基于RNAseq的分子机制研究揭示了Laodelphax striatellus对三种杀虫剂的抗性：CYP6ER2在解毒过程中的作用机制

《Pesticide Biochemistry and Physiology》：RNAseq-based molecular insights into three insecticide resistances in Laodelphax striatellus: Structural perspective on CYP6ER2 in detoxification

小褐飞虱对 carbosulfan、etofenprox 和 imidacloprid 的抗药性源于 Ace1 靶标位点突变（F331H、F439H）及 CYP6ER2 代谢基因上调，RNA-seq 显示转录重编程与代谢调整相关，分子对接验证 CYP6ER2 的广谱解毒功能。

　　

崔敏英|穆尔塔扎·汗|郑仁弘|金珠丽

韩国江原国立大学智能农业跨学科研究生项目，春川24341

摘要

小褐飞虱（Laodelphax striatellus，简称SBPH）是亚洲地区水稻的主要害虫，其对多种杀虫剂的抗性日益增强，对作物保护构成了严重威胁。为了了解抗性的分子基础，研究人员在六年内从韩国野外采集了样本，分别对这些样本进行了卡巴硫磺（1A组）、埃托芬普罗克斯（3A组）和吡虫啉（4A组）的抗性测试，最终获得了三种抗性菌株。生物测定结果显示，这些菌株的抗性非常高：卡巴硫磺的抗性倍数超过350倍，埃托芬普罗克斯超过1200倍，吡虫啉超过800倍。靶点分析发现，卡巴硫磺和吡虫啉抗性菌株中存在基因突变（F331H、F439H），而埃托芬普罗克斯抗性菌株中未检测到经典的钠通道替换突变。RNA测序分析显示广泛的转录重编程现象，尤其是在埃托芬普罗克斯抗性菌株中，其代谢和信号传导途径发生了显著变化。相比之下，吡虫啉抗性菌株中基因的表达显著增强，该基因与Nilaparvata lugens的基因密切相关，提示其在吡虫啉解毒中可能发挥作用。qRT-PCR分析证实所有抗性菌株中基因均上调，其中吡虫啉抗性菌株中的表达水平最高（超过35倍），且这种上调与基因扩增无关。分子对接研究表明，卡巴硫磺、埃托芬普罗克斯和吡虫啉理论上可以以适宜的结合能和催化方向与的活性位点结合，支持其具有广谱解毒功能的假设。综上所述，SBPH的抗性是由靶点突变和代谢基因的转录激活共同作用的结果，可能是介导跨类解毒的关键酶。

引言

小褐飞虱（Laodelphax striatellus，简称SBPH）是东亚地区（包括韩国、中国和日本）水稻及其他谷物作物的主要害虫（Park等人，2019年）。这种昆虫通过吸取韧皮部汁液直接导致产量损失，并作为传播病毒性疾病（如水稻条纹病毒）的媒介造成间接损害，从而对区域粮食安全构成持续威胁（Jeong等人，2016年；Kwon等人，2018年）。因此，有效管理SBPH对于维持韩国及邻国的水稻生产至关重要。

长期以来，化学杀虫剂一直是控制SBPH的主要手段；然而，频繁和大量的使用导致野外种群迅速产生抗性（Jeong等人，2016年；Kwon等人，2019年）。已报道SBPH对多种杀虫剂类别（包括氨基甲酸酯类、拟除虫菊酯类和新烟碱类）产生抗性，这大大增加了控制难度并造成了巨大的经济损失（Jeong等人，2016年；Kwon等人，2019年；Xu等人，2013年）。尤其令人担忧的是对吡虫啉等新烟碱类的抗性，由于这些杀虫剂在韩国及整个亚洲地区的广泛应用及其高效性和内吸性，抗性问题尤为突出（Jeong等人，2016年；Xu等人，2013年）。

韩国及其他地区的分子研究开始揭示SBPH抗性的机制。对于氨基甲酸酯类杀虫剂，乙酰胆碱酯酶基因（LsAChE1）中的F331H突变与靶点不敏感密切相关（Kwon等人，2019年）。拟除虫菊酯类抗性与电压门控钠通道基因（VSSC）的突变有关，这些突变降低了杀虫剂的结合亲和力（Jeong等人，2016年）。除了这些经典的靶点改变外，由细胞色素P450单加氧酶（CYPs）、羧酸酯酶（CCEs）和谷胱甘肽S-转移酶（GSTs）介导的代谢解毒也起着重要作用（Xu等人，2013年；Xu等人，2014年）。特别是CYP6家族的成员在相关飞虱物种（如Nilaparvata lugens）的广谱抗性中多次被提及（Choi等人，2025年），表明这些酶在代谢适应中具有保守作用。

尽管取得了这些进展，但韩国SBPH种群中杀虫剂抗性的进化路径及其潜在的分子机制仍需进一步研究，尤其是交叉抗性和特定解毒酶的作用机制。特别是不同杀虫剂长期选择如何驱动交叉抗性，以及新烟碱类抗性的分子基础仍不明确。这些知识空白阻碍了有效监测工具和抗性管理策略的开发。

为填补这些空白，我们研究了六年内从韩国野外采集的SBPH菌株对三种代表性杀虫剂（卡巴硫磺、埃托芬普罗克斯和吡虫啉）的抗性分子基础。通过结合生物测定、分子诊断、RNA测序和结构建模，本研究旨在（1）识别与抗性相关的关键靶点突变，（2）分析与代谢解毒相关的基因组表达变化，（3）评估CYPs（尤其是）在交叉抗性中的作用。这些发现为韩国及全球范围内SBPH的抗性监测和可持续管理策略提供了重要依据。

实验部分

昆虫

2018年8月至10月期间，我们在韩国五个地点（金浦、固城、海南、瑞川和太安）的水稻田中使用扫网收集了SBPH样本。收集到的样本被合并到一个大型笼子中，再分成三个小笼子，从2018年11月开始，分别以每种杀虫剂推荐浓度的25%进行抗性筛选。用于筛选的商业制剂包括卡巴硫磺FL（20%）（Hankook Samgong公司）

生物测定

通过比较SBPH-S与三种抗性菌株（SBPH-CR、SBPH-ER和SBPH-IR）的LC₅₀值，定量评估了SBPH对卡巴硫磺、埃托芬普罗克斯和吡虫啉的抗性。生物测定数据（包括LC₅₀值及其95%置信区间（CI）、样本量（N）、斜率、拟合优度统计量（χ²）和计算出的抗性倍数RR）总结在表1中。

对于卡巴硫磺，SBPH-S的LC₅₀为3.05 mg/L（95% CI：2.86–3.26），而SBPH-CR的抗性...

讨论

本研究表明，SBPH对三种主要杀虫剂类（卡巴硫磺、埃托芬普罗克斯和吡虫啉）的抗性是由不同的但相互重叠的分子机制引起的。生物测定结果显示抗性水平极高（表1），其中埃托芬普罗克斯和吡虫啉抗性菌株的抗性倍数分别超过1200倍和800倍，体现了野外进化抗性的强度。这些数值与其他研究结果相当甚至更高

结论

本研究揭示，SBPH的抗性是由靶点突变和代谢基因的转录调控共同作用的结果。生物测定证实其对卡巴硫磺、埃托芬普罗克斯和吡虫啉的抗性水平极高，其中基因突变主要导致了氨基甲酸酯类和新烟碱类的抗性，而埃托芬普罗克斯抗性菌株则表现出广泛的转录重编程现象。基因被认为是解毒过程中的关键媒介

资助

本研究得到了韩国农村发展管理局（RS-2021-RD009891）支持的农业科学技术发展合作研究计划，以及韩国国家研究基金会（NRF）通过教育部（NRF-2021R1A6A1A03044242）资助的基础科学研究计划的资助。

作者贡献声明

崔敏英：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、软件使用、方法设计、实验设计、数据分析、数据整理。穆尔塔扎·汗：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、实验设计、数据分析。郑仁弘：撰写 – 审稿与编辑、资源协调、项目管理、方法设计、资金争取。金珠丽：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化、结果验证、实验监督、软件使用、项目管理

利益冲突声明

所有作者均声明无利益冲突。

致谢

作者感谢PHYZEN公司的Junki Lee博士在下一代测序（NGS）和生物信息学方面的技术支持。