CYP6B6介导的棉铃虫和烟青虫对辣椒素适应性的分子机制研究

Both Helicoverpa armigera and H. assulta are important agricultural pests. They are also the few insects that can survive on Capsicum fruits. Capsaicin is the principal secondary compound in pepper plants, and can function as one of the defense mechanisms against frugivore animals and fungi. Until now, the molecular mechanism underlying the adaptation to toxic capsaicin by H. armigera and H. assulta remains largely unknown. The objectives of this project are to determine how CYP6B6 metabolizes capsaicin and how capsaicin regulates transcriptional expression of CYP6B6 gene. The gene sequence, expression pattern, metabolic capacity towards capsaicin and transcriptional responses to capsaicin stress of the CYP6B6 orthologues in the two closely related Helicoverpa species with different hostplant breadth will be parallel studied. The anticipated results obtained from this project will not only enhance our understanding on how insects cope with toxic compounds in their diets and the evolutionary fate of cytochrome P450 orthologues in an ecological and evolutionary context, but also promote the development of detoxification-interfering strategies for pepper pest control and the discovery of capsaicin-based pesticides.

棉铃虫和烟青虫是重要的农业害虫，也是少有的几种能取食辣椒果实的昆虫。辣椒素是辣椒属植物中独特的次生物质，在防御食果动物和真菌侵害中发挥着重要作用。棉铃虫和烟青虫通过什么机制来适应毒性辣椒素至今尚不清楚。本项目拟从辣椒素代谢解毒角度，以CYP6B6-辣椒素为研究模型，在CYP6B6对辣椒素代谢活性和辣椒素对CYP6B6的转录表达调控两个相互关联的方面，平行对比分析两亲缘关系很近但寄主范围不同的铃夜蛾属姊妹种害虫对辣椒素适应性的分子机制，探讨细胞色素P450直系同源基因可能存在的功能分化及其表达调控方式的分歧。预期研究结果在理论上将有助于在分子水平上认识昆虫应对有毒化合物胁迫的进化策略、揭示广食性与专食性昆虫P450直系同源基因的进化命运；在实践上，可为通过调控解毒酶系活性、充分利用植物中的抗虫物质防治害虫提供思路，促进辣椒素在害虫防治中的科学应用，指导以辣椒素为先导化合物的新农药创制。

辣椒素和二氢辣椒素是辣椒属植物产生特有的次级代谢产物，两者约占辣椒中总辣椒素类物质的90%左右。已有研究表明辣椒素类物质对一些害虫具有抑制生长和拒食作用。然而，广食性棉铃虫和专食性烟青虫都可以取食辣椒果实，表明它们对辣椒素类物质具有很强的适应性。目前国内外关于辣椒素与昆虫相互作用的研究主要关注的是辣椒素对昆虫的毒性，很少涉及昆虫是如何适应辣椒素的。.本课题从代谢解毒角度比较研究了寄主范围广泛的棉铃虫和茄科植物专食性的烟青虫对辣椒素类物质的适应性与机制。检测了辣椒素类物质对棉铃虫和烟青虫生长发育和全局基因表达（转录组）的影响，比较了两种昆虫的三个解毒组织对辣椒素类物质代谢能力的差异；进而克隆鉴定了烟青虫CYP6B6 (HassCYP6B6)基因、分析了其时空表达谱，构建了烟青虫和棉铃虫CYP6B6与CPR共表达体系；测定了不同剂量的辣椒素类物质对棉铃虫与烟青虫中肠、马氏管和脂肪体组织中CYP6B6基因表达量的影响；采用重组CYP6B6酶系测定了棉铃虫CYP6B6(HarmCYP6B6)和HassCYP6B6对辣椒素和二氢辣椒素的代谢活性并对代谢产物做了鉴定。.研究结果显示烟青虫幼虫具有更强的耐受辣椒素类物质的能力，经口暴露辣椒素类物质后两种昆虫幼虫的转录组响应模式有较大的差异。烟青虫的解毒组织对辣椒素类物质代谢解毒活性总体上高于棉铃虫。棉铃虫和烟青虫CYP6B6氨基酸序列和基因结构高度相似，在棉铃虫和烟青虫的各个发育阶段和所有组织中均有表达。辣椒素类物质可低程度地诱导中肠、马氏管和脂肪体中的CYP6B6基因的表达。HarmCYP6B6和HassCYP6B6对辣椒素和二氢辣椒素均有很高的代谢活性，HassCYP6B6代谢辣椒素的反应速率略强于棉铃虫。HarmCYP6B6和HassCYP6B6对辣椒素和二氢辣椒素存在多样的催化反应机制，两者对辣椒素和二氢辣椒素的代谢产物谱相同。研究表明棉铃虫和烟青虫对辣椒素类物质具有强大的代谢解毒能力，其中CYP6B6对辣椒素类物质的生物转化在棉铃虫和烟青虫抵御辣椒素类物质胁迫中发挥了重要作用。研究结果提示近缘种昆虫P450直系同源基因应对植物有毒次生物质的策略有相似性，在功能上具有保守性。