近日，中國農業科學院植物保護研究所高玉林研究員團隊聯合國內外科研團隊，在國際著名綜合性期刊《美國科學院院刊》（PNAS）在線發表了研究論文。該研究系統揭示了不同馬鈴薯品種揮發物差異如何通過特異性氣味受體調控馬鈴薯塊莖蛾的寄主選擇行為，從分子水平闡明了馬鈴薯塊莖蛾差異化識別寄主化學通訊機制，為構建基于品種本身或信息化學物質的“推-拉”綠色防控體系提供了分子靶標和理論基礎。

馬鈴薯塊莖蛾（Potato tuber moth, Phthorimaea operculella）是全球茄科作物的重要害蟲，是典型的鉆柱性害蟲，可同時危害田間種植期和貯藏期馬鈴薯植株或薯塊，給馬鈴薯產業帶來嚴重經濟損失。長期以來，馬鈴薯塊莖蛾防控主要依賴化學農藥，防效差且存在環境與安全隱患。一系列基于生態學的害蟲防控策略應運而生，其中就包括“推-拉”策略（Push-Pull）。“推-拉”策略通過利用植物釋放的引誘物和驅避物調控害蟲行為，被認為是害蟲綠色防控的重要手段。然而，利用栽培品種本身或其釋放的引誘物和驅避物構建馬鈴薯塊莖蛾“推-拉”防治策略是否可行？其背后的化學與分子機制一直缺乏系統解析。

科研團隊在田間和室內條件下對46個馬鈴薯品種開展系統評價，發現不同品種在幼蟲密度、產卵量和受害程度上存在顯著差異。通過揮發物分析與行為測定，鑒定出多種具有明確行為活性的揮發性有機化合物（VOCs）：反式橙花叔醇（trans-nerolidol）和β-紫羅蘭酮（β-ionone）對雌蛾具有引誘作用，而3-蒈烯（3-carene）和惕各酸芐酯（benzyl tiglate）則表現為顯著的產卵抑制或驅避效應。這些關鍵化合物在感蟲性品種與抗蟲性品種中的相對含量存在明顯差異，進一步表明雌蛾通過識別品種特異的揮發物組合來決定產卵去向。

為進一步揭示雌蛾如何識別這些氣味信號，科研團隊進一步解析了馬鈴薯塊莖蛾的嗅覺受體系統。通過電生理篩選和異源表達體系，成功解析了6個氣味受體（odorant receptors, OR）的配體特異性。其中3個受體對關鍵揮發物表現出高度專一性：PopeOR01特異響應反式橙花叔醇，該基因在交配后上調表達；PopeOR15和PopeOR73分別特異識別惕各酸芐酯和3-蒈烯。功能驗證顯示，在高度感蟲品種中富集的反式橙花叔醇與PopeOR01密切相關，而在抗蟲品種中富集的3-蒈烯和惕各酸芐酯則分別對應PopeOR73和PopeOR15的感受通路。為直接驗證受體在行為中的功能，研究團隊利用CRISPR/Cas9技術構建基因敲除突變體。結果表明，PopeOR01缺失后，雌蛾對反式橙花叔醇的觸角電生理響應和產卵偏好顯著喪失；PopeOR73敲除后，個體對3-蒈烯的驅避反應明顯減弱。這一結果在分子層面系統建立了“品種揮發物-氣味受體-行為-田間受害結果”之間的因果聯系。

結合AlphaFold3結構預測、分子對接和分子動力學模擬，研究進一步揭示了OR-Orco復合體的保守通道結構及配體穩定結合模式，發現受體結合口袋中的疏水和芳香相互作用決定了對不同揮發物的識別特異性。這些結構信息為理性設計新型引誘劑或驅避劑、精準調控害蟲嗅覺提供了分子框架。綜合化學生態學、功能基因組學、結構生物學與行為學分析，研究團隊構建了“馬鈴薯品種揮發物組成-氣味受體特異識別-雌蛾產卵決策-害蟲發生程度”的調控模型，揭示了不同OR通路分別整合引誘與驅避信號，共同決定雌蛾在不同品種間的產卵分配。

該研究不僅深化了對昆蟲-寄主植物化學通訊機制的認識，也為抗蟲資源挖掘以及通過抗感品種選擇或信息化學物質應用構建“推-拉”防控體系提供了科學依據，對實現農業害蟲綠色防控具有重要意義。

該研究得到國家重點研發計劃項目和中國農業科學院科技創新工程項目的資助。

 

馬鈴薯塊莖蛾鉆柱取食薯塊。中國農科院供圖