气味结合蛋白与化学感受蛋白基因过表达介导棉蚜多重杀虫剂抗性的分子机制

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Overexpression of multiple odorant binding and chemosensory protein genes contributed to multi-insecticide resistance in Aphis gossypii Glover

本研究针对棉蚜(Aphis gossypii)多重杀虫剂抗性机制不明的问题，通过比较敏感品系(SS)和多重抗性品系(MRS)，发现OBP3/7/9和CSP1/6/8基因显著上调。RNAi沉默这些基因使LC50处理下死亡率提升12.54–48.65%。结合荧光竞争结合实验和分子对接，证实这些蛋白能与杀虫剂直接结合，首次系统揭示OBPs/CSPs通过"昆虫剂隔离"机制参与棉蚜多重抗性形成，为抗性治理提供新靶点。

　　

在棉花种植领域，棉蚜(Aphis gossypii)如同一个狡猾的破坏者，不仅通过直接取食危害作物，更是传播植物病毒的"帮凶"。长期以来，化学杀虫剂成为对抗棉蚜的主要武器，但过度使用却催生了更强大的敌人——具有多重杀虫剂抗性的棉蚜种群。传统的抗性机制研究多聚焦于代谢解毒酶(如细胞色素P450)和靶位点突变，然而这些理论难以完全解释某些棉蚜种群对多种杀虫剂同时产生的高水平抗性。

面对这一挑战，华中农业大学植物科学技术学院的科研团队将目光投向了两个看似不相关的蛋白质家族——气味结合蛋白(Odorant Binding Proteins, OBP)和化学感受蛋白(Chemosensory Proteins, CSP)。这些蛋白原本以识别气味分子而闻名，但近年来越来越多的证据表明，它们可能在与嗅觉无关的生理过程中扮演重要角色。该研究团队猜想：OBP和CSP是否可能像"分子海绵"一样，通过结合并隔离杀虫剂分子，从而降低到达作用靶点的有效浓度？

为了验证这一假说，研究人员在《Ecotoxicology and Environmental Safety》上发表了他们的最新发现。他们首先通过生物测定确认了多重抗性品系(MRS)对四种常用杀虫剂的抗性水平：对磺酰氟(sulfoxaflor)的抗性高达192.38倍，对吡虫啉(imidacloprid)为152.84倍，对啶虫脒(acetamiprid)为42.89倍，对噻虫嗪(thiamethoxam)为9.63倍。如此高的抗性比率暗示着可能存在超越传统代谢抗性的新机制。

研究人员采用RT-qPCR技术、RNA干扰(RNAi)基因沉默、荧光竞争结合实验和分子对接等多种技术手段，系统研究了OBP和CSP基因在棉蚜多重杀虫剂抗性中的作用。实验材料包括从新疆沙湾棉田采集的棉蚜种群，通过室内筛选获得的敏感品系(SS)和多重抗性品系(MRS)。

3.1. 多重抗性品系对多种杀虫剂表现出抗性

生物测定结果显示，与敏感品系(SS)相比，多重抗性品系(MRS)对四种新烟碱类杀虫剂均产生了不同程度的抗性，其中对磺酰氟和吡虫啉的抗性比率均超过150倍，表明该品系已进化出强大的多重抗性能力。

3.2. 多个OBP和CSP基因在抗性品系中显著上调

通过比较两个品系的基因表达谱，研究人员发现OBP3、OBP7、OBP9、CSP1、CSP6和CSP8在抗性品系中表达量显著升高。这些基因可能共同构成了一道抵御杀虫剂的前线防线。

3.3. 发育阶段和组织特异性表达谱

这些上调的基因在棉蚜各个发育阶段均有表达，但表现出明显的时空特异性：OBP基因主要在头部高表达，而CSP基因则在头部或表皮中富集。这种组织分布特征暗示这些蛋白可能在杀虫剂进入机体的最初接触部位发挥隔离作用。

3.4. 杀虫剂处理诱导OBP和CSP基因过表达

时间进程实验显示，不同杀虫剂处理能特异性诱导这些基因的表达。例如，磺酰氟和吡虫啉能引起强烈而持续的上调反应，而噻虫嗪的诱导作用则较为短暂。这种诱导特性表明OBP和CSP可能是棉蚜应对杀虫剂胁迫的快速反应系统的一部分。

3.5. 基因沉默显著提高棉蚜对杀虫剂的敏感性

通过RNAi技术特异性沉默上述基因后，棉蚜对杀虫剂的敏感性显著增加。在LC₅₀浓度处理下，基因沉默组的死亡率比对照组提高了12.54%至48.65%，直接证明了这些基因在抗性形成中的功能性作用。

3.6. CSP和OBP与不同杀虫剂的结合亲和力

荧光竞争结合实验证实，这些蛋白确实能够与杀虫剂分子直接结合。其中CSP1对磺酰氟和吡虫啉表现出强亲和力(K_i ≤ 20 μM)，OBP9对吡虫啉也有强结合能力，而其他蛋白则表现出中等或弱结合能力。这种结合特性的差异可能反映了不同蛋白在抗性中的分工协作。

3.7. 同源建模和分子对接分析

分子对接结果揭示了杀虫剂与蛋白结合的分子细节。例如，磺酰氟与OBP3通过TYR-50和TYR-125形成氢键，与CSP1则通过PHE-134和ASP-135相互作用。这些精确的分子间作用为理解结合特异性提供了结构基础。

综合以上结果，研究得出结论：OBP和CSP基因的过表达是棉蚜多重杀虫剂抗性的重要机制之一。这些蛋白通过直接结合杀虫剂分子，可能起到"分子隔离"的作用，减少到达靶位点的有效浓度，从而 confer 抗性。这一发现不仅拓展了我们对昆虫抗药性机制的理解，更重要的是为害虫抗性治理提供了新的思路——针对OBP和CSP的抑制剂可能成为恢复杀虫剂敏感性的有力工具。

该研究的创新之处在于首次系统性地将多个OBP和CSP基因与棉蚜的多重杀虫剂抗性联系起来，并通过多层次的实验证据建立了从基因表达到蛋白质功能再到表型的完整证据链。特别是在分子水平上阐明了这些蛋白与不同杀虫剂的结合特性，为设计新型抗性治理策略奠定了理论基础。

值得注意的是，OBP和CSP介导的抗性机制可能与传统的代谢抗性存在协同作用。一方面，这些结合蛋白可以减少到达靶位点的杀虫剂浓度；另一方面，它们也可能为代谢酶系统提供更长的解毒时间窗口。这种多层次的防御体系可能是棉蚜在长期化学选择压力下进化出的生存策略。

未来研究可以进一步探索如何利用这一发现开发新型害虫管理方法。例如，设计OBP/CSP的小分子抑制剂，或者利用基因编辑技术调控这些基因的表达，都可能成为打破害虫抗性的有效手段。同时，这一机制是否普遍存在于其他农业害虫中也值得深入探讨，这将为害虫抗性治理提供更广阔的视野。