近日，基因組所農業(yè)昆蟲基因組學創(chuàng)新團隊在《通訊生物學（Communications Biology）》上發(fā)表題為“Transcriptional regulation and overexpression of GST cluster enhances pesticide resistance in the cotton bollworm, Helicoverpa armigera (Lepidoptera: Noctuidae)”的研究論文。該研究基于棉鈴蟲不同群體對殺蟲劑敏感性存在差異，綜合利用群體基因組學、遺傳學、分子生物學、基因編輯等研究方法，解析了華北地區(qū)棉鈴蟲對菊酯類殺蟲劑產生抗性的分子機制。研究發(fā)現(xiàn)一個GST基因簇在華北群體中受到強烈選擇，后續(xù)功能驗證明確了啟動子變異引起GST基因上調表達進而介導菊酯抗性的產生。

昆蟲在與寄主植物長期協(xié)同進化過程中，形成了一套獨特的解毒代謝系統(tǒng)，能夠轉化、分解對其生長和發(fā)育不利的異源有毒物質。谷胱甘肽S轉移酶（GST）是一種廣泛存在于生物體中的代謝酶。GST在解毒外源化合物中發(fā)揮重要作用，可以促進殺蟲劑發(fā)生還原反應或與還原型谷胱甘肽發(fā)生耦合反應來代謝殺蟲劑，從而產生水溶性代謝物使其排除體外。棉鈴蟲是一種世界范圍內分布的重要鱗翅目害蟲，對我國棉花、玉米及蔬菜等重要經濟作物造成嚴重危害。我國華北地區(qū)作物種植歷史悠久，化學殺蟲劑的不合理使用，導致華北地區(qū)棉鈴蟲對包括菊酯在內的多種農藥產生較高水平的抗性。而我國新疆地區(qū)作物種植相對較晚，化學殺蟲劑的使用歷史較晚、使用量較小，新疆地區(qū)的棉鈴蟲種群對農藥仍較為敏感。

前期研究（Jin et. al. The Innovation, 2023）發(fā)現(xiàn)一個GST基因簇在華北種群中受到強烈選擇，本研究在此基礎之上，對該GST基因簇進行精細分析，發(fā)現(xiàn)其含有6個串聯(lián)的GST基因，變異在華北群體中受到選擇并在種群中快速擴散并固定下來。華北群體和新疆群體呈現(xiàn)明顯的單倍型分布。連鎖不平衡分析顯示華北群體中GST基因簇連鎖更為緊密。該基因簇相比于家蠶呈現(xiàn)基因擴張。構建F2遺傳連鎖品系，結果顯示該GST基因簇與菊酯農藥緊密連鎖。隨后采用基因編輯對該基因敲除，獲得了一個26Kb刪除的純合品系，對純合品系進行生物測定，發(fā)現(xiàn)敲除GST基因簇后，棉鈴蟲對菊酯農藥的敏感性顯著升高。通過與室內敏感品系對比，華北群體敲除GST基因簇后仍存在一定水平的抗性，表明華北棉鈴蟲種群仍存在除GST基因簇以外的抗性機制。

圖| 基因敲除GST基因簇顯著提升幼蟲對菊酯農藥的敏感性

隨后比較了基因簇內6個GST基因在華北群體和新疆群體的表達變化，發(fā)現(xiàn)GST_119和GST_121的表達在華北群體中顯著升高。分別敲低兩個后進行生物測定，結果顯示敲低GST_119后幼蟲對菊酯的敏感性顯著升高。進一步比較了華北群體和新疆群體GST_119基因的啟動子序列，發(fā)現(xiàn)華北群體中含有數(shù)量更多的GATAe結合位點以及含有已報道的具有調控GST基因表達的CnnC/Maf轉錄因子結合位點。分別構建了華北和新疆群體的GST_119啟動子載體，啟動子活性實驗表明轉染含有華北基因型GST_119啟動子的質粒具有更高的轉錄調控活性。綜上，該研究是基于群體基因組學結合功能驗證闡明了害蟲自然種群抗藥性演化機制，為害蟲抗性監(jiān)測提供靶標。

圖| 啟動子變異導致基因簇表達變化從而介導抗性

基因組所副研究員靳明輝，華中農大聯(lián)培博士生彭炎、碩士生彭捷為論文的共同第一作者，基因組所蕭玉濤研究員為論文的通訊作者。華中農業(yè)大學劉凱于教授參與了本研究。該研究得到國家自然科學基金、中國農科院創(chuàng)新工程和深圳市科技創(chuàng)新項目的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s42003-023-05447-0