蚜虫是我国危害严重的农业害虫，有效而安全地防治蚜虫对农业生产具有重要意义。近年来，部分商品化杀蚜剂对非靶标生物的毒性问题广受关注，如何以生态安全为前提，寻找高效控制蚜虫的新方法，特别是安全有效的控制物质成为值得探索的课题。“推-拉”策略通过调控害虫和天敌的行为来达到控制害虫的数量，以实现害虫生态防控的目的，是有害生物综合治理的有效工具。近日，中国农业大学绿色农药分子设计与发现团队（Laboratory of Green Pesticide Molecule Design & Discovery，GPMDD）杨新玲教授课题组在新型蚜虫行为控制剂方面取得新进展，从‘生态学’角度出发，基于‘植物-蚜虫-天敌’三级营养关系中的关键调控因子天然植物挥发物β-紫罗兰酮，发现具有“推-拉”双重作用、且对多种非靶标生物安全的新型绿色蚜虫行为控制剂（图1）。该成果“Sustainable Natural Resources for Aphid Management: β-Ionone and its Derivatives as Promising Ecofriendly Botanical-based Products”作为封面文章发表在Journal of Agricultural and Food Chemistry。
图1 具有双重功能的新型生态友好型天然产物源蚜虫控制剂
杨新玲教授团队长期关注并探究植物释放的化学信号分子—植物挥发物对蚜虫及其天敌行为调控机制，发现植物挥发物及其类似物驱避豌豆蚜的潜在靶标蛋白ApisOBP9，且疏水作用在化合物结合ApisOBP9时起关键作用（Pest Manag. Sci., 2020, 76(7), 2465-2472）。随后通过将桥链酯基替换为酰胺(J Mol Struct., 2022, 1268, 133658)、以及酯基方向翻转（Molecules, 2022, 27, 5949）的研究，证明酯基对蚜虫驱避活性具有重要作用。在保留酯基基础上，引入双酯基（Pest Manag. Sci., 2023, 79 (2), 760-770）和对桥链酯基进行骨架跃迁（Pest Manag. Sci., 2024, 80 (3), 1099-1106；有机化学，2024, 10.6023/cjoc202407021）均对活性有利。此外，发现含酯基的化合物对杀虫剂具有增效作用（J Agric Food Chem., 2024, 72 (31), 17317-17327）。同时，通过合作研究发现植物挥发物及其类似物吸引异色瓢虫的潜在靶标为HaxyOBP15（Front. Physiol., 2022, 13, 829766），为开发具‘推-拉’双重功能的分子奠定了良好的基础。
本研究从“生态学”的角度出发，以天然植物挥发物β-紫罗兰酮为先导，结合计算机辅助分子设计技术，通过引入疏水性酯基结构，合理设计并合成了一系列新型β-紫罗兰酮酯类衍生物4a-4p（图2）。
图2：本研究的设计思想
行为活性测试发现，β-紫罗兰酮酯类衍生物不但对豌豆蚜Acyrthosiphon pisum具有良好的驱避效果（图3A），而且对蚜虫天敌异色瓢虫Harmonia axyridis的雄虫（B）和雌虫（C）也具有较好的吸引作用（图3B和图3C）。尤其是化合物4g的‘推-拉’活性优异，可作为新型蚜虫控制剂候选化合物进一步研究。
图3：衍生物的豌豆蚜驱避活性（A）和异色瓢虫雄虫（B）和雌虫（C）的吸引活性
图4：衍生物的豌豆蚜ApisOBP9结合活性（A）和异色瓢虫HaxyOBP15结合活性（B）
作用机制研究发现，4g与豌豆蚜气味结合蛋白ApisOBP9（图4A）和异色瓢虫气味结合蛋白HaxyOBP15（图4B）的结合活性均显著优于先导β-紫罗兰酮，疏水作用和氢键作用对于4g与ApisOBP9的结合活性至关重要（图5A），而疏水作用在4g与HaxyOBP15的结合中更重要（图5B）。这为进一步基于靶标的分子设计具有理论指导意义。
图5：化合物4g与豌豆蚜ApisOBP9（A）和异色瓢虫HaxyOBP15（B）的分子对接
安全性实验发现，化合物4g不仅对蚕豆植株安全（图6），而且对非靶标生物（蜜蜂、异色瓢虫）以及人源细胞低毒，在蚜虫的绿色防控中展现出良好的应用前景。
图6：化合物4g对蚕豆植株的安全性评价结果
中国农业大学为该论文第一完成单位，中国农业大学理学院杨新玲教授和植物保护学院秦耀果副教授为本文通讯作者，已毕业博士生潘世香为本文第一作者。北京市农林科学院植物保护研究所渠成博士和罗晨研究员、广西大学农学院李雪生教授及河北大学药学院李婉副教授也参与了该项工作。该研究得到了国家自然科学基金（22277136）资助。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.jafc.4c04053
图7 中国农业大学绿色农药分子设计与发现团队
GPMDD团队基于粮食与生态安全等重大战略需求，针对农林业重要病虫害问题，通过多学科交叉集成和不同学科背景人员协同攻关，提高原创性农药先导发现效率，创制具有自主知识产权绿色农药。主要研究方向：1）靶标导向的绿色农药分子设计与发现；2）天然产物导向的绿色农药创制；3）农药分子靶标发现及高通量筛选方法研究；4）基于人工智能技术的重大病虫害“药-靶”评价和安全性预测；5）农药绿色合成工艺及应用技术研究。
