科罗拉多马铃薯甲虫半胱氨酸环配体门控离子通道基因超家族的系统解析及其在杀虫剂抗性中的潜在作用

本研究针对农业害虫科罗拉多马铃薯甲虫(Leptinotarsa decemlineata)的杀虫剂抗性问题，系统鉴定了其22个cysLGIC基因家族成员，包括nAChRs、GABA受体等关键神经递质受体。研究首次发现pHCl基因的复制现象及nAChRα4亚基的天然截短变异，通过RNA编辑和选择性剪接分析揭示了受体多样性的分子基础，为开发新型靶向杀虫剂和抗性监测提供了重要分子靶点。

　　

科罗拉多马铃薯甲虫作为茄科作物的毁灭性害虫，其频繁产生的杀虫剂抗性已成为全球农业生产的重大挑战。特别值得注意的是，这类害虫已对作用于神经系统靶点的多种杀虫剂产生抗性，包括新烟碱类、环二烯类和氟虫腈等。这些杀虫剂的共同特点是靶向半胱氨酸环配体门控离子通道(cysLGIC)超家族，该家族包含烟碱型乙酰胆碱受体(nAChRs)、γ-氨基丁酸(GABA)受体等重要神经递质受体。然而，长期以来科罗拉多马铃薯甲虫cysLGIC基因家族的完整组成和结构特征尚未明确，严重制约了靶向杀虫剂的研发和抗性机制研究。

针对这一科学问题，马里兰大学昆虫学系的研究人员利用最新发布的染色体水平基因组数据，系统开展了科罗拉多马铃薯甲虫cysLGIC基因超家族的全面解析工作。这项发表在《BMC Genomics》的研究不仅填补了该重要农业害虫神经受体研究的空白，更揭示了若干可能影响杀虫剂效力的关键分子特征。研究人员通过比较基因组学和转录组学分析，成功鉴定出22个cysLGIC家族成员，包括11个nAChR亚基和11个非nAChR亚基，并发现这些基因在染色体上呈现特定分布模式，如nAChRα7与β1亚基基因在X染色体上的紧密连锁。

研究主要采用生物信息学分析方法，包括：1)使用tBLASTn和Exonerate软件进行同源基因鉴定；2)基于CPB转录组数据验证基因表达；3)通过Clustal X2和MEGA X进行多序列比对和系统发育分析；4)利用TMHMM-2.0预测跨膜结构域；5)结合RNA-seq数据分析选择性剪接和RNA编辑事件。样本来源于公开的科罗拉多马铃薯甲虫基因组和转录组数据。

【研究结果】
背景部分阐明了cysLGIC超家族在神经信号传导和杀虫剂靶点中的核心地位。典型cysLGIC受体为五聚体结构，包含细胞外配体结合域和四个跨膜区。研究特别强调了该家族作为七类杀虫剂作用靶点的重要性，包括新烟碱类、氟虫腈和阿维菌素等。

科罗拉多马铃薯甲虫nAChR亚基部分揭示了11个亚基的完整注释，包括10个α型和1个β型亚基。系统发育分析显示这些亚基与其他昆虫具有高度保守性，其中α4亚基存在天然截短变异，RNA-seq覆盖度分析证实其N端胞外区表达显著降低。研究还发现nAChRα6存在A-to-I RNA编辑，导致139位天冬酰胺(N)变为天冬氨酸(D)，可能影响受体糖基化修饰。

在GABA受体亚基研究中，鉴定出Rdl、GRD和LCCH3三个成员。值得注意的是，Rdl亚基携带与氟虫腈抗性相关的S280突变(相当于已知的A301S抗性突变)，且存在选择性剪接产生的三种异构体。这些变异可能影响杀虫剂与靶标受体的相互作用。

其他cysLGIC亚基研究发现了若干重要特征：1)谷氨酸门控氯离子通道(GluCl)存在三个选择性剪接变体；2)首次在昆虫中发现pHCl基因的复制现象，两个拷贝仅相差一个氨基酸(S356A)；3)鉴定出与组胺门控氯离子通道(HisCl)功能相关的两个亚基。

【结论与意义】
该研究首次系统解析了科罗拉多马铃薯甲虫cysLGIC基因超家族，为理解其神经信号传导和杀虫剂抗性提供了分子基础。主要发现包括：1)鉴定出22个家族成员，数量与其他昆虫相当但存在特异性变异；2)发现pHCl基因复制和nAChRα4天然截短等独特特征；3)揭示RNA编辑和选择性剪接可能增加受体多样性；4)检测到与杀虫剂抗性相关的Rdl突变。

这些发现具有重要应用价值：1)为开发靶向cysLGIC的新型杀虫剂提供候选靶点；2)建立的分子标记可用于抗性监测；3)亚基特异性序列差异有助于设计物种特异性RNA干扰策略。特别是nAChRβ1亚基在蜜蜂和甲虫间的序列差异，为开发选择性杀虫剂提供了分子基础。研究还提出了若干待验证的科学问题，如截短型nAChRα4的功能意义和pHCl基因复制的生物学后果，为后续研究指明了方向。