蝗虫聚集信息素4-乙烯基苯甲醚(4VA)生物合成通路解析及其关键酶在蝗灾防控中的靶向应用

中国科学院团队破解蝗虫聚集信息素4VA的生物合成机制，发现其由植物源苯丙氨酸经三步转化生成，关键甲基转移酶4VPMT1/2的密度依赖性表达调控4VA合成。通过结构解析开发抑制剂4-硝基苯酚(4NP)，可阻断蝗群聚集行为，为替代化学农药提供新策略。

　　

蝗灾是威胁全球农业安全的重大生物灾害，每年数百万吨化学农药的使用带来严峻的环境和健康问题。蝗虫为何会形成破坏性集群？这一现象背后的化学语言是什么？中国科学院的研究团队在《Nature》发表的研究揭开了这一谜题——他们发现蝗虫通过释放聚集信息素4-乙烯基苯甲醚(4VA)实现群体聚集，并完整解析了其生物合成通路及调控机制。

研究团队采用多学科交叉方法：通过稳定同位素示踪技术确认苯丙氨酸为4VA前体；利用转录组筛选和RNA干扰(RNAi)鉴定关键甲基转移酶4VPMT1/2；采用X射线晶体学解析4VPMT2与底物复合物结构(PDB ID 8ZSA)；基于结构设计抑制剂4-硝基苯酚(4NP)并通过行为学实验验证其防控效果。样本来自实验室长期饲养的群居型和散居型东亚飞蝗(Locusta migratoria)。

苯丙氨酸是初始底物
通过饥饿实验和同位素标记发现，群居型蝗虫利用食物中的苯丙氨酸(Phe-d5)合成4VA，而非木质素或酪氨酸。同位素示踪显示植物仅提供苯丙氨酸、肉桂酸(CA-d6)和对羟基肉桂酸(p-HCA-d4)，不提供4-乙烯基苯酚(4VP)。

4VA生物合成需要三种中间体
化学逻辑和实验验证表明，苯丙氨酸依次转化为肉桂酸、对羟基肉桂酸和4-乙烯基苯酚，最终由4VPMT1/2催化生成4VA。散居型蝗虫因缺乏4VPMT活性无法完成最后一步转化。

两种甲基转移酶合成4VA

转录组筛选发现4VPMT1(LOCMI16699)和4VPMT2(LOCMI02868)在群居型蝗虫后腿高表达。酶动力学显示4VPMT1催化效率(k_cat/K_m=20.9 M^-1s^-1)远高于4VPMT2(0.00473 M^-1s^-1)。双基因RNAi使4VA产量归零，蝗虫丧失聚集行为特征(P_greg从0.77降至0.18)。

W174增强4VPMT1活性
晶体结构显示4VPMT2的L138对应4VPMT1的W174，后者与底物形成π-π相互作用。将4VPMT2的L138突变为色氨酸(L138W)可使酶活性提升300倍。

4VA生物合成抑制剂抑制蝗虫聚集

基于结构筛选发现4-硝基苯酚(4NP)可竞争性抑制4VPMT1/2(IC₅₀≈190 nM)，喂食4NP的蝗虫4VA产量下降且保持散居行为(P_greg=0.16)。临床药物托卡朋(tolcapone)也被证实具有抑制效果。

这项研究首次阐明蝗虫聚集信息素的完整合成路径，揭示群体密度通过调控4VPMT表达控制信息素合成的分子机制。开发的靶向抑制剂为蝗灾绿色防控提供新思路——通过干扰化学通讯而非直接毒杀来控制害虫种群，有望减少90%化学农药使用。研究还展示了将基础研究成果转化为实际应用的完整范式：从代谢通路解析、关键酶鉴定到抑制剂设计，为其他害虫信息素调控研究提供模板。