在自然界中，嗅觉在动物感知环境、寻找食物、识别同类和躲避天敌中发挥关键作用。对哺乳动物而言，这一过程依赖于G蛋白偶联受体（GPCR）介导的信号通路，由气味触发的一系列分子反应最终转化为神经信号。但是，昆虫主导嗅觉感知的是一种结构上不完全相同的受体体系——由气味受体OrX与共同受体Orco构成的异源四聚体。尽管已有研究表明这些OR复合体能直接引发钙离子流入，但是昆虫嗅觉信号转导过程中GPCR是否发挥作用，是否存在独特的信号传导路径，都是长期未解决的科学难题。
2025年9月11日，康乐院士团队在国际著名期刊Science Advances 发表最新研究成果“Locusts adopt IP3 as a second messenger for olfactory signal transduction”（蝗虫利用IP3作为嗅觉信号转导的第二信使）。他们以群聚信息素4-乙烯基苯甲醚（4VA）的气味感受为模型，系统分析了4VA从进入蝗虫触角到激活触角叶神经中枢、驱动行为反应的完整嗅觉信号通路。研究发现，4VA在触角中首先被两种嗅觉结合蛋白（OBP10和OBP13）识别并运输，激活特异性受体OR35与共受体Orco形成复合物。然而, 该复合体并不依赖传统的GPCR机制，而是通过一种名为Clvs2的脂质结合蛋白调控膜脂PIP2的转运，从而促进关键信号分子IP3的合成。随后产生的IP3在触角中诱导神经电信号的产生，并沿嗅觉神经传导至大脑触角叶，激活PLCe1酶，进一步放大IP3信号，完成嗅觉信号在中枢神经系统的转导。IP3作为核心二级信使，在蝗虫大脑触角叶中实现气味信号向神经信号的转化，最终触发行为反应。本研究不仅发现了昆虫嗅觉信号通路中的关键新成员，揭示了IP3在昆虫嗅觉受体这种非GPCR结构受体中的作用机制，展现了昆虫嗅觉系统的独特性与复杂性。第一次在实验上证明昆虫嗅觉信号传导不依赖于GPCR，IP3执行第二信使的功能。这项研究为深入理解昆虫嗅觉行为调控机制和设计基于干扰信息素感知的新型绿色防控策略提供了重要理论依据。
蝗虫群聚信息素是蝗虫群聚进而形成蝗灾的重要因素之一。2020年，康乐院士研究团队发现4-乙烯基苯甲醚（4VA）是飞蝗的聚集信息素（Guo et al., 2020, Nature），4VA在介导飞蝗群聚、调控型变以及调控雌性一致性性成熟过程中发挥着重要作用（Yang et al., 2020, PNAS; Chen et al., 2020, eLife）。最近，康院士团队揭示了4VA的体内生物合成途径，以及关键合成酶（Guo et al., 2025, Nature）。但是，飞蝗如何感受4VA的分子机制仍不完全清楚。目前仅鉴定出气味受体OR35的参与，其是否独立完成识别功能，抑或存在协同作用的辅助因子，尚未有报道。因此，深入解析4VA感受过程中的分子组分及其协同机制，对于全面理解飞蝗信息素感知通路具有重要意义。
该项研究以飞蝗感受4VA的信号传导为模型，在触角中筛选出两种嗅觉结合蛋白（OBP10和OBP13）和一个脂质结合蛋白Clvs2在4VA气味感受后显著上调，提示它们可能参与了4VA的感知与传导过程。随后证实OBP10和OBP13能够高亲和力结合4VA，并将其有效传递至特异性受体OR35，从而完成气味分子的第一步感知与受体激活。那么Clvs2这个具有SEC14结构域的脂质结合蛋白如何在4VA识别与信号转导中发挥作用呢？MST实验证明Clvs2不能直接与4VA结合，但是Clvs2能够结合脂质，并促进膜脂PIP2在细胞膜上富集，从而为合成IP3提供原料，提示其可能以“辅助者”身份参与信号放大。为了验证该推测，他们检测了IP3含量，并结合药理学干预，确认了IP3是由Clvs2调控产生的关键二级信使，承担将化学信号转化为神经电信号的关键任务（图1）。
图1 4VA感知过程中关键外周分子的筛选、结合验证与IP3合成机制
那么在蝗虫的大脑嗅觉中枢触角叶中，4VA嗅觉信号是如何进行转导的？研究者发现4VA感受显著上调了合成IP3的关键酶PLCe1的表达。PLCe1是磷酸肌醇信号通路的关键合成酶，那么阻断PLCe1的功能是否能够影响4VA在触角叶中的信号转导？当阻断IP3或PLCe1功能时，触角叶的投射神经元对4VA的神经响应明显下降，蝗虫在行为上对4VA的响应丧失，验证了IP3信号通路在中枢神经系统的调控功能（图2）。
图2 IP3信号通路在蝗虫中枢嗅觉响应与行为调控中的关键作用
这种IP3主导的嗅觉机制是4VA特异的还是具有普遍性？他们又测试了三种典型气味化合物，包括植物挥发物Z-3-己烯酸乙酯、警戒信息素PAN和性信息素DBP。结果发现该IP3信号通路不仅适用于4VA，也同样介导飞蝗对植物挥发物（Z-3-己烯酸乙酯）、警戒信息素（PAN）和性信息素（DBP）的感知与行为调控，提示该机制具有普适性（图3）。IP3不仅在外周感知阶段发挥作用，还在中枢神经中维持并调节嗅觉信号的传递与放大，构成了一条非GPCR驱动、IP3主导的完整嗅觉信号转导通路。
图3 IP3通路介导多种行为相关气味物质感知的广谱适应性机制
该项研究用一整条从气味分子到群体行为的连锁，揭示了昆虫嗅觉通路中非GPCR结构受体所依赖的信号传导机制，明确了IP3作为二级信使在其中的核心作用。构建了气味化合物从外周神经系统到中枢神经系统的“OBPs–OR35-Orco–Clvs2–PLCe1–IP3”完整信号通路（图4）。长期以来，IP3被视为GPCR信号通路下游的“专属产物”，该研究发现IP3可以不依赖GPCR，直接参与昆虫嗅觉信号转导。这些直接证据不仅为理解昆虫如何快速整合气味信息、实现协同行为提供了分子基础，也为未来开发干扰信息素感知的绿色防控技术提供了科学支撑。该研究从机制层面拓展了对非GPCR介导信号体系的系统认知，为嗅觉神经生物学与化学生态学研究带来新的启发与突破。
图4 飞蝗4VA嗅觉信号转导分子通路示意图
中国科学院动物研究所博士研究生杨景（现工作于青岛科技大学）为论文的第一作者，博士研究生贺久凌、董师杰、吕静、程李莉和博士后研究人员于俏俏为本研究做出了重要贡献。康乐院士与郭晓娇副研究员为共同通讯作者。该项目得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院动物研究所自主部署项目等的支持。