长期α-茄碱选择增强草地贪夜蛾（Spodoptera frugiperda）耐受性并驱动多层次生理重塑

《Insects》：Long-Term Selection with α-Solanine Enhances Tolerance and Drives Multilevel Physiological Remodeling in Spodoptera frugiperda (J.E. Smith) (Lepidoptera: Noctuidae)

　　

草地贪夜蛾（Spodoptera frugiperda）（J.E. Smith）（鳞翅目：夜蛾科）为多食性害虫，可接触多种植物防御化合物。研究人员以马铃薯甾体糖生物碱α-茄碱（α-solanine）为对象，检验持续选择是否改变害虫耐受性、生活史表现与生理状态。研究人员用马铃薯芽来源制备物经靶向LC–ESI–MS/MS按α-solanine含量标准化，建立连续12代饲喂含1.0 mg α-solanine g?1饲料的选择品系，并与未选择品系在正常人工饲料、α-solanine饲料和马铃薯叶片三种条件下比较。生物测定、生活史分析、解毒酶（detoxification enzymes） assay、非靶向代谢组学（untargeted metabolomics）与RT-qPCR结果显示：第12代选择品系耐受比达3.52；在α-solanine胁迫下，选择品系幼虫、蛹、成虫及总发育期缩短，化蛹率、羽化率和卵孵化率升高，而蛹质量和产卵量无显著差异；选择品系种群周转更快。羧酸酯酶（CarE）活性在品系间差异明显，细胞色素P450（CYP450）与谷胱甘肽S-转移酶（GST）呈饮食依赖。代谢组学显示选择品系对α-solanine的特征水平响应减弱；RT-qPCR显示解毒与胁迫相关基因存在组成型及饮食依赖变化。结果表明，单一植物防御化合物的长期选择可引发跨越存活、发育、繁殖和生理的协调重塑。

研究背景方面，草地贪夜蛾（Spodoptera frugiperda）为高度多食性与迁飞性害虫，广泛寄主使其面临不同营养环境与植物防御化学物质。寄主适合度由取食接受度、营养成分、物理性状、防御化学和生态互作共同决定，成虫偏好与子代表现常不完全一致。马铃薯（Solanum tuberosum L.）含有α-茄碱（α-solanine）和α-卡茄碱（α-chaconine）等甾体糖生物碱（steroidal glycoalkaloids），可抑制取食并扰动膜相关及生理过程。现有研究多关注单一化学或单一代谢层面对昆虫的影响，尚不清楚多代选择由单一防御化合物是否能在毒性耐受、生活史表现、解毒系统、代谢组和基因表达等多个层次产生协调表型，以及这种适应如何改变其对完整寄主植物的响应。因此，研究人员开展12代α-solanine选择实验，以揭示多食性害虫对植物化学防御的多层次适应机制。该研究发表于《Insects》。

主要关键技术方法方面，研究人员以南京农业大学植物保护学院未选择实验室种群为来源，建立12代α-solanine选择品系，并设置未选择品系与选择品系分别在正常人工饲料、α-solanine饲料、马铃薯叶片下的6组处理。研究采用α-solanine剂量效应生物测定、个体生活史与经典种群生命表分析、中肠解毒酶（CarE、CYP450、GST）活性测定、早期四龄幼虫非靶向代谢组学（UPLC-QTOF MS）、四龄幼虫总RNA提取与RT-qPCR检测解毒及胁迫基因表达。

研究结果方面，3.1 长期α-茄碱选择提高耐受性并改变生活史性状：通过第6代与第12代剂量效应测定及三饮食生活史比较，选择品系LC₅₀由未选择品系0.99 mg g^?1饲料升至3.46 mg g^?1饲料，耐受比3.52；在α-solanine饲料下，选择品系总发育期由约64.13 d缩短至48.35 d，化蛹率与羽化率由43.33%、41.67%升至88.33%，卵孵化率由17.7%升至62.56%，蛹质量和雌虫产卵量无显著差异。3.2 选择品系与未选择品系种群参数差异：基于经典队列生育表，α-solanine饲料下选择品系平均世代时间由52.67 d降至35.88 d，内禀增长率（r_m）由0.1019 d^?1升至0.1484 d^?1，有限增长率（λ）由1.1073升至1.1601，倍增时间由6.86 d缩至4.72 d，种群周转加快。3.3 解毒酶活性随选择史和饮食变化：中肠酶活测定显示CarE具显著品系效应，选择品系在三种饮食下均更高；CYP450和GST受品系、饮食及交互作用影响，仅在α-solanine饲料或马铃薯叶片特定比较中显著差异。3.4 选择品系对α-茄碱的代谢组响应减弱：非靶向代谢组学显示，α-solanine暴露下选择品系阳性离子显著特征数由4180降至858、阴性离子由3453降至1174，绝对log₂效应中位数更小；马铃薯叶片下两品系响应特征数接近。3.5 通路情境在分析线和饮食对比中不同：mummichog通路推断显示，正常饲料与α-solanine饲料下氮与氨基酸代谢得分最高，马铃薯叶片下氧化还原与辅因子代谢最高；α-solanine交互下异源物质代谢最突出，马铃薯叶片交互下卟啉与四吡咯代谢最突出。3.6 选择改变组成型与饮食响应基因表达：RT-qPCR显示SfCYP6B50、SfCYP9A32、SfABCC4、SfUGT40L8在三种匹配饮食中均上调；SfGSTD1在α-solanine饲料下下调、马铃薯叶片下上调；SfCAT在正常饲料上调、α-solanine饲料下调。

讨论部分总结，研究人员指出12代α-solanine选择形成耐受比3.52的协调表型，涵盖发育、种群、酶活、代谢与转录层次；差异在α-solanine饲料最明显，说明单一防御化合物选择可同时改变毒性耐受与种群增长。马铃薯叶片含α-solanine、α-chaconine及其他代谢物，选择品系对完整寄主响应也被重塑。CarE表现为组成型增强，CYP450、GST及UGT、ABC、氧化胁迫基因表现为饮食依赖，反映“组成型容量＋诱导型调控”的解毒架构。代谢组响应减弱表明选择品系对选择化合物生理扰动降低。通路分析进一步证明异源物质代谢、氨基酸与氮代谢、氧化还原、卟啉、碳与可溶性糖代谢等多层重组。

结论部分翻译：12代α-茄碱选择提高了草地贪夜蛾（Spodoptera frugiperda）的耐受性，并在生活史表现、种群增长、解毒生理、代谢和基因表达方面产生协调变化。在α-solanine暴露下，选择品系发育更快，化蛹率和羽化率更高，卵孵化率增加，种群周转加快，且代谢组响应明显减弱。CarE活性呈强品系相关升高，而CYP450、GST及若干解毒与胁迫相关基因保留显著饮食依赖响应。这些变更共同定义了一种多层次适应表型：单一植物防御化合物的长期选择既重塑了α-solanine耐受性，也改变了针对马铃薯叶片的生理响应。