白菜官网张文庆教授课题组揭示昆虫抗药性进化导致抗虫作物收益降低的群体遗传机制

        农业害虫是全球粮食生产的重要威胁，当前国内外对害虫的防治大量依赖化学农药。农药滥用一方面对生态环境和人类健康造成威胁，另一方面导致了害虫抗药性的快速进化，据报道目前已有超过600种害虫对至少一种农药产生了抗药性。因此，近年来，抗虫作物品种的培育和推广作为一种环保、经济、可持续的害虫防治措施得到了越来越多的关注。植物的抗虫化感物质与化学合成农药对害虫的作用机制在一定程度上是相似的，因此，不少科学家提出，早期的农药滥用很可能会让已产生抗药性的害虫更易对抗虫作物产生交互抗性，导致今后抗虫作物品种使用的预期收益降低。然而，目前关于害虫抗药性进化的生态后果还缺乏直接的遗传学证据。
 
        白菜官网张文庆教授课题组以水稻及其单食性害虫褐飞虱为研究对象对以上问题开展了研究，首先通过选择性进化实验，证明了褐飞虱抗药性种群能够快速适应抗虫水稻品种IR36。通过基因组重测序和选择性清扫分析，发现褐飞虱在适应抗虫品种IR36过程中，多个抗药性相关基因的位点受到了选择。其中，烟碱乙酰胆碱受体基因nAChR-α-7-like和细胞色素P450基因CYP4C61上的多个等位基因位点与褐飞虱对抗虫品种IR36的致害性表型变化显著相关。基于这两个基因上的等位基因位点，获得了褐飞虱的两种抗性基因型和一种敏感基因型，携带抗性基因型的纯合个体相比敏感基因型的纯合个体具有更强的抗药性和对抗虫水稻的致害性（图1）。

图1. 褐飞虱不同基因型与其抗药性和对抗虫水稻致害性的相关性

        在随后的田间种群调查中，发现这两种抗性基因型早在2009~2010年就已经存在于我国多个省份的田间褐飞虱种群中，且随着农药使用年限的增加，抗性基因型个体在褐飞虱田间种群中所占的比例呈明显上升趋势，这也与近年来褐飞虱田间种群抗药性水平增强的趋势一致（图2）。值得注意的是，田间种群中的抗性基因型个体相比敏感基因型个体，对多种抗虫水稻品种均具有更高的致害力。

图2. 不同基因型个体在褐飞虱田间种群中所占比例的时空分布

        该研究揭示了水稻害虫褐飞虱的抗药性进化导致抗虫水稻收益降低的群体遗传机制，在此基础上，研究组提出“可预测农业”的概念。通过提前了解作物病虫害的群体遗传特征来针对性地选择合适的作物品种进行栽种，或许有助于降低病虫害对作物的影响从而确保作物的最终产量。
        近日，该研究以“Insecticide resistance reduces the profitability of insect-resistant rice cultivars”为题在Journal of Advanced Research杂志上发表，600全讯白菜官方网站为第一署名单位。该工作得到了国家自然科学基金重点项目（31730073）和广东省自然科学基金项目（2017A030310210）的资助。
 
论文链接
https://authors.elsevier.com/sd/article/S2090-1232(23)00202-3