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基本信息
- 項(xiàng)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
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類：
- 生命科學(xué)
- 簡(jiǎn)介：
- 針對(duì)農(nóng)業(yè)害蟲抗藥性日趨嚴(yán)重，但其早期抗性機(jī)理不清楚的問(wèn)題，開展農(nóng)業(yè)重要害蟲斜紋夜蛾對(duì)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(biāo)酶；2、抗性發(fā)展與氧脅迫增加導(dǎo)致的抗性基因表達(dá)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(gè)非昆蟲特有類GST 以抗氧脅迫參與抗性作用。研究結(jié)果對(duì)害蟲防治有著重要理論和應(yīng)用意義。
- 詳細(xì)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(jī)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(dá)量差異，及其突變位點(diǎn)的確定，沒有任何抗性發(fā)展早期低抗性時(shí)期的抗性分子機(jī)理的研究報(bào)道。因而無(wú)法從根本上防止抗藥性的形成。因此本研究以市場(chǎng)使用最多的有機(jī)磷殺蟲劑毒死蜱對(duì)農(nóng)業(yè)重要害蟲斜紋夜蛾進(jìn)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(jī)理提供了研究平臺(tái)；2、發(fā)現(xiàn)斜紋夜蛾對(duì)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(huì)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(jī)制為主，如谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶（GST），而非抗抗性時(shí)的主因靶標(biāo)酶的作用，從而為研究抗性機(jī)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(dá)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(cè)斜紋夜蛾毒死蜱的抗性程度，這對(duì)監(jiān)控抗性的早期形成有著重大的應(yīng)用意義；5、表達(dá)分析表明，SlGSTu1在敏感品種中只在幼蟲期有微量的表達(dá)，說(shuō)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(guò)基因工程技術(shù)，證實(shí)SlGSTU1只有微量降解毒死蜱的酶活性，但卻有較高的過(guò)氧化物酶活性；進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)細(xì)胞脂質(zhì)過(guò)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(shí)抗氧化通路的核蛋白Nrf2表達(dá)上調(diào)，說(shuō)明SlGSTU1主要以其抗氧脅迫參與毒死蜱的抗性作用，其表達(dá)的調(diào)控途徑可能是Nrf2, 這是首個(gè)實(shí)驗(yàn)證實(shí)昆蟲抗藥性發(fā)展早期的分子機(jī)理；7、對(duì)不同抗性機(jī)制的殺蟲劑溴氰菊酯的斜紋夜蛾抗性品系的研究，證實(shí)可誘導(dǎo)細(xì)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(guò)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(duì)多種殺蟲劑抗性形成的新策略提供了新的研究思路。
作品圖片
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 目的：通過(guò)研究農(nóng)業(yè)重要害蟲斜紋夜蛾，對(duì)市場(chǎng)占有率最大之一的毒死蜱的抗性形成早期階段的分子機(jī)理，為發(fā)展預(yù)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(jìn)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(jī)制；（2）鑒定和克隆相關(guān)的抗性基因；（3）抗性基因的表達(dá)分析與功能研究；（4）抗性基因的表達(dá)機(jī)制初步研究；（5）探討不同抗性品種中早期抗性機(jī)理的共性。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 不同高抗藥性昆蟲以不同的抗性基因突變來(lái)增加對(duì)不同殺蟲劑的抗性。這種復(fù)雜性為抗性的防治帶來(lái)困難。本作品發(fā)現(xiàn)的SlGSTu1以其表達(dá)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(jī)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(dá)上調(diào)來(lái)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(jī)理研究發(fā)現(xiàn)，具有較高的先進(jìn)性。對(duì)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(jià)值和現(xiàn)實(shí)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(duì)發(fā)展防止多種昆蟲對(duì)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(dá)與多種抗藥性的發(fā)展正相關(guān)，可用于快速和靈敏檢測(cè)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(duì)毒死蜱和溴氰菊酯的不同抗性和有交互抗性，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有指導(dǎo)意義。
學(xué)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(jī)制仍不清楚。有機(jī)磷毒死蜱是使用最廣的化學(xué)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(jìn)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(biāo)酶乙酰膽堿酶（AChE）不起作用；2.首次發(fā)現(xiàn)了一個(gè)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(dá)，說(shuō)明它不參與體內(nèi)內(nèi)源有毒物的解毒；并證實(shí)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(guò)基因工程技術(shù)，證實(shí)SlGSTU1只有微量降解毒死蜱的酶活性，有較高的過(guò)氧化物酶活性；而抗性品系的氧脅迫標(biāo)志物丙二醛含量隨抗性指數(shù)的增加而增加，說(shuō)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(dá)的因子。研究結(jié)果將為通過(guò)抑制抗性基因表達(dá)，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(jiǎng)情況
- 2011年6月，第十一屆“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽廣東賽區(qū)特等獎(jiǎng)。
鑒定結(jié)果
- 無(wú)
參考文獻(xiàn)
- [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(xué)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(jī)磷類和除蟲菊酯類，它們的抗性分子機(jī)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(xì)胞膜上鈉離子通道的敏感性降低。除了上述第一靶標(biāo)外，這兩大類殺蟲劑的抗性機(jī)理還包括了代謝酶的作用。2007年昆蟲最高級(jí)刊物Annu.Rev.Entomol的應(yīng)邀綜述文章中已詳細(xì)介紹了代謝酶的抗性機(jī)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(dá)，從而促進(jìn)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(duì)不同的殺蟲劑作用，而形成了昆蟲界的抗性的復(fù)雜性，導(dǎo)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(jī)理沒有新的發(fā)展。新的發(fā)現(xiàn)來(lái)自非昆蟲的研究：今年發(fā)表在Science的關(guān)于大西洋小鱈對(duì)多氯聯(lián)苯抗性機(jī)理，是促進(jìn)抗性基因表達(dá)的調(diào)控因子AHR的基因突變導(dǎo)致P450的表達(dá)增加（Wirgin等， 2011）。但是這些都是高選擇壓下的結(jié)果，對(duì)于抗性形成初期的低抗性品系中的抗性分子機(jī)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(duì)幾種殺蟲劑的不同抗性報(bào)道（Pitzer等， 2010），或是測(cè)定代謝解毒酶總酶活性的變化， 如華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)對(duì)甘藍(lán)薄翅螟對(duì)毒死蜱抗性的研究（曾東強(qiáng)等，2008）。 大量的研究證明GST以其解毒酶和過(guò)氧化物酶活性，參與對(duì)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(dá)或酶解毒功能與抗性發(fā)展中的氧脅迫相關(guān)的報(bào)道。氧脅迫通過(guò)Nrf2調(diào)控抗細(xì)胞氧傷害基因如GST的表達(dá),已在哺乳類動(dòng)物得到了大量的證明，包括有機(jī)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(dá)，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(dǎo)致果蠅的死亡率增加（Gerasimos等，2008）。但沒有Nrf2在抗性品種中表達(dá)增加的報(bào)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(jìn)一步研究抗性基因的表達(dá)調(diào)控分子機(jī)理， 建立有效防控害蟲對(duì)農(nóng)業(yè)這幾大類重要?dú)⑾x劑抗性形成的新途徑，具有重大的理論和應(yīng)用意義。
