基于内含子indel标记的PCR与RPA-LFD分子诊断检测方法的开发——用于监测中国斜纹夜蛾种群中的拟除虫菊酯抗性

《Pesticide Biochemistry and Physiology》:Development of PCR and RPA-LFD molecular diagnostic assays for monitoring pyrethroid resistance in Chinese populations of Spodoptera exigua based on an intronic indel marker

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年09月30日 来源:Pesticide Biochemistry and Physiology 4.8

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   摘要斜纹夜蛾Spodoptera exigua中普遍存在的溴氰菊酯抗药性严重限制了化学防治的效力。此处,我们评估了野生种群中与抗性相关的CYP9A9a突变频率。三种突变(V40L、Q160H 和 T208A)在检测的所有六个田间种群中高度流行(携带频率:70.8%–100%)

摘要

斜纹夜蛾Spodoptera exigua中普遍存在的溴氰菊酯抗药性严重限制了化学防治的效力。此处,我们评估了野生种群中与抗性相关的CYP9A9a突变频率。三种突变(V40L、Q160H 和 T208A)在检测的所有六个田间种群中高度流行(携带频率:70.8%–100%),但在敏感型 WH-S 品系中缺失。遗传分析证实,抗性CYP9A9a等位基因中的 55 个碱基对(bp)内含子插入与抗性表型紧密连锁。针对该插入,我们开发了一种 PCR 基因分型检测,与 Sanger 测序相比,在六个田间种群中实现了 90.91%–100% 的灵敏度。此外,我们开发了一种靶向相同 55-bp 插入的快速重组酶聚合酶扩增 - 侧向流试纸(RPA-LFD)检测。在优化条件下(37 °C 15 分钟),RPA-LFD 检测对S. exigua的CYP9A9a抗性等位基因具有高度特异性,与敏感型或空白对照无交叉反应,检测限为 1 pg/μL。总之,这些 PCR 和 RPA-LFD 诊断系统为S. exigua中拟除虫菊酯抗性等位基因的高通量实验室筛选和快速田间监测提供了实用的互补分子工具。

引言

斜纹夜蛾(Spodoptera exigua (Hübner))是一种全球性的破坏性多食性害虫,对包括棉花、番茄、卷心菜和菊花在内的多种重要经济作物造成严重损害(Che et al., 2013; Zuo et al., 2021)。化学防治一直是管理该害虫的主要策略。拟除虫菊酯类杀虫剂以其高效、广谱、对哺乳动物低毒性和环境可生物降解性而闻名,已在农业实践中得到广泛使用(Sparks et al., 2020; Zuo et al., 2022)。拟除虫菊酯干扰昆虫神经膜上的电压门控钠通道(VGSCs)。这种干扰延长了通道的开放时间并损害了神经信号传输,导致死亡(Soderlund and Bloomquist, 1990)。然而,拟除虫菊酯的 intensive 应用对S. exigua产生了强烈的选择压力,加速了抗药性的进化(Tian et al., 2018; Zuo et al., 2022)。根据节肢动物农药抗性数据库(Whalon et al., 2016),截至 2026 年 4 月,S. exigua已对至少四种拟除虫菊酯产生了抗药性,威胁着可持续的害虫控制和粮食安全。田间监测数据显示,中国多个地区的S. exigua种群中存在令人担忧的高抗药性水平(Che et al., 2013; Zuo et al., 2025; Shi et al., 2025)。
拟除虫菊酯抗性主要由两种核心机制介导:靶标位点不敏感和代谢解毒增强(Dong et al., 2014)。对于S. exigua的拟除虫菊酯抗性,靶标位点突变(例如电压门控钠通道中的 L1014F,即 kdr 突变)和代谢抗性(主要由 P450 的过表达或功能突变驱动)已被确定为S. exigua拟除虫菊酯抗性的两个关键机制(Zuo et al., 2022; Shi et al., 2025; Zuo et al., 2025)。在两个关键决定机制中,S. exigua中的 L1014F 突变导致了对拟除虫菊酯 4.23- 至 10.17 倍的抗性(Zuo et al., 2025)。突变(V40L/Q160H/T208A)和CYP9A9a的过表达,协同增强了拟除虫菊酯的代谢效率,是S. exigua拟除虫菊酯抗性的关键决定因素(Zuo et al., 2025; Shi et al., 2025)。此外,代谢抗性(由CYP9A9a介导)和靶标位点抗性(L1014F 突变)之间的协同作用进一步放大了抗性表型,导致抗性水平远超单一机制的累加效果(Zuo et al., 2025)。
及时准确的抗性监测是合理应用杀虫剂、精准害虫管理和有效延缓抗药性进化的前提。高效的抗性监测对于优化害虫管理和延缓抗药性进化至关重要。然而,传统生物测定需要大量样本和较长的周转时间,限制了其在大规模、高频抗性等位基因监测中的适用性(Kim et al., 2021)。靶向遗传标记的分子诊断提供了一种更快、灵敏度更高的互补方法,以支持抗性监测和机制解析(Kim et al., 2021)。特别是,稳定和可遗传的插入缺失(indel)多态性已被成功利用,例如用于检测S. exigua中双酰胺抗性的环介导等温扩增(LAMP)(Kim et al., 2021)。
在本研究中,我们鉴定了拟除虫菊酯抗性S. exigua中CYP9A9a基因第一个内含子内稳定的 55 个碱基对(bp)插入,该插入与CYP9A9a的功能抗性突变及拟除虫菊酯抗性表型紧密遗传连锁。这一内含子 indel 作为遗传稳定的标记,与抗性单倍型上的功能抗性赋予编码突变(V40L/Q160H/T208A)紧密共分离,因此在田间采集的种群中与拟除虫菊酯抗性表型表现出一致的连锁性。值得注意的是,本研究优先选择此 55-bp indel 标记而非 well-documented 的编码区点突变来开发分子检测。由于CYP9A9a及其旁系同源基因之间的序列相似度极高,针对单核苷酸变异(SNV)检测设计的引物和探针极易受到非特异性交叉扩增的影响,导致检测特异性和重复性受损。相比之下,大的 55-bp indel 在抗性和敏感等位基因之间创造了明显且稳定的序列差异,这大大简化了高特异性引物和探针的设计。这种靶向 indel 的策略有效减轻了旁系同源基因的干扰,确保了田间样本的可靠检测性能。通过靶向这一可靠的抗性相关 indel 标记,我们成功开发并优化了常规 PCR 检测以及快速重组酶聚合酶扩增 - 侧向流试纸(RPA-LFD)检测系统。建立的分子检测补充了耗时且劳动密集的传统生物测定,实现了抗性相关基因型的高通量实验室验证和现场快速检测。本研究为拟除虫菊酯抗性的动态监测、合理化学防治以及S. exigua田间种群的可持续管理提供了实用的分子工具和技术支持。

章节片段

昆虫品系

敏感型S. exigua品系 WH-S 最初获得于中国武汉(湖北省),并在实验室中维持了超过 15 年且未接触杀虫剂(Che et al., 2013)。本研究中使用的所有田间抗性种群均采集自典型农田,诊断剂量生物测定证实所有种群均对溴氰菊酯具有抗性。QP19 品系于 2019 年 7 月采集自秦浦区的青葱上(31.62°N,

田间种群中 CYP9A9a 突变的流行情况分析

由于CYP9A9a和CYP9A9b之间序列相似度很高,无法通过测序区分突变纯合子或杂合子。因此,本研究仅统计了携带突变的个体比例。在S. exigua的一个敏感种群(WH-S)和六个田间/抗性种群中筛选了CYP9A9a的三种点突变(V40L、Q160H、T208A)。在 WH-S 中未检测到这些位点的任何突变等位基因。在田间

讨论

目前,农药抗性检测主要依赖传统生物测定,而有效的分子检测方法仍然不足。随着抗性机制研究的不断进步,抗性基因为分子检测技术的开发提供了明确的目标。然而,适用于田间条件的S. exigua拟除虫菊酯抗性快速分子监测技术仍不可用。最近的研究证实

作者贡献

Y. Zuo. 和 Z. Hu 构思和设计研究;Y. Li, S. Wen, Y. Duan 和 X. Han 进行实验;Y. Li 和 S. Wen 分析数据;Y. Li 和 Y. Zuo. 撰写手稿。所有作者阅读并批准了手稿。

CRediT 作者贡献声明

Yuan Li: 写作 – 初稿,调查,数据管理。Shuang Wen: 调查,数据管理。Yixian Duan: 数据管理。Xiaohong Han: 数据管理。Zhaonong Hu: 监督,数据管理。Yayun Zuo: 写作 – 审阅与编辑,写作 – 初稿,监督,获取资金。

伦理声明

本研究符合 ARRIVE(动物研究:体内实验报告)指南。
无需伦理委员会批准。本研究仅使用实验室饲养的农业害虫昆虫作为实验材料,所有实验程序中均未涉及人类受试者、人类生物样本、脊椎动物或受保护的无脊椎动物物种。根据机构伦理审查指南,正式的伦理委员会批准是不

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系,这些利益或关系可能影响到本论文中报告的工作。

致谢

这项工作得到了国家重点研发计划(2022YFD1400901)的支持。
Yuan Li|Shuang Wen|Yixian Duan|Xiaohong Han|Zhaonong Hu|Yayun Zuo
西北农林科技大学 旱区作物逆境生物学国家重点实验室,陕西杨凌 712100,中国

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