昆虫与寄主植物协同进化过程中形成的化学防御体系为杀虫剂代谢抗性进化提供了“前适应”的遗传基础，然而两者关联的分子机制尚不清楚。南京农业大学植物保护学院吴益东教授团队通过对两种全球性害虫（草地贪夜蛾和甜菜夜蛾）CYP9A亚家族P450基因离体和活体功能的系统解析，揭示了昆虫P450基因介导寄主植物适应性和抗药性进化的内在机制。近日，该研究成果在《美国国家科学院院刊》（PNAS）在线发表。
灰翅夜蛾属昆虫CYP9A亚家族发生了特异性扩增，预示该亚家族在外源化合物的解毒中具有关键作用。CYP9A亚家族在草地贪夜蛾和甜菜夜蛾基因组中分别包含14和11个P450基因，绝大多数基因首尾相连，成簇分布。比较基因组学和系统发育分析表明，两种害虫CYP9A亚家族P450基因发生了剧烈扩张并快速演化（图1）。
图1. 夜蛾科昆虫CYP9A P450亚家族的扩张和演化
为了研究CYP9A基因簇的功能，首先采用正向遗传策略证实了这两种害虫田间种群对顺式氰戊菊酯的抗性与CYP9A基因簇紧密连锁，然后采用基于CRISPR/Cas9基因编辑的反向遗传策略，在两种害虫体内分别敲除约100kb的CYP9A基因簇，发现基因簇敲除品系对两种植物次生性抗虫化合物（花椒毒素和欧前胡素）以及三种不同结构类型杀虫剂（拟除虫菊酯类、阿维菌素类和恶二嗪类杀虫剂）的敏感性显著提高，从而明确了该基因簇P450对这些外源化合物的解毒有重要贡献。
为了鉴定参与解毒代谢的特定P450基因，对25个P450基因分别进行离体表达和体外代谢研究，发现多个直系同源基因在空间表达和催化功能上具有显著差异，并明确了P450和外源化合物之间的对应关系（图2）。该结果不仅表明两种害虫体内CYP9A亚家族P450对不同结构杀虫剂产生交互抗性的潜力，也证实CYP9A亚家族基因扩增为P450的功能创新以及适应性进化提供了丰富的遗传多样性。
图2. CYP9A基因的表达模式和对外源化合物的离体代谢能力
南京农业大学植保学院施雨副教授和博士生刘青青为共同第一作者，吴益东教授为通讯作者。植保学院杨亦桦教授和澳大利亚麦考瑞大学John Oakeshott教授参与了此项研究。该研究得到了国家重点研发计划项目（2022YFD1400901）的资助。