害蟲(chóng)一直以來(lái)嚴(yán)重威脅著人類(lèi)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)和健康，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)害蟲(chóng)的防治大量依賴(lài)化學(xué)農(nóng)藥，然而農(nóng)藥濫用導(dǎo)致了害蟲(chóng)抗藥性的快速進(jìn)化?？顾幮赃M(jìn)化可分為兩個(gè)階段，在第一個(gè)階段中，與抗藥性直接相關(guān)的遺傳變異在害蟲(chóng)種群中受選擇并富集，幾乎所有已報(bào)道的研究也是集中在這個(gè)階段。其中不少研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致抗藥性產(chǎn)生的突變會(huì)引起適合度代價(jià)，從而導(dǎo)致害蟲(chóng)的抗性種群在農(nóng)藥停止使用后出現(xiàn)消退的現(xiàn)象。持續(xù)的農(nóng)藥使用還可能導(dǎo)致害蟲(chóng)的抗藥性進(jìn)化到第二階段，即適合度代價(jià)的修飾基因或位點(diǎn)會(huì)受到選擇，從而降低適合度代價(jià)并最終使得抗藥性表型能夠在昆蟲(chóng)種群中固定下來(lái)。一旦抗藥性進(jìn)化進(jìn)入第二階段，哪怕停止使用農(nóng)藥，害蟲(chóng)的抗性種群在田間也不會(huì)出現(xiàn)消退，給今后的防治帶來(lái)更大隱患。然而，目前的研究中對(duì)于修飾基因或位點(diǎn)如何出現(xiàn)并幫助害蟲(chóng)克服抗藥性引起的適合度代價(jià)所知極少。
我校生命科學(xué)學(xué)院張文慶教授課題組研究發(fā)現(xiàn)水稻害蟲(chóng)褐飛虱的過(guò)氧化物酶基因可作為修飾基因減輕吡蟲(chóng)啉抗藥性引起的褐飛虱適合度代價(jià)。
該研究首先通過(guò)對(duì)褐飛虱的吡蟲(chóng)啉高抗性個(gè)體和相對(duì)敏感個(gè)體進(jìn)行基因組重測(cè)序，基于遺傳分化系數(shù)（FST）進(jìn)行選擇性清掃分析獲得69個(gè)候選基因，結(jié)合Tajima D分析在候選基因中發(fā)現(xiàn)過(guò)氧化物酶基因（NlPrx）受到較顯著的正選擇，并且GO功能注釋顯示其與農(nóng)藥代謝過(guò)程有較強(qiáng)的相關(guān)性。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)該基因啟動(dòng)子存在一個(gè)潛在的修飾等位基因（T65549），可導(dǎo)致其在抗性個(gè)體中顯著上調(diào)表達(dá)。
后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，褐飛虱細(xì)胞色素P450基因的過(guò)量表達(dá)在導(dǎo)致昆蟲(chóng)產(chǎn)生抗藥性的同時(shí)，其對(duì)吡蟲(chóng)啉農(nóng)藥的代謝過(guò)程也導(dǎo)致了昆蟲(chóng)體內(nèi)活性氧（ROS）的大量產(chǎn)生，從而形成適合度代價(jià)。而攜帶修飾等位基因T65549的褐飛虱抗性個(gè)體可通過(guò)上調(diào)NlPrx的表達(dá)水平來(lái)增強(qiáng)其消除ROS的能力。昆蟲(chóng)抗藥性、ROS水平以及NlPrx表達(dá)量之間的關(guān)聯(lián)性也在隨后的RNA干擾實(shí)驗(yàn)和轉(zhuǎn)基因果蠅實(shí)驗(yàn)中得到了進(jìn)一步的驗(yàn)證。綜上，該研究發(fā)現(xiàn)水稻害蟲(chóng)褐飛虱基于P450產(chǎn)生的農(nóng)藥代謝抗性可引起ROS水平增加的適合度代價(jià)，而NlPrx基因突變導(dǎo)致的表達(dá)上調(diào)可顯著減輕該適合度代價(jià)（圖1），為首次在昆蟲(chóng)中闡明適合度代價(jià)修飾基因的分子機(jī)理，為今后關(guān)于昆蟲(chóng)抗藥性進(jìn)化的研究開(kāi)拓了新的方向。
圖1. NlPrx基因減輕吡蟲(chóng)啉抗藥性引起的褐飛虱適合度代價(jià)的作用模型。
近日，該研究在PLoS Biology在線(xiàn)發(fā)表了題為“Peroxiredoxin alleviates the fitness costs of imidacloprid resistance in an insect pest of rice”的研究論文。我校生命科學(xué)學(xué)院張文慶教授和美國(guó)亞利桑那大學(xué)的李顯春教授為論文通訊作者，龐銳博士是論文第一作者，我校生命科學(xué)學(xué)院為第一完成單位，我校邢珂博士、袁龍宇博士、梁志坤博士等為論文共同作者，廣西農(nóng)科院凌炎研究員也參與了該項(xiàng)研究。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31730073）、廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2016A050502021）和美國(guó)農(nóng)業(yè)部科研項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.3001190
