PNAS | 张友军院士团队杨鑫研究员破解害虫“进化权衡”分子密码：泛素化“天平”决定抗性与繁殖的胜负

       自然选择如何驱动生物进化，同时带来“副作用”？这是进化生物学的核心谜题。其中，昆虫化学杀虫剂抗性的鲜活案例：抗性提升与繁殖力下降之间的此消彼长，像一个“进化魔咒”，其关键的分子“开关”究竟藏在何处？

       近日，我所张友军院士团队在国际著名期刊《PNAS》发表论文《Ubiquitination plays a key role in an insecticide resistance fitness cost》。 该研究系统揭示了泛素化修饰介导害虫抗药性进化权衡的精细分子机制，首次将泛素化这一基础细胞过程与昆虫杀虫剂抗性进化及其生殖适合度代价直接关联，找到了拨动这个“天平”的关键角色。研究结果深化了对昆虫泛素化系统的认识及其在适合度过程中的作用，并为可持续害虫防治策略提供了新的见解。

       烟粉虱是被冠以“超级害虫”的世界性农业害虫，也是我国设施蔬菜的主要害虫。连续多年的抗性监测表明田间烟粉虱对其主要防治的新烟碱类杀虫剂产生了高抗性，但其抗性进化几乎总伴随着适合度代价。为探究这一现象背后的机理，深入研究发现E3泛素连接酶TRIM37通过“E1-1→E2-3→TRIM37”泛素化级联通路，调控转录因子CREB的稳定性，进而同时驱动解毒基因CYP6CM1过表达（赋予新烟碱类抗性）和卵子发生关键基因Vasa抑制（导致生殖力下降）。在抗性烟粉虱中，TRIM37表达下调导致分子开关CREB蛋白累积，一个分子事件同时撬动了“生存”与“繁衍”两端，从而介导烟粉虱抗药性及其生殖代价。

       “这是首次证明泛素化这一基础细胞过程，直接介导了昆虫抗性的适合度代价，”该研究回答了一个根本性问题：为什么害虫的抗性进化不是‘免费午餐’——因为泛素化这个‘天平’被拨向了抗性一侧，代价是生殖力的倾斜。”

       PNAS责任编辑，美国科学院Fred Gould院士评价“该研究极具创新性，并显著深化了我们对遗传抗性机制的理解”。该成果是团队解析烟粉虱对新烟碱类杀虫剂抗性机制研究的重要里程碑，团队前期发现我国田间烟粉虱主导抗性机制为细胞色素P450基因过量表达引起的解毒代谢抗性，并探究了关键抗性基因的调控机制，揭开了烟粉虱新烟碱类杀虫剂抗性调控机制研究的序曲（PNAS, 2020），进一步阐明GPCR-MAPK信号路径调控转录因子CREB/CncC磷酸化，分别调控抗性P450基因和3个生殖基因Ex,Va和Bg转录水平的表达（PNAS, 2024）；本研究从泛素化介导的蛋白降解角度揭示了E1-E2-E3泛素化级联调控转录因子CREB蛋白水平稳态，进而调控抗性形成和生殖代价。通过三篇PNAS研究性论文的系列报道，逐步揭开了田间烟粉虱如何形成新烟碱类杀虫剂的高抗性及其为了生存所付出代价的“分子面纱”，为后续的抗性治理和新农药研发指明方向。

       中国农业科学院蔬菜花卉研究所为该论文第一完成单位。本所二年级博士生胡津瑜为该论文第一作者，中国热带农业科学院付步礼副研究员、长江大学苏奇教授、农业农村部食物与营养发展研究所郭心迪博士、湖南省农业科学院张城嘉博士为该论文共同第一作者。中国工程院院士张友军研究员对本研究提供了重要指导。埃克塞特大学Chris Bass教授和我所杨鑫研究员为该论文共同通讯作者。本研究获得了国家自然科学基金创新群体、国际(地区)合作与交流项目、面上项目以及中国农业科学院科技创新工程等项目资助。

原文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2536664123