基因组所萧玉涛团队解析棉铃虫抗菊酯类杀虫剂的分子机制

近日，基因组所农业昆虫基因组学创新团队在《通讯生物学（Communications Biology）》上发表题为“Transcriptional regulation and overexpression of GST cluster enhances pesticide resistance in the cotton bollworm, Helicoverpa armigera (Lepidoptera: Noctuidae)”的研究论文。该研究基于棉铃虫不同群体对杀虫剂敏感性存在差异，综合利用群体基因组学、遗传学、分子生物学、基因编辑等研究方法，解析了华北地区棉铃虫对菊酯类杀虫剂产生抗性的分子机制。研究发现一个GST基因簇在华北群体中受到强烈选择，后续功能验证明确了启动子变异引起GST基因上调表达进而介导菊酯抗性的产生。

昆虫在与寄主植物长期协同进化过程中，形成了一套独特的解毒代谢系统，能够转化、分解对其生长和发育不利的异源有毒物质。谷胱甘肽S转移酶（GST）是一种广泛存在于生物体中的代谢酶。GST在解毒外源化合物中发挥重要作用，可以促进杀虫剂发生还原反应或与还原型谷胱甘肽发生耦合反应来代谢杀虫剂，从而产生水溶性代谢物使其排除体外。棉铃虫是一种世界范围内分布的重要鳞翅目害虫，对我国棉花、玉米及蔬菜等重要经济作物造成严重危害。我国华北地区作物种植历史悠久，化学杀虫剂的不合理使用，导致华北地区棉铃虫对包括菊酯在内的多种农药产生较高水平的抗性。而我国新疆地区作物种植相对较晚，化学杀虫剂的使用历史较晚、使用量较小，新疆地区的棉铃虫种群对农药仍较为敏感。

前期研究（Jin et. al. The Innovation, 2023）发现一个GST基因簇在华北种群中受到强烈选择，本研究在此基础之上，对该GST基因簇进行精细分析，发现其含有6个串联的GST基因，变异在华北群体中受到选择并在种群中快速扩散并固定下来。华北群体和新疆群体呈现明显的单倍型分布。连锁不平衡分析显示华北群体中GST基因簇连锁更为紧密。该基因簇相比于家蚕呈现基因扩张。构建F2遗传连锁品系，结果显示该GST基因簇与菊酯农药紧密连锁。随后采用基因编辑对该基因敲除，获得了一个26Kb删除的纯合品系，对纯合品系进行生物测定，发现敲除GST基因簇后，棉铃虫对菊酯农药的敏感性显著升高。通过与室内敏感品系对比，华北群体敲除GST基因簇后仍存在一定水平的抗性，表明华北棉铃虫种群仍存在除GST基因簇以外的抗性机制。

图| 基因敲除GST基因簇显著提升幼虫对菊酯农药的敏感性

随后比较了基因簇内6个GST基因在华北群体和新疆群体的表达变化，发现GST_119和GST_121的表达在华北群体中显著升高。分别敲低两个后进行生物测定，结果显示敲低GST_119后幼虫对菊酯的敏感性显著升高。进一步比较了华北群体和新疆群体GST_119基因的启动子序列，发现华北群体中含有数量更多的GATAe结合位点以及含有已报道的具有调控GST基因表达的CnnC/Maf转录因子结合位点。分别构建了华北和新疆群体的GST_119启动子载体，启动子活性实验表明转染含有华北基因型GST_119启动子的质粒具有更高的转录调控活性。综上，该研究是基于群体基因组学结合功能验证阐明了害虫自然种群抗药性演化机制，为害虫抗性监测提供靶标。

图| 启动子变异导致基因簇表达变化从而介导抗性

基因组所副研究员靳明辉，华中农大联培博士生彭炎、硕士生彭捷为论文的共同第一作者，基因组所萧玉涛研究员为论文的通讯作者。华中农业大学刘凯于教授参与了本研究。该研究得到国家自然科学基金、中国农科院创新工程和深圳市科技创新项目的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s42003-023-05447-0