202Ala突变体的响应能力也显著下降。 总之，本研究利用多学科交叉的研究策略，系统解析了草地贪夜蛾SfruOR14和SfruOR23的功能特征和分子作用机制。一方面，本研究鉴定了 SfruOR23和SfruOR14的多个关键配体，这为开发新型引诱剂和驱避剂奠定了重要基础;另一方面，揭示了受体—配体相互作用的关键氨基酸位点，加深了对昆虫嗅觉分子机制的认识。这些研究成果不仅具有重要的理论意义，而且对于发展害虫监测和防控新技术具有广阔的应用前景。
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