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中国农业科学院博士后揭示害虫抗药性进化与调控机制

时间:2020-05-23 来源:

       2020年4月23日,《美国科学院院刊(PNAS)》在线发表了中国农业科学院蔬菜花卉研究所张友军团队最新研究成果:“MAPK-directed activation of the whitefly transcription factor CREB leads to P450-mediated imidacloprid resistance”。该研究发现MAPK信号通路通过转录因子CREB调控了细胞色素P450基因CYP6CM1过量表达,介导了烟粉虱对烟碱类杀虫剂的抗药性。中国农业科学院蔬菜花卉研究所博士后杨鑫为论文第一作者,中国农科院蔬菜所张友军研究员与英国埃克塞特大学Chris Bass教授为论文通讯作者,该研究得到了国家自然科学基金重点国际合作项目、中国农业科学院科技创新工程等项目资助。

烟粉虱的危害

       害虫抗药性是导致害虫防治失败、农作物产量损失以及农药残留的重要原因。烟粉虱(Bemisia tabaci)是一种严重危害园艺作物的世界性害虫,具有寄主范围广泛,繁殖率高,传播植物病毒,暴发性强和易于产生抗药性等特点。烟粉虱的危害包括直接取食植物汁液使得植物萎蔫,分泌蜜露形成煤污病从而阻抑光合作用,更为严重的是烟粉虱能够传播多种植物病毒,如烟粉虱能够传播植物双生病毒番茄黄化曲叶病毒,造成番茄严重减产甚至绝产。

图1 烟粉虱发育历期(约30天一个世代)

新烟碱类杀虫剂防治烟粉虱

       新烟碱类杀虫剂是一种高效、低毒、环境友好以及选择性强的新型杀虫剂,其作用机理是选择性抑制害虫的神经系统重要组成部分烟碱类乙酰胆碱受体(nicotinic acetylcholine receptors,nAChRs),与神经递质乙酰胆碱竞争性地结合nAChRs,从而阻断害虫神经传递,造成害虫肌肉细胞出现麻痹而死亡。由于新烟碱类杀虫剂广泛、长期使用,逐渐造成了害虫抗性的产生。烟粉虱在长期使用吡虫啉、噻虫嗪等新烟碱类杀虫剂后,也产生了严重的抗药性。

图2 烟粉虱田间危害

解毒酶过表达导致抗药性

       昆虫体内存在很多与生理功能和代谢相关的解毒酶,如常见的三大解毒酶系:多功能氧化酶(cytochrome P450-dependent monooxygenases,P450),谷胱甘肽转移酶(glutathione S-transfe rases,GST)以及羧酸酯酶(carboxleseterases,CarE)。昆虫在接触杀虫剂后会在体内形成应急反应,通过调动体内的解毒酶系,在一定程度上进行解毒代谢,然后将一些对身体有毒害的物质排除体外。烟粉虱对于杀虫剂的抗性也不例外,如烟粉虱过量表达CYP6CM1基因能够显著增加其对吡虫啉的抗药性,并且通过体外表达表明CYP6CM1蛋白不仅仅能够代谢吡虫啉,也能够代谢其他两类新烟碱类杀虫剂噻虫胺和噻虫啉,但是对于烟粉虱如何调控这类P450解毒酶的表达来产生抗药性的机制,特别是涉及信号通路的研究,尚未有相关的报道。

图3 烟粉虱对新烟碱类杀虫剂抗性新机制

MAPK信号途径调控解毒酶表达

       中国农业科学院蔬菜花卉研究所张友军团队发现一个新的转录因子CREB参与了烟粉虱CYP6CM1基因的调控作用,该转录因子通过直接结合解毒酶CYP6CM1基因上游的启动子区域增强其表达。进一步的调控机制研究发现,转录因子CREB又受到丝氨酸激酶信号通路MAPK的调控,该通路的ERK和p38信号通过磷酸化CREB蛋白的111位丝氨酸使其活化,进而激活了下游的靶基因—P450基因CYP6CM1并导致其过表达,该解毒蛋白的过表达增加了对杀虫剂的代谢能力,并最终导致了烟粉虱对烟碱类杀虫剂的抗药性。研究结果揭示了害虫抗药性进化与调控的新机制,为发展新的害虫抗性治理技术、制定有效的抗性治理策略奠定了理论基础。


       全文链接:https://doi.org/10.1073/pnas.1913603117