P450-介导棉蚜对寄主植物次生性物质适应的分子机制及其调控

Herbivorous insects use diverse feeding strategies to obtain nutrients from their host plants at the same time protecting from harmful effects of plant secondary chemicals. This co-evolution is a common phenomenon between plant hosts and insects. Based on the status of both depression for lepidopterous larvae and increasing of insects with sucking mouthpart by trans-Bt-genic cotton extending, the following researches will be performed in this program: 1) Differential expression of cytochrome P450 genes in cotton aphids by induction of plant allelochemicals; 2) Specificity of P450 isoenzyme metabolism against of various plant allelochemicals; 3) Function verification of cytochrome P450 genes with differential expression after induction by RNAi; 4) Function analysis of differential miRNA after induction; 5) The regulation of AhR-ARNT-P450 pathway in cotton aphid responsible for plant allelochemicals and 6) Assay of cotton resistance to aphids expressing the specific miRNA. These researches are of important significance to reveal mechanisms of P450- mediated metabolic adaptations to plant allelochemicals and develop the innovative strategies for cotton aphid control.

植物通过产生次生性物质防御害虫的取食，而害虫会通过各种途径适应寄主植物的防御，这种协同进化是生物界物种间的一种普遍现象。本项目针对我国大面积种植转Bt基因棉控制鳞翅目害虫，刺吸式口器害虫发生的现状，以棉蚜为研究对象，从不同类型植物次生物质诱导棉蚜细胞色素P450基因差异表达、棉蚜P450等位基因对不同类型植物次生性物质代谢的专一性、RNAi验证具有差异表达的P450基因的功能、不同类型的植物次生性物质诱导棉蚜差异miRNA的功能分析、AhR-ARNT-P450途径在棉蚜应对植物次生性物质代谢中的调控作用、表达小RNA转基因棉花对棉蚜的抗性鉴定等方面研究P450-介导棉蚜对寄主植物次生性物质适应的分子机制及其调控。研究结果对于明确棉蚜对植物次生性物质代谢适应的机制、揭示基于植物产生防御物质-害虫代谢适应协同进化的机制以及发展新的棉蚜控制策略具有重要的意义。

棉蚜能危害不同类型的多种农作物，因此棉蚜能进化出更好的解毒机制去应对来自宿主植物种类繁多的次生物质的能力是十分重要的。细胞色素P450单加氧酶可能涉及到昆虫对植物次生物质的解毒代谢途径中。本项目通过围绕研究单宁、棉酚、槲皮素、2-十三烷酮等4种植物次生物质对棉蚜P450的诱导作用、棉蚜P450基因的转录调控及miRNA对棉蚜P450基因的转录后调控机制，明确了棉蚜对这几种植物次生代谢物质反应的分子机制。项目按原定计划开展研究工作，全面完成了项目设定的各项研究内容，实现了预期目标。主要的研究结果包括：（1）单宁、棉酚、槲皮素和2-十三烷酮4种植物次生物质对棉蚜生长发育有不利影响，能够抑制棉蚜种群的增长；（2）通过高通量测序，获得棉蚜的一个转录组数据库和五个数字表达谱数据库，明确了不同植物次生物质处理下，可调控基因的分布情况；（3）明确了植物次生物质能够诱导棉蚜P450基因的差异表达，而P450在棉蚜对植物次生物质代谢过程中起关键作用；（4）明确了棉蚜P450酶基因启动子上有能够调控应答植物次生物质转录活性的DNA顺式作用元件，并且棉蚜体内有专一性转录因子能够与这些元件结合，进而启动P450酶基因的转录，增加酶活性，进而对外源有毒物质进行解毒代谢；（5）发现棉蚜CYP305A1启动子区上有一段与Venom protease基因组序列相互重叠的区域。两个基因在棉蚜基因组中的位置可能相邻，但Venom protease不影响CYP305A1的表达；（6）发现沉默棉蚜Dicer-1、Argonaute-1基因能显著提高棉蚜对棉酚和单宁两种植物次生物质的敏感性，说明miRNA可能在棉蚜对植物次生物质的适应过程中起调控作用；（7）通过Illumina高通量测序从棉蚜中共鉴定出292个miRNA，其中保守miRNA 246个，新miRNA 46个。差异表达分析表明，4种植物次生物质均能诱导棉蚜miRNA的差异表达；（8）棉蚜miRNA对P450的调控作用研究发现，miR-4133-3p通过与CYP4CJ1的3’ UTR靶标位点结合，对CYP4CJ1的表达起转录后调控作用。同样，miR-656a-3p对CYP6J1、miR-1332-3p对CYP3323A1也具有转录后调控作用。研究结果为探索棉蚜适应宿主次生物质起调控作用的功能性基因提供研究基础和可持续参考资料，为揭示棉蚜适应植物次