基本信息
- 项目名称：
- 谷胱甘肽转移酶SlGSTu1在斜纹夜蛾毒死蜱抗性作用的研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 针对农业害虫抗药性日趋严重，但其早期抗性机理不清楚的问题，开展农业重要害虫斜纹夜蛾对广泛使用的杀虫剂毒死蜱的抗性研究，获得如下突破：1、谷胱甘肽转移酶（GST）活性增加是昆虫毒死蜱早期抗性的主因，而非靶标酶；2、抗性发展与氧胁迫增加导致的抗性基因表达上调相关，核蛋白Nrf2可能是该通路调控因子；3、首次发现一个非昆虫特有类GST 以抗氧胁迫参与抗性作用。研究结果对害虫防治有着重要理论和应用意义。
- 详细介绍：
- 昆虫抗药性是世界范围内害虫防治上存在的重要难题。目前昆虫的抗性机理研究多为比较高抗性品种与敏感品种间抗性基因的表达量差异，及其突变位点的确定，没有任何抗性发展早期低抗性时期的抗性分子机理的研究报道。因而无法从根本上防止抗药性的形成。因此本研究以市场使用最多的有机磷杀虫剂毒死蜱对农业重要害虫斜纹夜蛾进行抗性品系的汰选，开展研究并获得下列创新性结果：1、建立了斜纹夜蛾毒死蜱低抗性品种，为研究其抗性机理提供了研究平台；2、发现斜纹夜蛾对毒死蜱的抗性发展较慢，半致死剂量的毒死蜱连续使用3代, 抗性不会明显增加, 这为大田使用提供了理论依据；3、研究发现毒死蜱抗性发展的早期以代谢抗性机制为主，如谷胱甘肽转移酶（GST），而非抗抗性时的主因靶标酶的作用，从而为研究抗性机理, 发展防治抗性新策略制定了研究方向；4、首次发现非昆虫专有类的解毒酶SlGSTu1参与抗性作用，并且它的mRNA表达量与抗性指数的变化成正相关，表明可用于快速和灵敏检测斜纹夜蛾毒死蜱的抗性程度，这对监控抗性的早期形成有着重大的应用意义；5、表达分析表明，SlGSTu1在敏感品种中只在幼虫期有微量的表达，说明它不参与体内内源有毒物质的解毒；用半致死剂量毒死蜱喂食敏感和抗性斜纹夜蛾，SlGSTu1并不参与应激反应；但在在斜纹夜蛾抗性品种的脑部、表皮以及中肠等各组织有不同程度的增加，是专一参与抗性作用的基因；6、通过基因工程技术，证实SlGSTU1只有微量降解毒死蜱的酶活性，但却有较高的过氧化物酶活性；进一步发现细胞脂质过氧化终产物丙二醛含量，随抗性指数的增加而增加；同时抗氧化通路的核蛋白Nrf2表达上调，说明SlGSTU1主要以其抗氧胁迫参与毒死蜱的抗性作用，其表达的调控途径可能是Nrf2, 这是首个实验证实昆虫抗药性发展早期的分子机理；7、对不同抗性机制的杀虫剂溴氰菊酯的斜纹夜蛾抗性品系的研究，证实可诱导细胞急性氧胁迫的杀虫剂同样可使其低抗性品种氧胁迫增加，因此毒死蜱和溴氰菊酯具有交互抗性，SlGSTu1以其抗过氧化参与多种杀虫剂的抗性作用。研究结果将为发展防止多种农业害虫对多种杀虫剂抗性形成的新策略提供了新的研究思路。
作品图片
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目的：通过研究农业重要害虫斜纹夜蛾，对市场占有率最大之一的毒死蜱的抗性形成早期阶段的分子机理，为发展预防害虫抗性的形成，提高害虫防治新策略提供理论依据。基本思路：（1）进行斜纹夜蛾毒死蜱低抗性品种的筛选，并确定早期抗性的主要机制；（2）鉴定和克隆相关的抗性基因；（3）抗性基因的表达分析与功能研究；（4）抗性基因的表达机制初步研究；（5）探讨不同抗性品种中早期抗性机理的共性。
科学性、先进性及独特之处
- 不同高抗药性昆虫以不同的抗性基因突变来增加对不同杀虫剂的抗性。这种复杂性为抗性的防治带来困难。本作品发现的SlGSTu1以其表达上调和抗氧胁迫的功能参与斜纹夜蛾的多种杀虫剂的抗性；而农业上使用最广的有机磷和菊酯类杀虫剂都可增加昆虫氧胁迫而使核蛋白Nrf2表达上调来影响抗性的发展。这是昆虫早期抗药性发展首次分子机理研究发现，具有较高的先进性。对发展防控害虫多种抗药性的新途径具有重大的意义。
应用价值和现实意义
- 1、研究发现的参与抗性作用的调控因子Nrf2，其功能区域在昆虫界具有较高的保守性。它的抑制剂的开发，将对发展防止多种昆虫对多种杀虫剂抗性的新途径，提高杀虫效率，减少环境污染，具有重大的应用意义。2、SlGSTu1基因表达与多种抗药性的发展正相关，可用于快速和灵敏检测斜纹夜蛾抗性程度，监控抗性的早期形成。3、研究发现的斜纹夜蛾对毒死蜱和溴氰菊酯的不同抗性和有交互抗性，对农业生产有指导意义。
学术论文摘要
- 昆虫抗药性是害虫防治的重要难题。其早期抗性的分子机制仍不清楚。有机磷毒死蜱是使用最广的化学杀虫剂之一，已在不同地区不同昆虫中产生抗性。本研究以农业重要害虫斜纹夜蛾进行研究并获得以下结果：1.发现斜纹夜蛾毒死蜱抗性发展较慢，并且谷胱甘肽转移酶（GST）活性上升，而靶标酶乙酰胆碱酶（AChE）不起作用；2.首次发现了一个unclassify类的SlGSTu1参与抗性作用，其mRNA水平与抗性指数正相关，在斜纹夜蛾脑部、表皮及中肠等组织有不同程度的增加；3.SlGSTu1在敏感品种中只有低量表达，说明它不参与体内内源有毒物的解毒；并证实SlGSTu1是专一参与抗性作用的基因，不参与应激反应；4.通过基因工程技术，证实SlGSTU1只有微量降解毒死蜱的酶活性，有较高的过氧化物酶活性；而抗性品系的氧胁迫标志物丙二醛含量随抗性指数的增加而增加，说明SlGSTU1主要以其抗氧胁迫参与抗性作用；5.SlGSTu1以抗氧胁迫参与溴氰菊酯等多种抗药性；而核蛋白Nrf2可能是调控SlGSTu1表达的因子。研究结果将为通过抑制抗性基因表达，阻止多种杀虫剂抗性的形成，提高害虫防治效率，有着重大的理论和应用意义。
获奖情况
- 2011年6月，第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛广东赛区特等奖。
鉴定结果
- 无
参考文献
- [1]Xianchun L,Mary A.S,May R.B.Molecular Mechanisms of Metabolie Resistance to Synthetic and Natural Xenobiotics.Annu. Rev. Entomol. 2007.52:231-253. [2]Gerasimos P. Sykiotis and Dirk Bohmann Keap1/Nrf2 signaling regulates oxidative stress tolerance and lifespan in Drosophila Dev Cell. 2008 14(1): 76–85. [3]Pitzer JB, Kaufman PE, Tenbroeck SH Assessing permethrin resistance in the stable fly (Diptera: Muscidae) in Florida by using laboratory selections and field evaluations. J Econ Entomol. 2010. 103(6):2258-63.
同类课题研究水平概述
- 目前，使用化学杀虫剂仍是农业作物和林业树木害虫防治的主要手段。使用最广的杀虫剂主要为有机磷类和除虫菊酯类，它们的抗性分子机理已清楚，前者主要引起乙酰胆碱酶基因的突变，后者为神经细胞膜上钠离子通道的敏感性降低。除了上述第一靶标外，这两大类杀虫剂的抗性机理还包括了代谢酶的作用。2007年昆虫最高级刊物Annu.Rev.Entomol的应邀综述文章中已详细介绍了代谢酶的抗性机理（Li等，2007）。代谢酶包括了P450、酯酶和GST，它们或是某氨基酸的突变改变了酶活性，或是调控子的抑制子突变而增加了抗性基因的表达，从而促进抗性的发展。 每种代谢酶都包括了几十种同工酶，不同的昆虫以不同的同工酶对不同的杀虫剂作用，而形成了昆虫界的抗性的复杂性，导致了抗性和害虫防治的困难。到目前为止，大多的研究仍在发掘不同昆虫在不同抗药性中的某些抗性基因，研究机理没有新的发展。新的发现来自非昆虫的研究：今年发表在Science的关于大西洋小鳕对多氯联苯抗性机理，是促进抗性基因表达的调控因子AHR的基因突变导致P450的表达增加（Wirgin等， 2011）。但是这些都是高选择压下的结果，对于抗性形成初期的低抗性品系中的抗性分子机理不清楚。目前低抗性品种的研究多为抗性变化的研究，如发表在J Econ Entomol. 的关于大家蝇对几种杀虫剂的不同抗性报道（Pitzer等， 2010），或是测定代谢解毒酶总酶活性的变化， 如华南农业大学研究团队对甘蓝薄翅螟对毒死蜱抗性的研究（曾东强等，2008）。 大量的研究证明GST以其解毒酶和过氧化物酶活性，参与对杀虫剂的作用。但没有关于GST基因在抗性品种中的超表达或酶解毒功能与抗性发展中的氧胁迫相关的报道。氧胁迫通过Nrf2调控抗细胞氧伤害基因如GST的表达,已在哺乳类动物得到了大量的证明，包括有机磷和菊酯类杀虫剂产生的氧胁迫。但在昆虫研究很少。在果蝇发现Nrf2调控GST的表达，以抗除草剂百草枯产生的氧胁迫，利用RNAi干扰 Nrf2, 百草枯导致果蝇的死亡率增加（Gerasimos等，2008）。但没有Nrf2在抗性品种中表达增加的报道。因此本研究的研究结果是这一领域的最新突破，为进一步研究抗性基因的表达调控分子机理， 建立有效防控害虫对农业这几大类重要杀虫剂抗性形成的新途径，具有重大的理论和应用意义。
