在自然界中，生物之間的相互作用是複雜而多樣的，信息交流涉及物理、化學和生物等多個層麵。昆蟲信息素（Insect Pheromone），作為昆蟲體內各種腺體或細胞產生並分泌到體外的微量化學物質，是昆蟲種內和種間通訊的重要化學媒介，其在昆蟲的求偶、交配、覓食、聚集、產卵、導航定向、防禦報警和種間識別等行為中發揮重要作用。因此，昆蟲信息素的開發與利用，是實現精準調控害蟲行為、推動害蟲綠色可持續防控發展的關鍵突破方向。而揭示昆蟲信息素的合成途徑是實現這種綠色防控策略的必要環節。盡管已有超過3000種昆蟲的信息素被發現和鑒定，但是全麵揭示一個特定的信息素在昆蟲體內的生物合成途徑鮮見報道。

北京時間2025年6月25日23:00，國際頂級學術期刊《自然（Nature）》在線發表了必威精装版app西汉姆联 康樂團隊與北京大學雷曉光團隊合作完成的最新研究成果“Decoding 4-vinylanisole biosynthesis and pivotal enzymes in locusts”（解碼蝗蟲群聚信息素4-乙烯基苯甲醚生物合成與關鍵催化反應酶）。該研究係統解析了蝗蟲群聚信息素4-乙烯基苯甲醚（4VA）的完整生物合成途徑，成功鑒定出4VA的生物合成前體化合物以及關鍵合成酶4VPMT1和4VPMT2，基於酶-底物構效關係的解析，研究團隊通過設計和篩選開發出特異性小分子抑製劑，成功實現了對蝗蟲群聚信息素 4VA 生物合成與釋放過程的精準化學調控，進而完成了對其群聚行為的人工定向幹預。該研究不僅深入揭示了蝗蟲群聚信息素生物合成的分子機製，更在理論與技術層麵為研發基於信息素調控的害蟲精準防控策略奠定了堅實科學基礎，為農業害蟲綠色防控體係的構建開辟了全新路徑。

文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09110-y

正文

昆蟲信息素在求偶、交配、覓食、聚集、產卵、導航定向、防禦報警和種間識別等方麵均發揮重要作用。根據其功能的不同，昆蟲信息素可以分為性信息素、報警信息素、聚集信息素、疏散信息素、追蹤信息素等種內信息素，以及協同素、利己素、利他素等種間信息素。據報道，已有超過3000種昆蟲信息素被鑒定。如此多樣和豐富的信息素，傳遞著不同的化學信息，既要有物種的特異性，又要功能的特異性，還要巧妙的避免被其他生物和天敵利用。因此，這些信息素的合成途徑也同樣複雜多樣。從化學結構的角度來看，大多數信息素被認為是從頭合成的，但也有一些是通過食物攝入前體物質，經過簡單的生物轉化過程形成的。在某些情況下，腸道微生物也被證明參與或影響昆蟲信息素的合成過程。然而，全麵揭示一個特定信息素在昆蟲體內的生物合成途徑還鮮見報道。

蝗蟲群聚信息素是蝗蟲群聚進而形成蝗災的重要因素之一。康樂研究團隊2020年證明4-乙烯基苯甲醚（4VA）是飛蝗的聚集信息素（Guo et al.,2020,Nature），終結了50多年來的爭論。然而，到目前為止，4VA的生物合成通路與密度依賴的釋放機製仍然未知。為了確定4VA的合成通路，他們首先確定了4VA的合成底物是來源於植物的苯丙氨酸。隨後預測了兩條4VA的合成通路。通過飼喂或注射穩定同位素標記的候選中間體，最終確定了飛蝗中4VA合成通路是：苯丙氨酸（Phe）-肉桂酸（CA）-對羥基肉桂酸（p-HCA）-4-乙烯基苯酚（4VP）最後到4VA。Phe-CA- p-HCA的轉化在腸道中完成，p-HCA出腸道隨血淋巴擴散並轉化為4VP，最終合成4VA釋放到體外。此外，蝗蟲可以直接從植物中快速獲取Phe、CA和p-HCA（木質素合成關鍵化合物），隻需重點完成最後4VP和4VA的轉化即可（圖1）。

由於散居蝗蟲不產生4VA，那麼哪些中間體化合物導致了僅有群居蝗蟲能產生4VA呢？研究發現Phe、CA、p-HCA和4VP均可在群居蝗蟲和散居蝗蟲的不同組織中檢測到。對散居蝗蟲飼喂或注射氘代前體均不能產生氘代4VA，表明群居型和散居型飛蝗4VA合成差異的關鍵在於4VP到4VA的合成過程。研究證明從4VP到4VA是由甲基轉移酶介導的甲基化反應。通過體內幹擾以及體外酶活檢測，發現兩個關鍵甲基轉移酶4VPMT1和4VPMT2控製蝗蟲體內4VP到4VA的轉化。4VPMT1和4VPMT2的mRNA水平和蛋白水平能夠正向響應蝗蟲種群密度的變化。將4VPMT1和4VPMT2聯合RNAi幹擾後，4VA的釋放量顯著下降，群居蝗蟲也表現出向散居行為的顯著轉變。這些結果表明，4VPMTs是 4VA生物合成的分子開關，他們的表達和翻譯受種群密度的激發（圖2）。為了進一步揭示其催化功能，合作團隊解析了4VPMT2-4VP-SAM三元複合物的晶體結構。對結合構象分析以及定點突變實驗驗證發現4VP與4VPMT2中的芳香族氨基酸殘基H137形成了Pi-Pi相互作用。通過對4VPMT1的結構進行建模、分子對接、動力學模擬以及定點突變實驗發現4VP的結合被一些疏水殘基V278和M203所穩定。同時Y61與4VP的苯酚基形成氫鍵作用。此外4VP與4VPMT1中的芳香族氨基酸殘基W174之間形成了Pi-Pi相互作用，表明W174對4VPMT1的高活性起到了關鍵作用。

明確了4VA的前體化合物、關鍵合成酶以及結合位點，研究團隊進而設計、預測並篩選到了幾十個可以抑製4VPMTs酶促甲基化能力的小分子化合物。其中4-硝基苯酚（4NP）在體外能夠以極低的濃度下對4VPMT1和4VPMT2起到抑製效果。此外與4VP相比，4NP對4VPMT1具有更高的結合親和力，使其成為一種抑製4VA產生的有效抑製劑。為了研究4NP在體內對4VPMTs的抑製作用，在群居飛蝗體內注射了不同濃度的4NP。結果表明在注射濃度0.1 nmol時，4NP能夠顯著抑製4VA的產生。此外，對群居飛蝗飼喂噴灑有4NP的麥苗後，4VA的釋放量顯著下降，同時群居飛蝗的行為顯著向散居行為轉變。同樣，飼喂4NP後，群聚化處理的散居飛蝗的4VA釋放量顯著下降，同時群聚化處理的散居飛蝗仍表現出散居行為，而對照組則表現出顯著的群居行為。因此，基於4VA前體結構以及與合成酶構效關係設計的4-硝基苯酚（4NP）能有效地抑製飛蝗的群聚行為（圖3）。

蝗蟲利用植物種最常見的氨基酸來合成自己特異的群聚信息素，這是一個非常精巧和節省能量的適應策略。鑒於苯丙氨酸向肉桂酸繼而向對羥基肉桂酸的轉化過程是植物木質素生物合成中的保守途徑，蝗蟲能夠快速獲取大量生物合成前體以促進後續轉化。借助這些植物源中間體，蝗蟲僅需兩步反應即可將其轉化為群聚信息素4VA。因此，4VA也可以看作食物信號，這也可能是4VA成為蝗蟲聚集信息素的一大內在驅動力。同時，群居型飛蝗通過精準調控4VPMTs的表達，即可完成4VP到4VA的生物轉化，從而實現信息素的釋放和終止。4VPMTs介導的甲基化將4VP的羥基轉化為4VA的甲氧基，不僅能降低分子親水性，還能增強揮發性。這些適應性機製顯著降低了蝗蟲的能量與物質消耗，極大提高了群聚信息素4VA的合成效率，同時顯著增強了其應對環境變化的靈活性與適應性。

4VPMTs是4VA生物合成的關鍵酶，也是抑製蝗蟲聚集的重要靶點。4-硝基苯酚（4NP）通過競爭性結合4VPMTs來抑製4VA生物合成。作為底物類似物，4NP酚羥基的親核性因吸電子硝基的存在而顯著降低，使其成為反應活性較弱的底物。值得注意的是，4NP與4VPMTs的結合親和力高於4VP，從而能競爭性占據酶活性位點。從蛋白結構特征來看，4NP與4VPMTs的特異性相互作用既保證了抑製劑的選擇性，又能最大限度避免幹擾其他代謝通路時產生的脫靶效應。

該研究通過係統性解析蝗蟲群聚信息素 4VA 的生物合成路徑，精準鑒定關鍵合成酶，並以此為靶點設計出高效特異的小分子抑製劑，成功實現了對蝗蟲信息素合成的靶向化學調控及群聚行為的人工幹預。這是生物信息流研究的重要突破，這一成果不僅深度揭示了昆蟲化學通訊的分子機製，更創新性地為害蟲防控提供了全新策略—-—通過幹預昆蟲信息素通路實現行為調控，而非依賴傳統化學農藥。其成果將有力推動害蟲防控模式的革命性轉變—-—從過度依賴化學殺蟲劑的傳統模式，向精準化、綠色化的行為調控模式躍遷，為農業害蟲綜合治理體係的革新奠定了堅實的理論根基與技術支撐，有望在保障糧食安全、守護生態環境與人類健康領域發揮深遠影響（圖4）。

必威精装版app西汉姆联 郭曉嬌、北京大學高磊、必威精装版app西汉姆联 博士生李世煒為論文的共同第一作者，必威精装版app西汉姆联 康樂與北京大學雷曉光為共同通訊作者。必威精装版app西汉姆联 、北京大學與河北大學的多位研究生為本研究做出了重要貢獻。該工作得到了國家自然科學基金項目、國家重點研發計劃和新基石基金會等的支持。

專家評論

中國農業科學院植物保護研究所 吳孔明 院士

昆蟲信息素作為維係昆蟲種內協同與種間互作的核心化學紐帶，其功能機製的深度解析與創新應用，始終是害蟲綠色防控領域的前沿焦點與攻堅方向。在此背景下，蝗蟲群聚信息素 4VA 的係統性研究成果，無疑是昆蟲學領域的重大理論突破與技術革新。

盡管直接合成信息素引誘或捕殺昆蟲已被廣泛應用，但通過靶向抑製信息素合成酶而阻止其合成與釋放進而調控昆蟲行為還一直未見報道。康樂與雷曉光研究團隊憑借跨學科整合研究策略，運用組學、化學、分子生物學、結構生物學等前沿技術，成功破譯了 4VA 生物合成的完整通路，並通過蛋白質結構解析與功能驗證，精準錨定了關鍵限速酶。更值得關注的是，研究團隊進一步創新性設計出具有高特異性的小分子抑製劑，實現了對昆蟲信息素合成通路的靶向阻斷與群聚行為的精準調控。這一成果不僅填補了昆蟲化學通訊合成機製研究與靶向調控的重要空白，更開創了“以生物信息流為靶點”的害蟲防控新思路，為害蟲綠色防控闖出一條新路。

從應用前景來看，該技術體係的成功構建，標誌著害蟲防控正式邁入“精準靶向、綠色高效”的智能調控時代。其未來在農業生產中的廣泛應用，將顯著降低化學農藥使用強度，有效緩解生態環境汙染壓力，為保障全球糧食安全、維護生物多樣性提供了創新性解決方案，對推動農業綠色轉型與可持續發展具有深遠的戰略意義與社會價值。

中國科學院微生物研究所 高福 院士

在生命科學領域，發掘關鍵功能蛋白、通過結構生物學手段解析其原子級構象、闡明分子調控機製，並以此為基礎開發靶向藥物，已成為當代前沿研究的核心方向。

康樂與雷曉光團隊最新的突破性發現，不僅首次完整揭示了4VA生物合成途徑，更重要的是，他們鑒定到了這個信息素釋放的分子開關，4VPMTs（4-乙烯基苯酚甲基轉移酶）。他們通過X 射線晶體衍射解析了4VPMT2與底物的共晶結構，鑒定了底物識別的關鍵殘基W173,H174以及催化殘基Y62，並開發出結合能力更強，反應活性更低的底物競爭性分子4NP，該分子通過競爭性結合酶促位點阻斷底物的結合，從而實現了對4VA生物合成與釋放過程的精準調控，最終完成對蝗蟲群聚行為的人工幹預。這一研究鏈條完整呈現了 “結構解析 - 機製闡明 - 藥物設計 - 功能調控” 的全流程創新範式。

作為結構生物學指導藥物研發的典型案例，該成果不僅為昆蟲化學生態學研究建立了創新性範式，更推動了農業害蟲防控策略從傳統化學殺蟲劑向精準行為調控的戰略轉型。基於該研究開發的係列新型生物調控劑，將在保障全球糧食安全、維護生態平衡等領域產生深遠影響，為農業可持續發展提供堅實的科技支撐。

上海交通大學/中國科學院上海有機化學研究所 劉文 教授

近日，必威精装版app西汉姆联 康樂團隊與北京大學雷曉光團隊合作完成的最新研究成果“Decoding 4-vinylanisole biosynthesis and pivotal enzymes in locusts”，在《自然（Nature）》在線發表了。這是一個基於生物合成研究、為精準防控蝗蟲災害提供有效切入點的典型範例。

昆蟲信息素的生物合成研究極具挑戰性，很多情況下缺少有效的研究手段，例如很難開展昆蟲體內的遺傳學實驗，很難有效地利用化學分離鑒定微量的信息素分子等。該研究突破了領域中的瓶頸，係統剖析了蝗蟲群聚信息素4-乙烯基苯甲醚（4VA）的完整生物合成途徑。值得注意的是，4VA的合成並非一定全在蝗蟲體內進行。其前體是植物來源的苯丙氨酸（Phe），通過進食，在體內曆經肉桂酸（CA）、對羥基肉桂酸（p-HCA）和4-乙烯基苯酚（4VP）等中間體過程，最終形成強揮發性的4VA釋放至體外。由於苯丙氨酸、肉桂酸和對羥基肉桂酸都可以從植物中大量獲取，蝗蟲隻需“取巧”完成4-乙烯基苯酚和4-乙烯基苯甲醚的轉化即可獲得導致群聚的信息素。這是一個非常高效、節省能量的生物合成策略。通過簡單的生物轉化，既有充足的前體來源，又形成了化學介質結構與功能的特異性。這一策略有助於提高信息素釋放或終止的調控效率，體現了蝗蟲對環境變化的靈活性與適應性。

通過群居蝗蟲和散居蝗蟲的信息素產生能力對比，研究發現從4-乙烯基苯苯酚到4-乙烯基苯甲醚的甲基化轉化是差異關鍵點，受甲基化酶4VPMT1和4VPMT2表達、翻譯所調控。基於酶-底物構效關係的深度解析，研究團隊通過結合理性設計和藥物篩選，開發出特異性小分子抑製劑，成功實現了對蝗蟲群聚信息素 4VA 合成和釋放過程的精準阻斷，進而完成了對蝗蟲群聚行為的人工定向幹預。相關工作為害蟲防治提供了一條全新的思路，即不依賴於傳統化學農藥，而是通過調控和阻斷信息素生物合成途徑的關鍵轉化步驟實現昆蟲行為的精準控製。相關工作將促進昆蟲災害防治模式的轉變，在保障糧食安全、守護生態環境等方麵發揮重要作用。

圖1. 蝗蟲群聚信息素4VA的生物合成通路

圖2. 甲基轉移酶4VPMT1與4VPMT2是4VA合成的分子開關

圖3. 小分子抑製劑4-硝基苯酚顯著抑製蝗蟲的群聚行為

圖4. 蝗蟲群聚信息素4VA的生物合成解碼與行為操控