甜菜夜蛾对多杀菌素类杀虫剂靶标抗性机制的研究及其田间种群抗性分析

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多杀菌素(Spinosad)作为甜菜夜蛾(Spodoptera exigua)防治的主要药剂之一,作用于昆虫烟碱型乙酰胆碱受体(n ACh R),引起受体构象的改变,致使配体门控离子通道打开,引起害虫震颤和麻痹,最终导致害虫死亡。虽然多杀菌素具有独特的作用机制,但长期大面积的田间应用易使甜菜夜蛾对其产生抗药性。已报道甜菜夜蛾田间种群对多杀菌素产生了低到中等水平的抗性,但田间种群中抗性的基因频率及其分子机制仍不清楚。利用基因编辑技术,n ACh Rα6已被证实是昆虫中多杀菌素类杀虫剂的靶标位点。在许多农业害虫中,多杀菌素抗性与n ACh Rα6亚基功能缺失突变相关。近年来,已在棕榈蓟马(Thrips palmi)和番茄潜叶蛾(Tuta absoluta)的抗多杀菌素品系中,发现n ACh Rα6外显子9的一个点突变(G275E)可导致对多杀菌素的高水平抗性。但迄今为止,还没有获得体内功能性证据来支持该突变参与了鳞翅目害虫对多杀菌素的抗性。因此,本研究拟构建甜菜夜蛾α6-G275E和α6-KO(敲除)基因编辑品系,明确n ACh Rα6功能缺失突变以及G275E点突变对多杀菌素的靶标抗性机制;并运用α6-KO品系检测田间甜菜夜蛾n ACh Rα6的靶标抗性等位基因个体,期待找到n ACh Rα6的抗性等位基因。本文主要研究结果如下:1.利用CRISPR/Cas9基因组编辑系统,成功构建了Seα6-KO品系,该品系Seα6在甜菜夜蛾中存在约1760 bp的缺失,导致Seα6转录提前终止。与相同遗传背景的敏感品系WH-S品系相比,Seα6-KO对多杀菌素的抗性提高了373倍,对乙基多杀菌素的抗性提高了850倍,但对甲氨基阿维菌素苯甲酸盐和氯虫苯甲酰胺的敏感性没有显著变化。遗传分析表明,Seα6-KO是一种不完全隐性遗传性状。研究结果不仅揭示了Seα6在甜菜夜蛾对多杀菌素类杀虫剂产生抗性中的重要作用,也为利用基因组编辑技术验证与抗性相关的靶标功能缺失突变提供了范例。2.利用CRISPR/Cas9基因编辑技术,将G275E突变体引入甜菜夜蛾敏感品系WHS的n ACh Rα6中。逆转录PCR和测序证实,该突变存在于275E编辑品系的n ACh R转录本的第9外显子上。生物测定结果表明,与WH-S品系相比,275E编辑品系对多杀菌素和乙基多杀菌素分别具有230.40倍和791.67倍的抗性,直接证实了甜菜夜蛾n ACh Rα6亚基G275E突变可导致甜菜夜蛾对多杀菌素产生高水平抗性。遗传分析表明该基因编辑品系的抗性性状为常染色体不完全隐性遗传。本研究采用反向遗传学的方法验证了甜菜夜蛾的n ACh Rα6的G275E突变在多杀菌素抗性中的功能作用,也为利用CRISPR/Cas9基因编辑技术确认候选靶位点突变在杀虫剂抗性中的作用提供了实验依据。3.对来自上海奉贤区(FX)、山东济南(JN)、新疆石河子(SHZ)、陕西兴平(XP)的甜菜夜蛾进行生物测定,发现其对乙基多杀菌素产生了4-25倍的抗性,处于低到中等水平抗性。利用Seα6-KO品系与田间品系杂交的F1检测结果表明,XP、FX、SHZ每个田间品系各有一对存活率为100%的试虫,田间个体可能存在靶标抗性等位基因。在接下来与WH-S回交中,后代存活率均约为50%,这可能是由于在抗性产生初期,代谢抗性起主要作用。因此对FX田间品系中CYP9A系列的基因进行表达量分析,发现CYP9A系列的基因表达量均有上调,其中CYP9A9、CYP9A186和CYP9A40基因表达量上调最为明显,为7.93、5.53、6.82倍,这表明甜菜夜蛾CYP9A9、CYP9A186和CYP9A40可能与FX品系对乙基多杀菌素的代谢抗性有关。综上所述,我们明确了在甜菜夜蛾对多杀菌素类杀虫剂抗性中n ACh Rα6亚基及其G275E突变具有重要作用,我国田间甜菜夜蛾目前对乙基多杀菌素处于一个敏感性下降阶段,可能是代谢抗性起主要作用。
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