基本信息
- 項目名稱：
- 谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶SlGSTu1在斜紋夜蛾毒死蜱抗性作用的研究
- 小類：
- 生命科學
- 大類：
- 自然科學類學術(shù)論文
- 簡介：
- 針對農(nóng)業(yè)害蟲抗藥性日趨嚴重，但其早期抗性機理不清楚的問題，開展農(nóng)業(yè)重要害蟲斜紋夜蛾對廣泛使用的殺蟲劑毒死蜱的抗性研究，獲得如下突破：1、谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶（GST）活性增加是昆蟲毒死蜱早期抗性的主因，而非靶標酶；2、抗性發(fā)展與氧脅迫增加導致的抗性基因表達上調(diào)相關(guān)，核蛋白Nrf2可能是該通路調(diào)控因子；3、首次發(fā)現(xiàn)一個非昆蟲特有類GST 以抗氧脅迫參與抗性作用。研究結(jié)果對害蟲防治有著重要理論和應(yīng)用意義。
- 詳細介紹：
- 昆蟲抗藥性是世界范圍內(nèi)害蟲防治上存在的重要難題。目前昆蟲的抗性機理研究多為比較高抗性品種與敏感品種間抗性基因的表達量差異，及其突變位點的確定，沒有任何抗性發(fā)展早期低抗性時期的抗性分子機理的研究報道。因而無法從根本上防止抗藥性的形成。因此本研究以市場使用最多的有機磷殺蟲劑毒死蜱對農(nóng)業(yè)重要害蟲斜紋夜蛾進行抗性品系的汰選，開展研究并獲得下列創(chuàng)新性結(jié)果：1、建立了斜紋夜蛾毒死蜱低抗性品種，為研究其抗性機理提供了研究平臺；2、發(fā)現(xiàn)斜紋夜蛾對毒死蜱的抗性發(fā)展較慢，半致死劑量的毒死蜱連續(xù)使用3代, 抗性不會明顯增加, 這為大田使用提供了理論依據(jù)；3、研究發(fā)現(xiàn)毒死蜱抗性發(fā)展的早期以代謝抗性機制為主，如谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶（GST），而非抗抗性時的主因靶標酶的作用，從而為研究抗性機理, 發(fā)展防治抗性新策略制定了研究方向；4、首次發(fā)現(xiàn)非昆蟲專有類的解毒酶SlGSTu1參與抗性作用，并且它的mRNA表達量與抗性指數(shù)的變化成正相關(guān)，表明可用于快速和靈敏檢測斜紋夜蛾毒死蜱的抗性程度，這對監(jiān)控抗性的早期形成有著重大的應(yīng)用意義；5、表達分析表明，SlGSTu1在敏感品種中只在幼蟲期有微量的表達，說明它不參與體內(nèi)內(nèi)源有毒物質(zhì)的解毒；用半致死劑量毒死蜱喂食敏感和抗性斜紋夜蛾，SlGSTu1并不參與應(yīng)激反應(yīng)；但在在斜紋夜蛾抗性品種的腦部、表皮以及中腸等各組織有不同程度的增加，是專一參與抗性作用的基因；6、通過基因工程技術(shù)，證實SlGSTU1只有微量降解毒死蜱的酶活性，但卻有較高的過氧化物酶活性；進一步發(fā)現(xiàn)細胞脂質(zhì)過氧化終產(chǎn)物丙二醛含量，隨抗性指數(shù)的增加而增加；同時抗氧化通路的核蛋白Nrf2表達上調(diào)，說明SlGSTU1主要以其抗氧脅迫參與毒死蜱的抗性作用，其表達的調(diào)控途徑可能是Nrf2, 這是首個實驗證實昆蟲抗藥性發(fā)展早期的分子機理；7、對不同抗性機制的殺蟲劑溴氰菊酯的斜紋夜蛾抗性品系的研究，證實可誘導細胞急性氧脅迫的殺蟲劑同樣可使其低抗性品種氧脅迫增加，因此毒死蜱和溴氰菊酯具有交互抗性，SlGSTu1以其抗過氧化參與多種殺蟲劑的抗性作用。研究結(jié)果將為發(fā)展防止多種農(nóng)業(yè)害蟲對多種殺蟲劑抗性形成的新策略提供了新的研究思路。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 目的：通過研究農(nóng)業(yè)重要害蟲斜紋夜蛾，對市場占有率最大之一的毒死蜱的抗性形成早期階段的分子機理，為發(fā)展預防害蟲抗性的形成，提高害蟲防治新策略提供理論依據(jù)?；舅悸罚海?）進行斜紋夜蛾毒死蜱低抗性品種的篩選，并確定早期抗性的主要機制；（2）鑒定和克隆相關(guān)的抗性基因；（3）抗性基因的表達分析與功能研究；（4）抗性基因的表達機制初步研究；（5）探討不同抗性品種中早期抗性機理的共性。
科學性、先進性及獨特之處
- 不同高抗藥性昆蟲以不同的抗性基因突變來增加對不同殺蟲劑的抗性。這種復雜性為抗性的防治帶來困難。本作品發(fā)現(xiàn)的SlGSTu1以其表達上調(diào)和抗氧脅迫的功能參與斜紋夜蛾的多種殺蟲劑的抗性；而農(nóng)業(yè)上使用最廣的有機磷和菊酯類殺蟲劑都可增加昆蟲氧脅迫而使核蛋白Nrf2表達上調(diào)來影響抗性的發(fā)展。這是昆蟲早期抗藥性發(fā)展首次分子機理研究發(fā)現(xiàn)，具有較高的先進性。對發(fā)展防控害蟲多種抗藥性的新途徑具有重大的意義。
應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義
- 1、研究發(fā)現(xiàn)的參與抗性作用的調(diào)控因子Nrf2，其功能區(qū)域在昆蟲界具有較高的保守性。它的抑制劑的開發(fā)，將對發(fā)展防止多種昆蟲對多種殺蟲劑抗性的新途徑，提高殺蟲效率，減少環(huán)境污染，具有重大的應(yīng)用意義。2、SlGSTu1基因表達與多種抗藥性的發(fā)展正相關(guān)，可用于快速和靈敏檢測斜紋夜蛾抗性程度，監(jiān)控抗性的早期形成。3、研究發(fā)現(xiàn)的斜紋夜蛾對毒死蜱和溴氰菊酯的不同抗性和有交互抗性，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有指導意義。
學術(shù)論文摘要
- 昆蟲抗藥性是害蟲防治的重要難題。其早期抗性的分子機制仍不清楚。有機磷毒死蜱是使用最廣的化學殺蟲劑之一，已在不同地區(qū)不同昆蟲中產(chǎn)生抗性。本研究以農(nóng)業(yè)重要害蟲斜紋夜蛾進行研究并獲得以下結(jié)果：1.發(fā)現(xiàn)斜紋夜蛾毒死蜱抗性發(fā)展較慢，并且谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶（GST）活性上升，而靶標酶乙酰膽堿酶（AChE）不起作用；2.首次發(fā)現(xiàn)了一個unclassify類的SlGSTu1參與抗性作用，其mRNA水平與抗性指數(shù)正相關(guān)，在斜紋夜蛾腦部、表皮及中腸等組織有不同程度的增加；3.SlGSTu1在敏感品種中只有低量表達，說明它不參與體內(nèi)內(nèi)源有毒物的解毒；并證實SlGSTu1是專一參與抗性作用的基因，不參與應(yīng)激反應(yīng)；4.通過基因工程技術(shù)，證實SlGSTU1只有微量降解毒死蜱的酶活性，有較高的過氧化物酶活性；而抗性品系的氧脅迫標志物丙二醛含量隨抗性指數(shù)的增加而增加，說明SlGSTU1主要以其抗氧脅迫參與抗性作用；5.SlGSTu1以抗氧脅迫參與溴氰菊酯等多種抗藥性；而核蛋白Nrf2可能是調(diào)控SlGSTu1表達的因子。研究結(jié)果將為通過抑制抗性基因表達，阻止多種殺蟲劑抗性的形成，提高害蟲防治效率，有著重大的理論和應(yīng)用意義。
獲獎情況
- 2011年6月，第十一屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術(shù)科技作品競賽廣東賽區(qū)特等獎。
鑒定結(jié)果
- 無
參考文獻
- [1]Xianchun L,Mary A.S,May R.B.Molecular Mechanisms of Metabolie Resistance to Synthetic and Natural Xenobiotics.Annu. Rev. Entomol. 2007.52:231-253. [2]Gerasimos P. Sykiotis and Dirk Bohmann Keap1/Nrf2 signaling regulates oxidative stress tolerance and lifespan in Drosophila Dev Cell. 2008 14(1): 76–85. [3]Pitzer JB, Kaufman PE, Tenbroeck SH Assessing permethrin resistance in the stable fly (Diptera: Muscidae) in Florida by using laboratory selections and field evaluations. J Econ Entomol. 2010. 103(6):2258-63.
同類課題研究水平概述
- 目前，使用化學殺蟲劑仍是農(nóng)業(yè)作物和林業(yè)樹木害蟲防治的主要手段。使用最廣的殺蟲劑主要為有機磷類和除蟲菊酯類，它們的抗性分子機理已清楚，前者主要引起乙酰膽堿酶基因的突變，后者為神經(jīng)細胞膜上鈉離子通道的敏感性降低。除了上述第一靶標外，這兩大類殺蟲劑的抗性機理還包括了代謝酶的作用。2007年昆蟲最高級刊物Annu.Rev.Entomol的應(yīng)邀綜述文章中已詳細介紹了代謝酶的抗性機理（Li等，2007）。代謝酶包括了P450、酯酶和GST，它們或是某氨基酸的突變改變了酶活性，或是調(diào)控子的抑制子突變而增加了抗性基因的表達，從而促進抗性的發(fā)展。 每種代謝酶都包括了幾十種同工酶，不同的昆蟲以不同的同工酶對不同的殺蟲劑作用，而形成了昆蟲界的抗性的復雜性，導致了抗性和害蟲防治的困難。到目前為止，大多的研究仍在發(fā)掘不同昆蟲在不同抗藥性中的某些抗性基因，研究機理沒有新的發(fā)展。新的發(fā)現(xiàn)來自非昆蟲的研究：今年發(fā)表在Science的關(guān)于大西洋小鱈對多氯聯(lián)苯抗性機理，是促進抗性基因表達的調(diào)控因子AHR的基因突變導致P450的表達增加（Wirgin等， 2011）。但是這些都是高選擇壓下的結(jié)果，對于抗性形成初期的低抗性品系中的抗性分子機理不清楚。目前低抗性品種的研究多為抗性變化的研究，如發(fā)表在J Econ Entomol. 的關(guān)于大家蠅對幾種殺蟲劑的不同抗性報道（Pitzer等， 2010），或是測定代謝解毒酶總酶活性的變化， 如華南農(nóng)業(yè)大學研究團隊對甘藍薄翅螟對毒死蜱抗性的研究（曾東強等，2008）。 大量的研究證明GST以其解毒酶和過氧化物酶活性，參與對殺蟲劑的作用。但沒有關(guān)于GST基因在抗性品種中的超表達或酶解毒功能與抗性發(fā)展中的氧脅迫相關(guān)的報道。氧脅迫通過Nrf2調(diào)控抗細胞氧傷害基因如GST的表達,已在哺乳類動物得到了大量的證明，包括有機磷和菊酯類殺蟲劑產(chǎn)生的氧脅迫。但在昆蟲研究很少。在果蠅發(fā)現(xiàn)Nrf2調(diào)控GST的表達，以抗除草劑百草枯產(chǎn)生的氧脅迫，利用RNAi干擾 Nrf2, 百草枯導致果蠅的死亡率增加（Gerasimos等，2008）。但沒有Nrf2在抗性品種中表達增加的報道。因此本研究的研究結(jié)果是這一領(lǐng)域的最新突破，為進一步研究抗性基因的表達調(diào)控分子機理， 建立有效防控害蟲對農(nóng)業(yè)這幾大類重要殺蟲劑抗性形成的新途徑，具有重大的理論和應(yīng)用意義。
