我国科学家破解害虫防御和解毒机制，为“虫口夺粮”提供新思路

来源：光明网

“瞄准，射击！”随着一声令下，目标被精准摧毁。

那，如果你的目标是农业害虫，要怎么做才能“杀死”它们？

传统的杀虫剂固然有效，但会带来一系列副作用，如环境污染、杀死青蛙等有益生物，此外，长时间使用单一农药，还有可能致使害虫产生抗药性，造成农药“失效”。

能否找到一种绿色、无污染，还能做到“精准打击”的方法？

为此，杨青团队已经努力了数十年。此前，该团队首次解析了重要绿色农药分子靶标——几丁质合成酶的三维结构和工作机制，并创制了首例靶向几丁质脱乙酰基酶的生物农药。这一次，他们又有新发现。

北京时间2024年12月24日24时，国际顶级期刊《细胞（Cell）》在线发表了中国农业科学院深圳农业基因组研究所（岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心）杨青教授团队的最新研究成果，研究揭示了ABCH转运蛋白转运脂质和外排农药的分子机制，并获得了能够抑制转运功能的小分子抑制剂。简单来说，研究解析了害虫的“外部防御”和“解毒”机制，并找到了能直接用于合成绿色农药的有效成分。

该研究为理解昆虫抗药性机制提供了新视角，也为设计并研发安全、低抗性的绿色农药奠定了重要基础。

靶向农药为“虫口夺粮”提供新思路

人类与害虫的斗争是一场旷日持久、没有硝烟的“战争”。在漫长的农业发展进程中，农作物病虫害始终是悬在头顶的达摩克利斯之剑，对粮食安全构成严重威胁。据联合国粮农组织估算，全世界每年因农作物病虫害造成的产量损失高达40%，经济损失超过2200亿美元。

虫口夺粮”成为摆在人们面前的一道难题。此前，人们尝试过喷洒农药、气味引诱、引入天敌等多种防治手段，但由于抗药性的增加和成本过高等因素，导致防治效果并不理想。

人们逐渐意识到，相比“万能”农药，我们更需要一种对害虫更“专一”的农药，于是，靶向农药应运而生，所谓靶向，就是以害虫为靶，针对害虫独特的结构特征而量身打造的一种农药，因其专一性强、安全高效、无污染，又被称为绿色农药。

而创制靶向农药的关键，在于找到合适的农药分子靶标。农药分子靶标是指农药在分子水平上作用的特定生物分子或蛋白质，它们能够直接影响害虫的生命活动。

发现理想绿色靶标：一类昆虫有而人类没有的特殊蛋白

在这项研究中，科学家发现了一类特殊的蛋白质——ABCH转运蛋白。这类蛋白存在于所有昆虫和其他节肢动物中，却不存在于人类、哺乳动物和植物中，因此，是理想的绿色农药分子靶标。

ABCH转运蛋白在昆虫生理机制中扮演着关键角色。它负责将脂质运输到昆虫表皮，参与昆虫表皮脂质屏障的构建，并且与抗药性直接相关。杨青团队鉴定了昆虫表皮主要脂质成分——神经酰胺为ABCH的生理底物，杀虫剂苯氧威为ABCH的外源性底物。

通过深入研究，该团队解析了ABCH转运蛋白与脂质分子和杀虫剂分子的独特互作机制，首次揭示了ABCH转运蛋白运输脂质和农药的完整过程，并获得了能够抑制转运功能的小分子抑制剂。

杨青介绍，昆虫“皮肤”结构其实是一个复杂而精巧的系统。包膜层（Envelope）和上表皮层（epicuticle）作为最外层，包含表皮蛋白、脂质等多种成分，起到防水、抵御病原微生物入侵和防止脱水等作用；其中，表皮中的脂质成分对昆虫体内的水分平衡和病菌防御至关重要。

杨青团队发现，ABCH转运蛋白优先转运昆虫表皮中的重要脂质成分----神经酰胺。ABCH招募细胞膜中的神经酰胺分子，让它结合在一个狭窄、细长的“拱形”通道中，在ATP水解提供的驱动力下，形成一种“挤压泵”将神经酰胺分子转运到细胞外。。

杨青团队发现，ABCH除了具有转运脂质方面的生理功能外，还具有外排杀虫剂的功能，因而与害虫的抗药性产生相关。ABCH每次招募两个杀虫剂“苯氧威”分子进入“拱形”转运通道，在ATP存在下，将具有细胞毒性的“苯氧威”分子排出细胞外。

此外，杨青团队筛选获得了能抑制ABCH的转运功能的小分子LMNG。这个“X”型的分子完美地将转运蛋白“卡”在底物结合构象中，使其无法完成农药分子的外排功能。

为害虫耐药性治理提供新方向

这项研究成果有望为创制安全高效的农药提供了新的靶标。当前，农药行业面临一些问题，比如靶标数量少导致害虫抗药性高，以及很多现有农药作用的靶标在人畜共有的神经 - 肌肉和能量代谢系统，存在潜在的高毒性。而ABCH转运蛋白只存在于昆虫中，针对它开发农药可以避免对人畜的不良影响，为开发新机制的绿色农药提供了关键的科学依据。

中国工程院院士钱旭红认为，“绿色农药创新研究和原创性靶标的发现”是当今植物保护行业和农药产业可持续和高质量发展进程的必然趋势，是研究中必须攀登和抢占的制高点。该项研究首次揭示了昆虫ABCH转运蛋白转运生理底物脂质以及外源杀虫剂底物的分子机制，将极大地推动并提升农药分子靶标导向的ABCH转运蛋白的研究开发和应用。

中国工程院院士宋宝安认为，害虫对杀虫剂日益严峻的抗性状况已经成为全球农业害虫防控所面临的棘手问题，严重威胁着全球粮食供应的稳定与安全。该研究深入解析了昆虫的抗药性机制，无疑对有效治理抗性问题具备理论和实践指导意义。

中国科学院院士康乐认为，脂质分子在细胞内合成之后是如何进入到表皮层的？昆虫又是如何实现外源物质的外排的？这些机制都是昆虫学中的未解之谜。该研究解开了这些科学问题并筛选获得了能抑制ABCH转运蛋白的小分子，为针对开发新机制分子靶标、有效解决抗药性问题开辟了全新的思路，对推动我国农业健康可持续发展具有重大战略意义。（光明网记者宋雅娟）