多谷胱甘肽-S-转移酶介导的广食性鳞翅目害虫对十字花科植物硫代葡萄糖苷防御的广谱解毒机制

本研究揭示了广食性害虫斜纹夜蛾(Spodoptera littoralis)如何通过多种谷胱甘肽-S-转移酶(GSTs)代谢十字花科植物中结构多样的异硫氰酸酯(ITCs)。研究人员发现34种GSTs中过半能催化ITCs与谷胱甘肽(GSH)结合，形成巯基尿酸途径代谢物，且GST活性与幼虫生长表现正相关。该研究阐明了广食性昆虫应对植物化学防御的分子机制，为理解植物-昆虫协同进化提供了新见解。

　　

在植物与昆虫亿万年的军备竞赛中，十字花科植物发展出了独特的化学防御系统——硫代葡萄糖苷(GSL)-黑芥子酶系统。当叶片被取食时，原本储存在特殊细胞中的GSLs会被水解成具有毒性的异硫氰酸酯(ITCs)，这些"芥子油炸弹"能有效抵御多数草食性昆虫。然而，一些广食性害虫如斜纹夜蛾却能以这些植物为食，它们究竟如何破解这种化学防御？来自马克斯·普朗克化学生态研究所的Ruo Sun等研究人员在《Communications Biology》上发表的研究，揭示了这一进化谜题的关键答案。

研究人员采用多组学联用技术，结合分子生物学和生物化学方法，系统研究了斜纹夜蛾对多种ITCs的解毒机制。研究使用了转基因拟南芥(Arabidopsis thaliana)不同品系（包括野生型、myb28myb29双敲除突变体、myb28myb29×cyp79b2cyp79b3四敲除突变体和CYP79A2敲入突变体）进行饲喂实验，通过超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱(UHPLC-qTOF-MS)进行非靶向代谢组学分析，并利用重组蛋白表达和酶动力学分析评估了34种细胞质GSTs的活性。此外，还通过分子对接模拟研究了GSTs与不同ITCs的相互作用模式。

抑制斜纹夜蛾生长的ITCs效应取决于侧链结构
研究发现不同结构的ITCs对斜纹夜蛾幼虫生长抑制程度各异。含甲基亚磺酰基的4-甲基亚磺酰丁基(4MSOB)ITC抑制效果最强，与杀虫剂处理组相当；而烯丙基ITC、丁基ITC和仲丁基ITC的毒性相对较低。在拟南芥饲喂实验中，幼虫在缺乏脂肪族GSLs的myb28myb29双敲除突变体上生长更好，证实了4MSOB GSL的特殊毒性。值得注意的是，虽然ITCs抑制生长，但未影响存活率，且可溶性蛋白和游离氨基酸含量未降低，某些氨基酸如半胱氨酸(Cys)和赖氨酸(Lys)水平甚至升高。

斜纹夜蛾幼虫将多种ITCs代谢为GSH和赖氨酸结合物
代谢组学分析揭示了ITCs在斜纹夜蛾体内的两条主要代谢途径：经典的巯基尿酸途径（形成ITC-GSH、ITC-CysGly、ITC-Cys等系列代谢物）和新发现的赖氨酸结合途径。在饲喂4MSOB ITC的幼虫中，约36%摄入的ITC被转化为结合物排出体外，8%以结合形式保留在体内。不同ITCs的代谢模式存在差异：烯丙基ITC主要转化为ITC-GSH和ITC-Cys，而苯甲基ITC则主要形成ITC-CysGly和ITC-Cys。

斜纹夜蛾GST酶对不同侧链结构ITCs的特异性
研究人员系统评估了34种细胞质GSTs对多种ITCs的催化活性。结果显示，delta、epsilon和sigma类GSTs能有效催化ITCs与GSH结合，而zeta、theta和omega类GSTs基本无活性。酶活性与ITCs侧链结构密切相关：对烯丙基ITC（短链不饱和）的活性高于4MSOB ITC（长链含甲基亚磺酰基）；对苯甲基ITC（短链）的活性高于2-苯乙基(2PE)ITC（长链）。分子对接模拟显示，苯甲基ITC和2PE ITC与GSTs的结合能低于烯丙基ITC和丁基ITC，解释了其更高的酶催化效率。

GST编码基因在斜纹夜蛾幼虫组织中广泛表达但仅有少数可被膳食ITCs诱导
组织表达分析表明，GST基因在斜纹夜蛾幼虫各组织中广泛分布，但表达模式存在差异：中肠主要表达GSTE1、GSTE3等epsilon类和GSTS6等sigma类GSTs；马氏管高表达GSTS2；体壁则高表达GSTE13、GSTS5等。值得注意的是，在膳食ITCs诱导实验中，仅GSTE6、GSTS3和GSTS6三个基因能被苯甲基ITC特异性诱导上调2-3倍，多数GSTs呈组成型表达。

这项研究系统阐明了广食性昆虫斜纹夜蛾应对十字花科植物GSL防御的分子机制。研究发现，斜纹夜蛾通过多种GSTs的协同作用，能够代谢结构多样的ITCs，这种"多酶广谱"的解毒策略可能是其广食性的重要基础。特别值得注意的是，GSTs对不同结构ITCs的活性差异与幼虫生长表现高度一致，证实了GST介导的解毒系统在昆虫宿主适应性中的关键作用。研究还揭示了ITCs在昆虫体内的新型代谢途径——赖氨酸结合，拓展了对昆虫解毒代谢的认识。从应用角度看，这些发现为开发基于植物防御化合物的新型害虫防控策略提供了分子靶点，同时也为理解昆虫与植物的协同进化提供了新视角。该研究通过整合化学生态学、昆虫生理学和分子生物学等多学科方法，为研究植物-昆虫互作提供了范式。