两种富含表皮成分的化学感应蛋白通过介导在蝗虫（Locusta migratoria）表皮上的结合作用，帮助其产生对溴氰菊酯（deltamethrin）的抗性

《Pesticide Biochemistry and Physiology》：Two integument-enriched chemosensory proteins contribute to deltamethrin tolerance through cuticular binding in Locusta migratoria

化学感受器蛋白（CSPs）介导沙漠蝗抗敌敌畏机制研究。揭示LmCSP3/4通过结合杀虫剂减少穿透率，RNAi敲低使死亡率分别增加20.86%/25.96%，HPLC证实穿透率降低20.15%/22.16%，体外荧光实验显示CSP3结合力强于CSP4。

　　

吴海华|徐桥桥|马玉敏|赵晓明|张建珍|张一超

应用生物学研究所，山西大学核酸生物农药重点实验室，中国山西省太原市030006

摘要

昆虫化学感觉蛋白（CSPs）广泛分布于化学感觉和非化学感觉组织中，并发挥着多种生理作用。最近的研究表明，CSPs介导的抗性/耐受性是昆虫杀虫剂抗性/耐受性的新机制。在Locusta migratoria中，两种CSP基因（LmCSP3和LmCSP4）可被溴氰菊酯诱导。然而，它们是否在溴氰菊酯耐受性中发挥作用仍不清楚。因此，在本研究中，我们调查了LmCSP3和LmCSP4在溴氰菊酯耐受性中的结构特征、时空表达模式和功能作用。结果表明，这两种LmCSPs包含保守的嗅觉特异性蛋白D（OS-D）结构域和四个以C1-X8-C2-X18-C3-X2-C4模式排列的半胱氨酸残基。两种LmCSPs都表现出在表皮中富集的表达模式。LmCSP3在第五龄若虫中表达量最高，而LmCSP4在第三龄和第五龄若虫中表达。通过RNAi敲低LmCSP3和LmCSP4，在18 μg/mL的诊断浓度下，蝗虫死亡率分别增加了20.86%和25.96%（P ≤ 0.05）。基于HPLC的定量分析显示，沉默LmCSP3和LmCSP4后，溴氰菊酯的角质层渗透率分别增加了20.15%和22.16%（P ≤ 0.01）。体外荧光竞争结合实验表明，LmCSP3对溴氰菊酯具有中等结合亲和力，而LmCSP4与溴氰菊酯的相互作用较弱。这些结果表明，蝗虫表皮中的LmCSP3和LmCSP4通过将杀虫剂结合在角质层基质中，有助于溴氰菊酯的耐受性。我们的发现阐明了CSPs与Locusta migratoria溴氰菊酯耐受性之间的关联，为靶向抗性管理策略提供了重要见解。

引言

迁徙蝗虫（Locusta migratoria）是全球最具破坏性的农业害虫之一，对粮食安全和农业可持续性构成严重威胁。在蝗虫爆发期间，蝗虫群具有无与伦比的破坏能力，能够消耗受影响区域高达100%的绿色植被，导致严重的经济损失（Zhang等人，2019年）。化学控制仍然是管理蝗虫爆发的主要策略，有机磷和拟除虫菊酯是最常用的杀虫剂。然而，过度依赖化学农药导致了蝗虫种群的抗性出现（Yang等人，2009年），降低了化学农药的效果，并引发了关于环境污染和非目标效应的担忧。

杀虫剂抗性通过多种机制产生，传统上分为代谢抗性、靶标位点抗性、渗透减少和行为抗性（Bras等人，2022年）。在各种杀虫剂抗性机制中，代谢抗性和靶标位点抗性是研究最广泛的（ffrench-Constant等人，2004年）。近年来，角质层介导的渗透抗性也引起了相当多的研究关注。由于昆虫角质层的变化导致的渗透减少，可以限制杀虫剂的吸收，进一步促进抗性的产生，这已在多种昆虫物种中得到报道，例如Ahopheles gambiae、Culex pipiens pallens和Helicoverpa armigera（Balabanidou等人，2018年）。例如，BgCPLCP1这种角质层蛋白使蟑螂的内角质层变厚，阻止了β-氰戊菊酯的渗透，并在实验室培养的S-和R-品系中产生了抗性（Cai等人，2024年）。沉默LmCYP4G102（参与Locusta migratoria角质层烃类生物合成的P450酶）可以改变角质层组成，增加杀虫剂的渗透率，从而提高杀虫剂的敏感性（Wu等人，2020年）。随着杀虫剂抗性研究的不断进展，新的抗性机制逐渐被阐明，包括化学感觉蛋白（CSPs）对杀虫剂抗性的直接影响（Pu和Chung，2024年）。

CSPs是一类分子量在12到15 kDa之间的可溶性蛋白质。它们的结构特征是通过四个保守的半胱氨酸残基形成两个二硫键，每个S键创建一个环，分别连接周围的8个和4个氨基酸残基（Pelosi等人，2006年）。CSPs广泛分布于昆虫的化学感觉（触角、颚须和腿）和非化学感觉组织（肠道、脂肪体和角质层）中，表明其功能不仅限于化学感知，还涉及多种生理过程（Liu等人，2020年）。研究表明，CSPs能够特异性识别宿主挥发物和信息素（Li等人，2024年；Zhang等人，2021年），并参与昆虫发育和再生（González等人，2009年；Nomura等人，1992年）、胚胎发生（Maleszka等人，2007年）以及昼夜节律调节（Claridge-Chang等人，2001年）。新的证据强调了CSPs在杀虫剂抗性中的关键作用。先前的研究表明，CSP8通过角质层隔离作用促进了Diaphorina citri对噻虫嗪的抗性（Li等人，2025年）。类似地，两种在表皮中富集的CSPs，CSP1和CSP2，通过表皮保留作用在Spodoptera frugiperda中介导多重杀虫剂抗性（Wang等人，2024年）。研究发现，亚致死剂量的杀虫剂暴露可能会影响某些CSP基因的表达水平，这些基因可能在杀虫剂抗性中发挥作用。RpCSP6在Rhopalosiphum padi中的表达水平被溴氰菊酯诱导，并参与杀虫剂抗性（Gao等人，2024年）。DcitCSP8的转录水平在不同浓度的噻虫嗪作用下显著上调，沉默DcitCSP8显著提高了D. citri对噻虫嗪的敏感性（Li等人，2025年）。

在这项研究中，我们从蝗虫表皮的RNA-seq转录组数据库中鉴定出两个在亚致死剂量溴氰菊酯暴露后显著上调的CSP基因（LmCSP3和LmCSP4）。我们假设这两种LmCSPs可能参与了Locusta migratoria对溴氰菊酯的耐受性。因此，我们调查了：（i）这两种LmCSPs在不同组织和表皮发育阶段的表达模式；（ii）通过RNAi结合生物测定和高效液相色谱（HPLC）技术研究这两种LmCSPs在蝗虫溴氰菊酯耐受性中的作用；（iii）通过荧光竞争结合实验研究LmCSPs对不同杀虫剂的结合亲和力。这些结果可能为了解CSPs介导的蝗虫溴氰菊酯耐受性提供有价值的见解。

实验部分

昆虫饲养

我们从中国河北省沧州市的一家商业蝗虫繁殖设施购买了Locusta migratoria的卵。将卵囊放置在培养皿中的沙质土壤中，密封在透明塑料袋中（袋子上有透气孔），并在气候控制的昆虫饲养室（中国太原市山西大学）中培养，温度保持在30 ± 1°C，相对湿度约为35%。每天向含有卵的土壤中喷水以保持

溴氰菊酯诱导蝗虫表皮中LmCSP3/?4的表达

从经溴氰菊酯处理的蝗虫表皮的转录组数据库中筛选出两个差异表达的LmCSP基因（LOCMI15675和LOCMI15676，分别命名为LmCSP3和LmCSP4）。然而，这些差异在统计学上并不显著（P > 0.05）（图1A）。相比之下，RT-qPCR分析显示，在溴氰菊酯暴露后，这两个基因均显著上调，LmCSP3的相对表达量增加了2.35倍，而LmCSP4

讨论

杀虫剂对于提高农业生产和维护全球粮食安全仍然至关重要。然而，长期和过度使用这些化学物质加速了杀虫剂抗性的发展。除了经典的解毒酶家族外，昆虫CSPs也被证明参与了杀虫剂抗性（Li等人，2023年；Wang等人，2024年）。我们发现Locusta migratoria表皮中的两种LmCSPs会被溴氰菊酯诱导。类似的发现

结论

总之，LmCSP3和LmCSP4具有CSPs的保守结构特征，包括OS-D结构域和典型的半胱氨酸基序。这两种LmCSPs主要在化学感觉组织（如触角、上颚须）和表皮中表达。LmCSP3和LmCSP4通过直接将杀虫剂结合在角质层中，从而降低其系统生物利用度，从而有助于溴氰菊酯的耐受性。LmCSP3/?4参与溴氰菊酯耐受性的模型如图6所示。

CRediT作者贡献声明

吴海华：撰写——原始草稿，监督，资源获取，项目管理，方法学，研究，资金获取，数据分析，概念化。徐桥桥：项目管理，研究，数据管理。马玉敏：监督，资金获取，概念化。赵晓明：资源获取。张建珍：撰写——审阅与编辑。张一超：撰写——审阅与编辑，监督，方法学，资金获取。

未引用的参考文献

Ingham等人，2020

利益冲突声明

作者声明他们没有可能影响本文工作的利益冲突或个人关系。

致谢

本工作得到了中国山西省自然科学基金（202503021211065, 20210302123452, 202403021212067）、国家自然科学基金（32402363）和山西“1331项目”的支持。我们感谢Dengbo Li、Chaodi Jing和Xinyao Chen在实验中的协助。