从实验室到田间：利用黑腹果蝇作为农业害虫管理的模式昆虫

《Fly》：From bench to farm: leveraging Drosophila as a model insect for agricultural pest management

　　

摘要 醋蝇黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）极大地推动了我们对生物学基本原理的理解，从染色体遗传理论到多细胞生物在太空飞行中的生存。利用该昆虫作为模式生物，为生命科学的各个分支提供了深刻见解，包括农业和环境科学。在常依赖害虫物种特异性自然史、物候学及生物防治的综合害虫管理（IPM）框架下，黑腹果蝇持续发挥着强大作用。本综述旨在总结黑腹果蝇模型在与IPM相关的昆虫生物学研究中的应用，重点关注杀虫剂抗性机制的探究。我们选取了采用正向遗传学方法揭示IPM相关表型分子基础，以及采用反向遗传学方法阐明基因型-表型关系的案例研究。特别地，我们着重强调了黑腹果蝇在理解铃木果蝇（D. suzukii）生物学及其IPM开发中的贡献——铃木果蝇是一种危害全球水果生产的果蝇害虫。最后，我们总结了黑腹果蝇中近期开发的研究工具和资源，这些工具和资源在农业害虫管理中具有潜在应用价值。 关键词：害虫管理；杀虫剂抗性；入侵性害虫；黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）；铃木果蝇（Drosophila suzukii）

引言

农业生产对不断增长的世界人口的粮食安全至关重要。尽管过去六十年作物产量显著增加，但农业害虫和病原体持续对农业生产的产量和质量构成挑战。主要作物（包括小麦、水稻和玉米）的全球产量损失介于10.1%至41.1%之间。由于全球气候变化，地表每升温1摄氏度，虫害导致的产量损失预计将增加10%至25%。

化学杀虫剂一直是农业害虫防治的核心手段，保障了农业生产力和经济。然而，对化学杀虫剂的严重依赖引发了可持续性担忧。对一种或多种杀虫剂表现出抗性的昆虫物种数量持续累积增加，导致杀虫剂效力下降。增加杀虫剂使用加剧了害虫抗性的发展，并提高了种植者的成本。由于食品中法定允许残留的农药最大限量，增加杀虫剂施用也可能受到限制。此外，研究表明农药暴露对人类、非靶标物种和生态系统均存在急性和慢性负面影响。因此，持续努力理解抗性发展及昆虫生物学的其他方面以减少对化学农药的依赖已变得日益迫切。

黑腹果蝇作为生物学模式生物具有诸多优势。其分类地位使其适用于理解昆虫生物学和毒理学。自21世纪初以来，全球和国家组织已认可IPM作为作物保护范式。IPM是一种管理农业害虫的生态策略，涉及文化、生物、遗传和化学防治的综合。IPM的目标是将害虫种群维持在经济学阈值以下，同时最小化对环境和人类健康的风险。本综述旨在总结黑腹果蝇模型在理解与IPM相关的昆虫生物学中的应用，重点关注杀虫剂抗性。我们选取了采用正向遗传学方法揭示杀虫剂抗性等表型分子基础，以及采用反向遗传学方法阐明基因型-表型关系的案例研究。特别地，我们着重强调了黑腹果蝇在理解铃木果蝇生物学及其IPM方面的近期贡献——铃木果蝇于2008年入侵美国大陆，并在短短几年内迅速成为全球水果生产的关键害虫。我们描述了表征铃木果蝇感觉、季节和昼夜节律生物学的研究，并解释了这些研究如何促成铃木果蝇作为入侵性害虫的成功。对铃木果蝇感觉生物学的研究揭示了寄主植物选择的机制，为诱饵和诱捕器设计提供了见解。季节生物学研究为这种害虫适应环境条件季节性变化的潜力提供了信息，并改进了其分布范围扩张的建模。最后，铃木果蝇昼夜节律生物学的研究促进了有效IPM的时间感知意识。在综述末尾以展望视角，我们总结了黑腹果蝇中开发的研究工具和资源，这些工具和资源在农业害虫管理中具有巨大潜力。

黑腹果蝇作为与害虫管理相关的昆虫生物学模型

一百多年来，黑腹果蝇一直处于生物学研究前沿。利用黑腹果蝇的研究在理解遗传原理、发育过程、代谢和生理调控以及行为分子基础方面成果丰硕。毫不意外，黑腹果蝇也一直是揭示赋予杀虫剂抗性分子机制的关键模型。

James Crow等人的早期研究确立了黑腹果蝇作为抗性研究模型。许多杀虫剂靶标基因在黑腹果蝇中被克隆和表征，如抗狄氏剂基因（rdl）、麻痹基因（para）和颤动基因（sh）。这些靶标基因在昆虫中高度保守，对非黑腹果蝇昆虫物种的生物学具有广泛意义。追踪一系列表征滴滴涕（DDT）抗性的研究最能说明黑腹果蝇的效用。Crow于20世纪50年代首次报道了黑腹果蝇的DDT抗性。尽管早期研究表征了赋予DDT抗性的遗传位点，但直到2002年DDT抗性才被定位到单个基因。ffrench-Constant实验室表明DDT抗性表型与细胞色素P450基因Cyp6g1的转录升高相关。他们发现数十个田间采集品系中Cyp6g1的表达水平与抗性表型相关。利用黑腹果蝇多功能的遗传工具包，他们开发了过表达Cyp6g1的转基因果蝇，建立了基因型与DDT抗性表型之间的因果联系。除遗传证据外，Joussen等人提供了黑腹果蝇CYP6G1蛋白确实能代谢DDT的生化证据。表达黑腹果蝇CYP6G1的烟草细胞显示出将DDT还原为毒性较低的DDD的能力增强。通过这一系列开创性工作，DDT抗性表型的分子基础在五十年后终于得以解析。

由于细胞色素P450（CYP）超家族的进化保守性，在黑腹果蝇中发现的CYP6G1解毒功能随后为其他昆虫中基于细胞色素的抗性提供了启示。为揭示CYP的物种特异性功能，黑腹果蝇转基因操作的便捷性已证明其效率和实用性。Zimmer等人将褐飞虱CYP6ER1在黑腹果蝇中表达，并鉴定了促进CYP6ER1与吡虫啉结合的关键氨基酸多态性。该研究将褐飞虱CYP6ER1的序列变化与抗性联系起来。为促进物种特异性细胞色素P450的研究，McLeman等人生成了表达十多种害虫和传粉昆虫物种P450的转基因果蝇。这些工具已被用于评估交叉抗性和增效剂对害虫管理的功效，以及蜜蜂传粉者的毒理学。除杀虫剂共价结合的特定大分子（即DNA、蛋白质）外，杀虫剂还可通过增加细胞氧化应激发挥毒性。氧化应激导致DNA、蛋白质损伤并改变代谢物谱的氧化还原状态。因此，杀虫剂抗性也可以通过DNA氧化损伤、蛋白质过氧化和代谢物谱氧化还原状态的改变来评估。氧化应激对农药诱导毒性的多水平影响可以很容易地利用黑腹果蝇揭示。黑腹果蝇还具有充分表征的代谢组（Flymet.org），可以揭示杀虫剂暴露后代谢物谱的变化。

当新的农药抗性模式出现时，黑腹果蝇可以快速用于研究。螯合抗性是一种新发现的抗性模式，其中嗅觉蛋白的过表达结合并螯合杀虫剂，同时引起对杀虫剂的行为回避。传统上，化学感受蛋白（CSPs）和气味结合蛋白（OBPs）是在化学感觉结构中表达的嗅觉蛋白，以实现化学通讯。有趣的是，在拟除虫菊酯抗性的冈比亚按蚊中观察到嗅觉蛋白的过表达。许多研究现已利用黑腹果蝇的遗传工具在多种害虫物种中建立了CSP水平与杀虫剂抗性之间的因果联系，如棉蚜和小菜蛾。

黑腹果蝇也在一定程度上促进了我们对生物防治的理解，尽管个别害虫物种表现出寄主特异性。生物防治通过利用捕食者、寄生虫、病原体和共生生物等活生物体来降低害虫物种的种群密度。例如，黑腹果蝇-寄生蜂系统揭示了寄生蜂操纵寄主生物学以实现繁殖成功的分子机制。这可能为其他寄主-寄生蜂系统中可能保守的寄生策略提供信息。积累的研究也利用黑腹果蝇考察了寄主-病原体相互作用，包括行为回避和免疫反应方面。然而，寄主特异性可能限制知识向非黑腹果蝇物种的转移。即使在同一属内，数十种细菌菌株的致病性在黑腹果蝇和铃木果蝇中观察到差异生存率。黑腹果蝇寄生蜂对铃木果蝇的效力也有限。最后，对黑腹果蝇行为生态学的研究可以为害虫物种的行为提供见解，从而改进包括生物防治在内的害虫管理。

利用黑腹果蝇阐明杀虫剂抗性的表型-基因型关系

表型-基因型方法，即正向遗传学，研究田间鉴定到的杀虫剂抗性的遗传基础。在田间采集并建立等雌或近交系后，杀虫剂生物测定可用于鉴定敏感品系与抗性品系。该方法用于前文所述的DDT抗性研究。然而，杀虫剂抗性并不总是单基因的。借助高通量测序等现代方法实现全基因组和/或转录组分析，我们已开始认识到杀虫剂抗性背后的多基因特征。例如，转录组学分析揭示了抗多杀菌素和zeta-氯氰菊酯的铃木果蝇中参与代谢和表皮（穿透）抗性的数十个基因过表达。利用果蝇研究界开发的公开可用的黑腹果蝇敲低突变体，该研究功能验证了候选铃木果蝇抗性基因，证明当其表达降低时敏感性增加。这些发现强调了黑腹果蝇资源如何加速建立其他害虫物种中表型与基因型之间的因果联系，并为抗性管理策略提供信息。所揭示的杀虫剂抗性多基因特征为制定抗性管理策略提供了宝贵信息。Tabuloc等人的研究还强调，现成的黑腹果蝇敲低品系可以加速在其他害虫物种中建立表型与基因型的因果联系。

利用黑腹果蝇揭示杀虫剂抗性的基因型-表型关系

基因型-表型方法，即反向遗传学，表征基因被修饰时的表型后果。DNA测序成本的大幅降低极大地促进了先探究基因型再研究表型的方法，使反向遗传学成为理解杀虫剂抗性机制的有效途径。黑腹果蝇是最早完成全基因组测序的真核物种之一。值得注意的是，黑腹果蝇遗传参考小组（DGRP）报道了168个近交黑腹果蝇品系的基因组，为产生遗传变异如何导致表型性状差异的假设提供了丰富资源。例如，Remnant等人鉴定了DGRP品系中Rdl的基因重复伴随点突变，该基因编码GABA门控氯通道亚基，是多种杀虫剂的靶标。Rdl等位基因的永久杂合性被证明提供对环戊二烯类杀虫剂的抗性，同时降低温度敏感性的适合度代价。这引发了对几种害虫物种中继续使用靶向Rdl的杀虫剂的考量，包括豌豆蚜和棉铃虫。还可以利用DGRP进行非靶向分析，如全基因组关联研究（GWAS）。这已阐明对有机磷杀虫剂、吡虫啉和DDT等杀虫剂抗性的数量性和多基因性质。由于DGRP品系的转录组数据可用，GWAS还可以通过转录组全关联研究（TWAS）加强，如Denecke等人所报道。此外，果蝇科中已完成基因组测序的物种数量不断增加，促进了黑腹果蝇特异性机制与可转化用于理解昆虫生物学的保守机制的划分。

黑腹果蝇阐明铃木果蝇的生物学与管理

利用黑腹果蝇研究害虫物种生物学的最佳范例或许来自铃木果蝇，一个近缘物种。铃木果蝇最初记录于东南亚，已入侵超过50个国家并造成全球作物损害。包括黑腹果蝇在内的许多果蝇物种偏好发酵水果，这些水果没有商业价值。相比之下，雌性铃木果蝇拥有锯齿状产卵器，可以将卵产在软皮水果内部，从而在过程中损害成熟和可上市的水果。铃木果蝇的经济影响在有机农田中最为严重，主要由于杀虫剂选择有限。化学杀虫剂的密集使用一直是管理铃木果蝇的主要方法，在过去十年中引发了对抗性发展的担忧。事实上，多项研究现已报道铃木果蝇的杀虫剂抗性，显著加剧了对杀虫剂储备进一步减少的担忧。因此，迫切需要理解铃木果蝇的生物学，作为成功实施害虫物种IPM的前提。自2008年铃木果蝇入侵美国大陆以来，黑腹果蝇在许多方面促进并加速了我们对铃木果蝇生物学的理解，这将最终有助于为这种毁灭性害虫制定更好的管理策略。

基因组学

基因组数据已被用于理解害虫物种的遗传基础。黑腹果蝇连同其他果蝇基因组，作为铃木果蝇基因组基因注释的参考。与基因片段相比，利用全基因组数据的种群分析揭示了入侵历史和局部适应，可以为控制方法的开发提供信息。基因组数据还可以促进田间种群监测中物种诊断的设计。利用比较基因组学方法，开发了用于铃木果蝇幼虫阶段鉴定的分子诊断方法，此时基于形态学的鉴定较为困难。

感觉生物学

铃木果蝇进化出独特的化学和机械感觉机制，将其生态位转向成熟水果。随着果实成熟和过熟，物理和化学性质持续变化，包括软度、糖含量、苦味、酸度、CO₂产生、气味和酒精。利用行为学、电生理学、基因表达、基因组学和分子遗传学方法的比较物种框架已被证明在理解铃木果蝇偏好于在成熟果实而非发酵果实上产卵方面富有成效。黑腹果蝇中气味受体分子机制的早期工作揭示了气味受体基因家族在不同气味感觉神经元中的功能。与黑腹果蝇相比，铃木果蝇拥有少20%的苦味感受感器（头部的主要味觉器官），表明对含有丰富苦味化合物的成熟果实的威慑减少。事实上，苦味感知的黑腹果蝇遗传突变体将产卵偏好转向成熟果实。对于糖反应，与黑腹果蝇相比，铃木果蝇感器中若干糖受体基因的表达减少。这与报道的铃木果蝇感器中较低的糖反应相关。总体而言，这些化学感觉变化导致铃木果蝇对更甜和过熟果实的偏好较弱。此外，铃木果蝇的糖感知增强，这表明成熟果实中的低糖水平比黑腹果蝇更可能触发铃木果蝇的产卵。在成熟开始时，果实表现出呼吸速率上升并产生CO₂，这是许多果蝇物种不喜欢的。铃木果蝇表现出比黑腹果蝇更大的CO₂耐受性。在黑腹果蝇中表达铃木果蝇的CO₂受体将其产卵偏好转向成熟果实，建立了CO₂耐受性与产卵偏好的因果联系。一项更近期的研究揭示，铃木果蝇对果实成熟酯类化学敏感性的获得是由于少数气味受体的SNP、拷贝数变化和共表达的整体转变。除化学感觉外，某些机械感觉通道基因在铃木果蝇感器中表达升高，导致对坚硬（成熟果实）基质比对柔软（过熟果实）基质更高的偏好。

对铃木果蝇感觉生物学的理解，结合化合物筛选，具有改善铃木果蝇靶向诱捕器设计而不捕获非靶标果蝇物种的潜力。市售诱饵可捕获超过40%的非靶标物种，需要时间和劳力进行铃木果蝇分拣以用于种群监测。因此，将比较物种分析与果实化学物筛选相结合，预期可实现更有效的物种特异性诱捕器设计。由于果蝇物种与酵母表现出物种特异性的互惠关系，评估对酵母挥发性有机化合物的吸引也提供了诱捕器设计的候选方案。化学筛选方法还可以指导挥发性食用级树胶的设计，作为铃木果蝇管理的环境友好型吸引-杀死策略。

季节和昼夜节律生物学

耐受寒冷、严酷冬季的能力有助于铃木果蝇在广泛气候条件下的成功。研究越冬能力被定义为铃木果蝇生物学的早期首要任务之一。黑腹果蝇再次在该研究领域展示了其价值。生殖滞育首先在黑腹果蝇中被记录。利用数量性状定位结合转基因方法，Schmidt等人鉴定了马铃薯蛋白（cpo），这是首个负责生殖滞育的基因。cpo表达水平与铃木果蝇的冬季驯化相关。种群基因组学也表明* cpo中的SNP与铃木果蝇在非本土气候条件下的入侵成功密切相关。未来研究可以利用黑腹果蝇遗传学揭示 cpo*调控生殖滞育的潜在保守机制。

研究人员和其他人研究了调节铃木果蝇季节生物学的环境线索。响应短光周期和低温，铃木果蝇增加耐寒性并进入生殖滞育。利用黑腹果蝇，研究人员鉴定了昼夜节律钟在调控生殖滞育中的作用。研究表明昼夜节律钟基因无时（tim）通过TIM蛋白的光敏感性感知光周期变化。这进而稳定了无眼（EYA）蛋白，通过内分泌系统促进生殖滞育的发生。后续研究进一步揭示，通过选择性剪接产生的冷诱导TIM-short和cold（TIM-SC）异构体增加EYA水平。这些研究将昼夜节律钟与季节性生殖滞育联系起来。除* tim外，研究发现时钟（Clk）的温度敏感选择性剪接也是适当温度响应所必需的。对几种果蝇物种基因组 tim和Clk的检查表明，包括铃木果蝇在内的其他果蝇物种也具有调节生殖滞育的潜在剪接机制。事实上，tim-SC转录本已被证明存在于冷适应果蝇D. montana*中，支持了这一推测。

与许多其他昆虫类似，铃木果蝇在生理和行为上表现出昼夜节律。Steed等人引入了"时间栽培"的概念，以利用农艺方法的时间安排和植物昼夜节律来提高作物产量和可持续性。理解害虫的昼夜节律生物学是时间栽培的一个关键方面。与黑腹果蝇一样，铃木果蝇在黎明和黄昏前后表现出最高的运动活性。这与监测诱捕器中捕获个体数量最多以及果实中侵染率最高相关。以化学防治为例，如果铃木果蝇的解毒作用也表现出昼夜节律，重叠的时间窗口将是杀虫剂效力的最佳时机。事实上，多个解毒基因的mRNA表达水平表现出昼夜节律，并可能与黎明时铃木果蝇暴露于马拉硫磷的最高毒性相关。因此，杀虫剂喷雾施用最好在清晨进行，特别是对于稳定性较差的化学品。研究人员期望黑腹果蝇中多功能的遗传工具和成熟完善的分子测定将继续促进铃木果蝇昼夜节律生物学的研究。

遗传工具包

若干努力扩展了受黑腹果蝇启发的铃木果蝇遗传工具包。Handler实验室和Prud'homme实验室首先将基于PiggyBac的转基因技术从黑腹果蝇适应到铃木果蝇。这有助于理解铃木果蝇向成熟果实转移的生态位。为避免潜在的位置效应和突变，Handler实验室还从黑腹果蝇适应了重组酶介导的盒式交换（RMCE）。Scott实验室在铃木果蝇中引入了可遗传突变，以实现表型可追踪的遗传标记。铃木果蝇扩展的遗传工具包不仅促进生物学研究，还推动了遗传防治的应用。值得注意的是，铃木果蝇的大多数遗传策略也受益于黑腹果蝇的开创性工作。最后，利用黑腹果蝇的研究继续扩展害虫物种遗传防治的视野。例如，等位基因驱动系统可以将抗性等位基因替换为野生型敏感等位基因，从而特异性地将杀虫剂抗性状态逆转至天然敏感种群。

黑腹果蝇作为新型杀虫剂开发的强大平台

利用黑腹果蝇资源还可以通过高通量筛选推动新型杀虫剂的开发，特别是对于双翅目害虫。各种行为测定具有功效筛选的潜力，包括寿命、攀爬能力、昼夜节律、生长和繁殖。随后可以采用正向遗传学方法揭示潜在机制。相同的行为范式也可以评估杀虫剂暴露的亚致死效应。这些低剂量、慢性或多代影响已引起生态和公共卫生担忧。

近期开发的成年果蝇细胞系可能进一步加速新型杀虫剂开发。在这些细胞系中，研究人员期望神经元和肠道细胞系对筛选和机制研究特别有用，因为大多数杀虫剂靶向神经系统和消化系统。例如，肠道细胞系可以支持杀虫剂解毒研究，如植物来源化合物或细菌毒素。细胞系模型可以揭示细胞类型特异性的抗性机制，以补充全昆虫模型，如肠道中ATP结合盒（ABC）转运蛋白对异源物质的排出。

结论与展望

黑腹果蝇研究对农业害虫管理做出了巨大贡献。果蝇研究界的工具和资源正在快速增长，如果蝇计算脑模型和胚胎、幼虫和成体的单核转录组图谱，提供单细胞分辨率。幼虫和成体连接组可能进一步揭示赋予杀虫剂抗性的机制，正如一项揭示广泛使用的杀虫剂主要靶标乙酰胆碱受体（nAChRs）空间组织的研究所证明的。结合AlphaGenome等基于深度学习的转录调控预测工具和AlphaFold等抗性等位基因编码变体蛋白结构预测工具，研究人员预期黑腹果蝇系统将继续为农业害虫管理提供重要见解。