人才强校 | 植保学院梁沛/谷少华团队在化学感受蛋白介导的害虫抗药性机制方面取得新进展

近日,植物保护学院梁沛/谷少华团队在《国际大分子生物杂志》(International Journal of Biological Macromolecules)上在线发表了题为《两个表皮高表达化学感受蛋白赋予草地贪夜蛾对多种杀虫剂的抗性》(Two cuticle-enriched chemosensory proteins confer multi-insecticide resistance in Spodoptera frugiperda)的研究论文。该研究发现了两个表皮高表达化学感受蛋白能够通过杀虫剂隔离机制赋予草地贪夜蛾幼虫对多种杀虫剂的抗性,为全面理解草地贪夜蛾对杀虫剂的抗性机制,开发环境友好型防治手段提供了重要理论依据。

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草地贪夜蛾(Spodoptera frugiperda)是被联合国粮农组织预警的一种重大农业害虫,具有强大的破坏力和迁飞能力,目前已经对多种杀虫剂产生了抗药性。化学感受蛋白(Chemosensory proteins, CSPs)是广泛表达于昆虫各种器官中的一种小分子可溶性蛋白,参与昆虫多种生命活动。研究发现,CSPs家族在昆虫化学信息素的识别和释放、胚胎发生、视觉色素的运输、免疫反应和昼夜节律周期等活动中发挥重要作用。近几年的研究表明,化学感受蛋白还可能参与了害虫对杀虫剂的抗药性,但具体机制仍不清楚。

该研究首先通过草地贪夜蛾的基因组和转录组鉴定出22个SfruCSPs基因,在其幼虫不同组织表达谱的研究中发现四个SfruCSPs基因(SfruCSP1/2/19/22)在幼虫表皮中高表达,进一步研究发现,SfruCSP1和SfruCSP2不仅能够被多种杀虫剂诱导表达,而且这两个基因在抗性品系中的转录水平明显高于相对敏感品系,这表明它们可能参与了昆虫对杀虫剂的抗性(图1)。

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图1 草地贪夜蛾CSPs表达特征

荧光竞争结合实验发现这两个CSPs蛋白与性信息素和常见植物挥发物不结合或结合能力弱,但对茚虫威、毒死蜱和虫螨腈有很强的结合能力(图2)。

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图2 SfruCSP1和SfruCSP2与杀虫剂、性信息素和植物挥发物的竞争结合曲线

同时或单独敲低SfruCSP1和SfruCSP2,对幼虫的生长发育没有显著影响,但却能够显著增加幼虫对上述三种杀虫剂的敏感性(图3)以及杀虫剂对幼虫表皮的穿透(图4)。另外,代谢实验表明这两个CSPs蛋白不能代谢上述三种杀虫剂。

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图3 敲低SfruCSP1和SfruCSP2基因后草地贪夜蛾幼虫对不同杀虫剂敏感性变化

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图4 敲低SfruCSP1和SfruCSP 2基因对草地贪夜幼虫杀虫剂穿透的影响

体外和体内实验表明,SfruCSP1和SfruCSP2是杀虫剂结合蛋白,并通过杀虫剂隔离机制赋予草地贪夜蛾幼虫对虫螨腈、毒死蜱和茚虫威的抗性。

中国农业大学为论文第一完成单位,植物保护学院谷少华副教授为本论文的通讯作者,2020级博士研究生王欢欢为本论文的第一作者。梁沛教授全程指导了本研究,中国农业科学院植物保护研究所张永军研究员也参与了本项研究。该研究工作得到了十四五国家重点研发计划项目草地贪夜蛾灾变机制与可持续防控技术研究(Grant no.2021YFD1400700)的资助。

论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S014181302401746X

供稿:植保学院

供图:植保学院

编辑:李杨

责编:孟祥慈

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