在與寄主植物協同進化過程中，昆蟲形成的化學防御體系為殺蟲劑抗性的進化提供了遺傳基礎。然而，兩者關聯的分子機制尚不清楚。
30年來，南京農業大學植物保護學院教授吳益東團隊潛心研究，終于破解了昆蟲細胞色素P450在殺蟲劑代謝抗性形成中的重要作用。
近日，《美國國家科學院院刊》（PNAS）在線發表了該團隊最新研究成果。他們通過對2種全球性害蟲（草地貪夜蛾和甜菜夜蛾）P450基因功能的系統解析，揭示了昆蟲P450基因介導寄主植物適應性和抗藥性進化的內在機制。
一度準備放棄的研究領域
棉鈴蟲、甜菜夜蛾等鱗翅目昆蟲是我國棉花、蔬菜等重要經濟作物上的主要害蟲，危害的寄主植物超過100種。由于殺蟲劑的不合理使用，這些害蟲對包括擬除蟲菊酯在內的多種殺蟲劑都產生了高水平的抗性，造成了重大經濟損失。
是什么讓害蟲對殺蟲劑產生了這么強烈的抗性？這是科學家一直關注的問題。
“在昆蟲與植物長期協同進化過程中，植物通過產生次生物質防御昆蟲的侵害，而昆蟲則進化出解毒代謝酶來應對植物的化學防御。細胞色素P450是植食性昆蟲應對植物化學防御物質的一類重要解毒代謝酶，在植物次生物質解毒和殺蟲劑代謝抗性形成中具有重要作用。”論文通訊作者吳益東告訴《中國科學報》。
他介紹，細胞色素P450單加氧酶（簡稱“P450”）是存在于幾乎所有生物體內的一種氧化酶，在昆蟲體內參與內源性化合物（如激素/性信息素）的合成/降解，以及外源有毒化合物（如殺蟲劑/植物次生抗蟲物質）的解毒，介導昆蟲的生長發育、寄主植物適應以及殺蟲劑抗藥性。
吳益東團隊在上世紀末就已經通過生化手段明確了P450等解毒代謝酶介導的解毒能力提升，是造成我國以及亞洲多國的田間棉鈴蟲種群對多種殺蟲劑產生高水平抗性的主要原因。
然而，“由于昆蟲體內P450基因數量眾多，不同P450解毒酶的底物譜可能相互重疊，因此明確P450和植物次生物質和殺蟲劑解毒代謝之間的互作關系極具挑戰性。”吳益東說，此外，由于技術手段的限制，多年來一直無法明確具體介導抗性的關鍵基因，“我們一度準備放棄該領域的研究。”
建“P450工廠”拉開基因功能研究序幕
好在吳益東團隊一直沒有放棄。經過多名研究生十幾年的接力，在有限的資料參考下，該團隊于2014年自主成功搭建了包括基因克隆、真核細胞表達、蛋白純化和代謝活性定性/定量檢測在內的P450基因離體功能研究平臺。
并且，他們經過多次技術迭代，建立了“P450工廠”，可以同時對多個P450基因的功能進行快速離體鑒定和比較，拉開了昆蟲P450大規模基因功能研究的序幕。
首篇關于10個棉鈴蟲P450基因批量功能研究的論文于2017年底發表在國際昆蟲學專業期刊《昆蟲生物化學和分子生物學》（Insect biochemistry and molecular biology）上。
與此同時，基于CRISPR-Cas9的體內基因編輯技術開始在很多物種中得到大規模應用，吳益東團隊率先將該技術應用于農業昆蟲抗藥性基因功能研究中，實現了基因的敲除和敲入。
他們還根據解毒類P450基因成簇排列的特征，創新性提出基因簇整體敲除+生物測定+單個基因離體表達的反向遺傳學策略，快速鑒定了棉鈴蟲體內高度擴增的CYP6AE亞家族中單個P450與多種植物次生抗蟲物質和殺蟲劑解毒代謝之間的關系，提高了昆蟲P450基因功能研究和抗性基因預測的效率，該成果于2018年發表于《自然—通訊》（Nature Communications）雜志。
逐一破解抗性機制的奧秘
有了研究平臺“P450工廠”和獨到的研究思路，吳益東團隊開始快速破譯一個個害蟲抗性機制的奧秘。
2021年，他們又快速破譯了另一種重大害蟲——甜菜夜蛾對阿維菌素類殺蟲劑的抗性機制。該研究將遺傳定位與基因組編輯以及基因離體功能驗證等多種技術進行組合，挖掘出甜菜夜蛾基因組中一個P450基因的單個氨基酸位點突變介導了該蟲對甲氨基阿維菌素苯甲酸鹽和阿維菌素2種殺蟲劑的高水平抗性。
研究成果于2021年發表在《美國公共科學圖書館—遺傳》（PLoS Genetics），表明了該團隊創立的基因編輯和P450離體研究平臺在殺蟲劑抗性機制解析的重要作用。
最近，該團隊再次利用自主創建的體內和體外基因功能研究平臺，對2種全球性害蟲——草地貪夜蛾和甜菜夜蛾體內發生特異性擴增的CYP9A亞家族基因功能進行了深度解析。
結果發現，該亞家族P450同時參與植物次生抗蟲化合物和多種不同結構類型殺蟲劑的解毒代謝，且與田間的擬除蟲菊酯類殺蟲劑的高水平抗性緊密連鎖。這不僅表明2種害蟲體內CYP9A亞家族P450對不同結構殺蟲劑產生交互抗性的潛力，也證實CYP9A亞家族基因擴增為P450的功能創新以及適應性進化提供了豐富的遺傳多樣性。研究成果于2023年發表在美國《國家科學院院刊》（PNAS）上。
從追趕到超越，吳益東團隊在昆蟲P450研究中逐步達到了同領域國際先進水平甚至在一些研究方向上處于領先水平。其中每一步都凝聚了對研究前沿的敏感和把握，以及團隊成員的辛勤汗水。
2022年開始，在國家重點研發計劃的支持下，吳益東團隊與國內眾多害蟲和植物病原菌抗藥性的頂尖研究團隊一起，將新的研究技術和思路應用于目前我國田間更多重要農作物害蟲對新型藥劑的抗性分子機制和進化機制研究中，來提升國內整體抗藥性研究水平。同時，他們將研究成果應用于研發抗藥性快速診斷等關鍵技術，將對我國抗藥性早期預警和治理水平的提高注入新的力量。
相關論文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2308685120
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