近日,沈阳农业大学植物保护学院杨雪清教授团队在Environmental Technology & Innovation(IF=7.1)期刊在线发表题为“Establishing a fluorescence-based technique for ABC transporters functional analysis in metabolism of insecticides in a Lepidopteron”的研究论文。该研究以苹果蠹蛾为研究对象,首次在鳞翅目昆虫中建立并应用基于荧光底物排除的竞争性生物测定研究系统,证明了ABC转运蛋白介导高效氯氟氰菊酯和阿维菌素的外排。此外,通过RNAi评估杀虫剂抗性相关的候选基因功能。这些结果为研究苹果蠹蛾ABC转运蛋白的生理功能,深入理解害虫抗性机制提供了重要参考。
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昆虫已经演化出复杂的调节机制,以增强其解毒代谢能力以对抗杀虫剂的压力。这些机制包括代谢、结合和外排等过程。之前的研究显示,ABC转运蛋白通过水解ATP提供能量来介导跨膜运输杀虫剂及其代谢物,但是对于这类跨膜蛋白转运功能的研究十分困难。目前已在不同昆虫中证实,利用RNAi技术明确ABC转运蛋白参与害虫抗药性是可行的。然而,RNAi技术仍无法明确特定ABC转运蛋白基因在鳞翅目昆虫对杀虫剂抗性形成中的发挥着的确切功能。本研究通过注射了一种被广泛认可的ABC转运蛋白荧光底物(TR)到苹果蠹蛾幼虫体内,然后通过记录幼虫荧光信号强度的变化来计算ABC底物被排出的时间和程度,首次证实了在鳞翅目昆虫中应用竞争性转运的生物测定方法的可行性。
研究表明,由于杀虫剂和TR之间对ABC转运蛋白结合口袋的竞争有限,高效氯氟氰菊酯或阿维菌素的压力会阻止幼虫将TR排出体外。值得一提的是,阿维菌素对ABC外排TR能力的抑制效果比高效氯氟氰菊酯更显著。同时,阿维菌素与维拉帕米(ABC转运蛋白特异性抑制剂)的协同对抑制效果无增强作用,可能是因为多数ABC转运蛋白已受到阿维菌素的影响,或结合口袋已被阿维菌素占据。因此,推测阿维菌素可以被视为一种有效的ABC抑制剂,或者是ABC转运蛋白的强竞争性底物。
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RNAi干扰结果表明,沉默被杀虫剂显著诱导表达的ABC家族基因CPOM06064、CPOM08323、CPOM19553、CPOM08319与CPOM08323,不但导致幼虫对杀虫剂的敏感性增加,也会直接减弱ABC对TR的外排能力,这证明了ABC基因的表达参与幼虫对异源物质的转运。
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此外,研究表明高效氯氟氰菊酯和阿维菌素可以促使幼虫体内ATP水解活性增加,并以阿维菌素的作用更为显著。沉默CPOM21175、CPOM19553或CPOM08319基因会降低幼虫的ATP水解活性,其中后两者的表达下调还可减弱杀虫剂对ATP水解的刺激作用。这表明,这些基因的下调削弱了ABC转运蛋白的代谢功能,导致幼虫对杀虫剂更敏感,降低外排底物的能力。因此,ABC基因的过表达可被视为苹果蠹蛾代谢多种杀虫剂的有效途径。
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沈阳农业大学植物保护学院已毕业博士研究生鞠迪为论文的第一作者,杨雪清教授和吕云彤讲师为共同通讯作者。沈阳农业大学植物保护学院高萍副教授、李玉婷讲师、博士研究生胡超参与了本项研究。本研究得到了国家重点研发计划(2021YFD1400200)和国家自然科学基金(32272588、31972299)的资助。
论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352186424001950