近日，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)吳益東教授團(tuán)隊(duì)在重要國際學(xué)術(shù)期刊PLoS Genetics上發(fā)表題為“Genome mapping coupled with CRISPR gene editing reveals a P450 gene confers avermectin resistance in the beet armyworm”的最新研究成果。該研究構(gòu)建了首個(gè)高質(zhì)量染色體水平的甜菜夜蛾參考基因組，通過基因圖位克隆、基因編輯和體外功能表達(dá)等多種手段揭示了甜菜夜蛾細(xì)胞色素P450氧化酶通過單個(gè)氨基酸突變對(duì)阿維菌素類殺蟲劑產(chǎn)生抗性的新機(jī)制。
害蟲抗藥性是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全球性制約因素之一，快速鑒定抗藥性基因?qū)τ诳剐院οx種群的監(jiān)測(cè)和治理至關(guān)重要。細(xì)胞色素P450是昆蟲體內(nèi)一類重要解毒代謝酶，昆蟲能夠過量表達(dá)一個(gè)或多個(gè)P450解毒酶對(duì)殺蟲劑產(chǎn)生抗性。每種昆蟲具有100個(gè)左右的P450基因，因此P450抗性基因的鑒定和抗藥性機(jī)制解析極具挑戰(zhàn)性。
甜菜夜蛾是一種間歇性暴發(fā)成災(zāi)的全球性害蟲，由于長(zhǎng)期依靠噴灑殺蟲劑進(jìn)行防治，該害蟲已對(duì)包括阿維菌素在內(nèi)的多種殺蟲劑產(chǎn)生了高水平抗藥性。為了破譯甜菜夜蛾對(duì)阿維菌素產(chǎn)生抗性的分子機(jī)制，本研究首先利用Illumina和PacBio測(cè)序技術(shù)獲得了甜菜夜蛾染色體水平基因組，并構(gòu)建遺傳作圖群體將抗性基因定位于在17號(hào)染色體15-16 Mbp區(qū)間、由9個(gè)CYP9A亞家族P450基因首尾相連組成的基因簇（圖1）。
為了確定抗性基因，采用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)對(duì)甜菜夜蛾抗性品系體內(nèi)長(zhǎng)達(dá)130 kb 的CYP9A基因簇進(jìn)行整體敲除和分段敲除，通過反向遺傳證據(jù)鎖定了該基因簇中CYP9A186基因與甜菜夜蛾對(duì)阿維菌素的高水平抗性具有因果關(guān)系（圖2）。
進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，甜菜夜蛾抗性品系CYP9A186在底物識(shí)別區(qū)域SRS1中攜帶F116V突變。通過離體功能表達(dá)研究證實(shí)，CYP9A186野生型不能代謝阿維菌素，而CYP9A186突變型（F116V）獲得了對(duì)阿維菌素的解毒代謝能力，從而使甜菜夜蛾抗性品系對(duì)阿維菌素產(chǎn)生高水平抗性（圖3）。
本研究運(yùn)用基因編輯與遺傳定位相結(jié)合的新策略，快速鑒定了介導(dǎo)殺蟲劑抗性的P450基因，明確P450基因通過功能獲得性突變（gain of function mutation）導(dǎo)致害蟲抗藥性發(fā)生的分子機(jī)制。該研究成果不僅為甜菜夜蛾代謝抗性基因監(jiān)測(cè)預(yù)警、抗性治理策略制定以及新型殺蟲劑研發(fā)提供重要依據(jù)，同時(shí)為昆蟲抗藥性新基因的快速鑒定提供了一套可復(fù)制的解決方案。
南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院吳益東教授、楊亦樺教授為論文共同通訊作者，左亞運(yùn)博士為第一作者，張峰教授、施雨博士、管放博士、張建鵬博士生以及丹麥哥本哈根大學(xué)René Feyereisen教授和美國干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究中心Jeffrey A. Fabrick研究員參與了此項(xiàng)研究。該研究得到了國家自然基金項(xiàng)目（31572030）和國家科技基礎(chǔ)資源調(diào)查計(jì)劃項(xiàng)目（2018FY101103）的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1009680
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