寄生蜂细胞色素P450s研究进展_任炳忠.pdf

吉林农业大学学报 2023，45（1）：1-8http:/Email:jlndxb Journal of Jilin Agricultural University寄生蜂细胞色素P450s研究进展*任炳忠1，2*，纪若云1，2，陈琪1，2*1.东北师范大学生命科学学院，长春 130024；2.吉林省动物资源保护与利用省级重点实验室，长春 130024摘 要：细胞色素P450s广泛存在于植物、动物和微生物中，对昆虫内源性物质的合成、代谢和对外源物质的解毒均发挥着重要作用，也与昆虫抗药性的产生密切相关。近年来，化学杀虫剂的过度使用严重威胁着天敌昆虫寄生蜂的生存，降低其作为生物防治剂的防治效果。昆虫耐药性的产生很大程度上依赖于细胞色素P450s对外源有毒物质的代谢作用，因此，对寄生蜂P450s基因进行鉴定和进化分析，了解其介导的抗药性机制，对指导新型农药的开发、通过基因编辑的方法改造寄生蜂P450s基因以增强其对化学药剂的耐受性等，均具有重要研究意义和应用价值。关键词：寄生蜂；细胞色素P450s；杀虫剂；抗药性中图分类号：S476+.3 文献标志码：A 文章编号：1000-5684（2023）01-0001-08DOI：10.13327/j.jjlau.2022.1692引用格式：任炳忠，纪若云，陈琪.寄生蜂细胞色素P450s研究进展 J.吉林农业大学学报，2023，45（1）：1-8.Research Progress of the Cytochrome P450s in Parasitoid Wasps*REN Bingzhong1，2*，JI Ruoyun1，2，CHEN Qi1，2*1.College of Life Sciences，Northeast Normal University，Changchun 130024，China；2.Jilin Provincial Key Laboratory of Animal Resource Conservation and Utilization，Changchun 130024，ChinaAbstract：Cytochrome P450s,widely found in plants,animals and microorganisms,play an important role in synthesis,metabolism of hormones and detoxification of exogenous substance in insects.They are also closely related to the development of insecticide resistance.In recent years,the indiscriminate use of insecticides has seriously threatened the existence of parasitoids,and weakened the effect of parasitoids as biological control agents.The generation of drug resistance of insects depends on the metabolism of cytochrome P450s to exogenous toxic substances to a great extent.Therefore,the identification and evolutionary analysis of the P450s genes of parasitoids are carried out to clarify the mechanism of drug resistance mediated by these genes,hoping to provide theoretical and technical support for the development of new pesticides and modify the key P450s genes of parasitoids by gene editing to enhance their tolerance to insecticides.Key words：parasitoid wasp；cytochrome P450s；insecticide；insecticide resistance农业生产过程中，常使用化学杀虫剂以达到快速防治害虫的目的，但同时也对有益节肢动物，如传粉者和天敌昆虫造成了严重的毒害作用 1。昆虫体内的解毒代谢酶在抵抗杀虫剂毒性方面发挥*基金项目：吉林省重点研发计划项目（20200402001NC），吉林省青年科技人才托举工程项目（QT202121）作者简介：任炳忠，男，教授，博士生导师，主要从事昆虫学研究工作；纪若云，女，在读本科，研究方向：昆虫学。纪若云与任炳忠同为第一作者。收稿日期：2022-03-18*通信作者：任炳忠，E-mail：；陈琪，E-mail：吉林农业大学学报 2023 年 2 月Journal of Jilin Agricultural University 2023，February着重要作用，常见的解毒代谢酶主要包括细胞色素P450单加氧酶（Cytochrome P450 monooxygenases，CYP450s）、谷胱甘肽 S-转移酶（Glutathione S-transferase，GSTs）和羧酸酯酶（Carboxylesterases，CCEs）等2-3。这类酶可通过转化或降解农药以起到对昆虫的保护作用4。寄生蜂作为一种生物防治剂，是许多鳞翅目、鞘翅目、膜翅目、双翅目等昆虫的天敌，在世界范围内的害虫综合治理中发挥着重要作用5，尤其在对有害生物的绿色防控中具有较大应用优势。寄生蜂在进化过程中，不可避免地会受到化学杀虫剂带来的选择压力影响6，其生存、寄生和觅食等生理过程和行为均受到不同程度的干扰7。研究表明，细胞色素P450s对增强寄生蜂耐药性和环境适应性具有重要作用8-11。因此，综合了解寄生蜂P450s基因的进化及其对化学杀虫剂抗性的影响，将生物防治与化学防治有机结合，以实现对害虫的最佳控制至关重要12。本研究综述了寄生蜂 P450s 基因家族的进化、寄生蜂对杀虫剂的敏感性以及由P450s介导的抗药性机制，以期为保护寄生蜂免受杀虫剂毒害，发挥其最大的生物防治效果提供理论依据。1细胞色素P450s细胞色素P450s是真核生物中广泛存在的超基因家族酶系，在昆虫体内多种内源性物质的生物合成与代谢和外源物质的解毒中均发挥重要作用13，与蜕皮激素、保幼激素和信息素的生物合成，以及宿主防御体系和杀虫剂代谢密切相关14。由于底物广泛、催化功能多样等特点，P450s酶系组成的代谢系统介导昆虫对多种杀虫剂产生抗药性15。对一些昆虫的研究表明，与杀虫剂代谢相关的P450s在参与外源性解毒的第一线防御组织和杀虫剂作用部位均有表达，尤其在昆虫进行外源物质转化的部位，如中肠、马氏管和脂肪体等含量较高16。随着体内和体外研究方法的发展，P450s基因家族在昆虫毒理学方面的功能特性及作用机制逐渐清晰。体内功能验证方法包括RNAi、转基因过表达和P450s基因敲除等；体外验证主要利用不同表达系统的重组表达，如大肠杆菌、昆虫细胞、酵母等17。相关研究表明，昆虫对植物化学物质、杀虫剂和环境污染物抗性可能存在交叉耐受现象。如在斜纹夜蛾（Spodoptera litura Fabricius）中，重金属铅诱导的CYP6B47和CYP9A39表达的变化可增强其对-氯氰菊酯的抗性，其中涉及到的解毒代谢作用的增强可能与P450s的组成型或诱导型过表达以及酶活性增强密切相关18。2寄生蜂P450s基因家族进化分析近年来，随着高通量测序技术的快速发展，越来越多昆虫的基因序列被解析，与抗药性相关的P450s基因也随之被鉴定和分析，一般认为昆虫P450s 基因家族包括 4 个分支簇，分别为 CYP2 clan、CYP3 clan、CYP4 clan 和 Mito clan19。寄生蜂P450s基因的鉴定是研究其功能与作用机制的基础，了解寄生蜂P450s基因家族的基因结构与遗传进化，对指导新型农药的开发以及寄生蜂的遗传改良都具有重要意义。2.1寄生蜂P450s基因家族的鉴定2010 年，丽蝇蛹集金小蜂（Nasonia vitripennis）基因组发表20，开启了寄生蜂研究的基因组时代。截至目前，已有约40种寄生蜂P450s基因家族被成功鉴定（图1）。不同寄生蜂的P450s基因分别对应昆虫P450s基因的CYP2、CYP3、CYP4和Mito簇，P450s基因总数个体差异较大，从20到117 不等，其中，CYP3 和 CYP4 分支簇基因占多数21-26。2.2寄生蜂P450s基因家族的扩增与收缩P450s基因家族在寄生蜂对外源性化合物和杀虫剂的抗性方面发挥重要作用17，27。为适应环境压力，寄生蜂倾向于获得更多的P450s基因，用于增强自身的解毒代谢能力。寄生习性对寄生蜂 P450s 基因家族的进化也具有一定影响9（表1）。与外寄生的寄生蜂相比，内寄生的寄生蜂P450s基因数较少，且基因家族一般存在明显的收缩现象。如内寄生蜂中的腰带长体茧蜂（Macrocentrus cingulum）、菜蛾盘绒茧蜂（Cotesia vestalis）、颈双缘姬蜂（Diadromus collaris）均存在P450s基因家族收缩现象，推测与其在成虫羽化后取食减少，整个生活史接触的有毒物质相对较少有关28-29；但内寄生蜂中也存在 P450s基因扩增现象，研究发现，蝶蛹金小蜂（Pteromalus puparum）CYP3、CYP4 2个家族发生明显扩增25，烟蚜茧蜂（Aphidius gifuensis）CYP6家族发生扩增，可能参与介导寄生蜂对杀虫剂和寄主多种代谢产物的解毒作用23。在外寄生性的丽蝇蛹集金小蜂2任炳忠，等：寄生蜂细胞色素P450s研究进展吉林农业大学学报 Journal of Jilin Agricultural University中可观察到明显的P450s基因家族扩增现象，主要集中在CYP3、CYP4 2个家族中，推测与其寄主范围广有关25，30。而隶属于小蜂总科的对叶榕传粉榕小蜂（Ceratosolen solmsi），由于几乎整个生命周期都寄生于良性寄主内，对于解毒代谢需求较小，P450s基因表现出极度收缩现象31-32。寄生蜂P450s基因家族的扩增或收缩可能主要取决于环境压力对不同种类寄生蜂不同基因家族的选择。寄生蜂P450s基因家族的4个基因簇中，CYP2、Mito簇的基因数较少且很少发生扩增，而CYP3、CYP4簇基因数较多，且易发生基因家族的扩增。主要是由于 CYP2、Mito 簇基因主要参与昆虫的生长发育，如蜕皮激素的生物合成等33-34，而 CYP3、CYP4 簇的基因参与响应外部环境刺激，容易受到外界环境中有毒物质如杀虫剂、寄主代谢产物的选择压力影响35-37。此外，有研究表明，许多合成杀虫剂类似于植物化感物质，由此猜测负责杀虫剂解毒的 P450s 基因 可能是由负责化感解毒的 P450s 基因进化而来38。注：毁侧沟茧蜂、腰带长体茧蜂、阿里山潜蝇茧蜂、异横缝茧蜂、烟蚜茧蜂、斑痣悬茧蜂、丽蝇蛹集金小蜂、蝇灿金小蜂、蝶蛹金小蜂、短管赤眼蜂、螟黄赤眼蜂、松毛虫赤眼蜂、佛罗里达跳小蜂以及尾蜂基因数据参考已发表文献8-9,21-25。其他来自InsectBase数据库26。图140种寄生蜂P450s基因数与基因家族分布Fig.1Number and family distribution of P450s genes in 40 parasitoid wasps3吉林农业大学学报 2023 年 2 月Journal of J