GSTe16在斜纹夜蛾拟除虫菊酯解毒中的双功能机制：代谢清除与抗氧化防御的协同作用

本研究针对斜纹夜蛾（Spodoptera litura）对拟除虫菊酯类杀虫剂的代谢抗性机制，通过多尺度分析揭示了GSTe16的双功能解毒作用。研究人员发现GSTe16通过谷胱甘肽（GSH）直接代谢拟除虫菊酯（β-cypermethrin/λ-cyhalothrin/fenvalerate），同时保留抗氧化活性以中和活性氧（ROS）。CRISPR/Cas9基因编辑和分子对接证实Arg111/Asn122为底物特异性关键位点，为靶向抗性管理提供了新策略。

　　

研究背景与科学问题
在农业害虫防治领域，拟除虫菊酯类杀虫剂因高效低毒特性被广泛使用，但斜纹夜蛾等鳞翅目害虫已进化出复杂的代谢抗性机制。谷胱甘肽S-转移酶（Glutathione S-transferases, GSTs）作为关键的II相解毒酶，既能催化谷胱甘肽（GSH）与异源物质结合，又能通过非催化结合或抗氧化作用参与解毒。然而，GSTs如何协调拟除虫菊酯代谢与氧化应激防御的功能模块化机制尚不明确，这成为抗性治理的重要科学瓶颈。

安徽农业大学的研究团队在《Insect Biochemistry and Molecular Biology》发表的研究中，首次系统阐明了GSTe16在斜纹夜蛾中的双功能解毒机制。该研究通过转录组分析发现β-cypermethrin等拟除虫菊酯特异性诱导GSTe11和GSTe16表达，而GST特异性抑制剂二乙基马来酸酯（diethyl maleate）可显著增强杀虫剂毒性，暗示GST介导的解毒途径关键作用。

关键技术方法
研究采用LC₅₀剂量拟除虫菊酯处理斜纹夜蛾幼虫，测定中肠和脂肪体解毒酶活性；通过RNA干扰（RNAi）和CRISPR/Cas9基因编辑构建GSTe16敲除模型；利用转基因果蝇（Drosophila melanogaster）进行体内功能验证；结合分子对接和定点突变（Arg111/Asn122）分析底物结合特性；体外测定GSH结合活性和ROS清除能力。

主要研究结果

1. 拟除虫菊酯暴露诱导特异性GSTe表达
暴露于β-cypermethrin后，斜纹夜蛾中肠GST活性提升1.8倍，脂肪体提升2.3倍。转录组数据显示GSTe11和GSTe16被选择性诱导，其中GSTe16表达量增加4.7倍，暗示其在该解毒途径中的核心地位。

2. GSTe16缺失显著增加杀虫剂敏感性
RNAi沉默GSTe16使幼虫对λ-cyhalothrin的死亡率提高58%，而CRISPR突变体存活率下降72%。转基因果蝇实验证实，过表达GSTe16可使果蝇对fenvalerate的耐受性提高3.1倍，直接证明其解毒功能跨物种保守性。

3. 双功能机制的结构基础
体外代谢实验显示GSTe16每分钟可催化2.3 nmol GSH与β-cypermethrin结合，同时保持超氧化物歧化酶（SOD）样活性。分子对接发现Arg111通过氢键固定拟除虫菊酯的苯氧基环，Asn122则稳定酯键水解过渡态。值得注意的是，催化突变体（R111A/N122A）完全丧失代谢活性但保留100% ROS清除能力，揭示功能模块化的结构基础。

4. 进化驱动的功能分化
与参与植物次生代谢物（如xanthotoxin）解毒的GSTe家族成员不同，GSTe16的底物结合口袋具有更显著的疏水性（相对亲水性指数-0.37），这与其偏好结合拟除虫菊酯的苯环结构特性相符。系统发育分析表明，GSTe16在鳞翅目昆虫中经历加速进化（dN/dS=1.82），提示人工杀虫剂选择压力驱动其新功能化。

结论与意义
该研究首次揭示GSTe16通过空间解耦机制实现拟除虫菊酯代谢与抗氧化功能的协同：N端结构域进化出特异性拟除虫菊酯结合模块，而保守的C端维持GSH结合和ROS中和能力。这种"一酶双效"机制不仅解释了害虫快速进化抗性的分子基础，更为设计GST抑制剂-杀虫剂联用方案提供了精准靶点（如靶向Arg111的小分子）。研究还提出"双重防御"模型，即GSTs通过代谢清除初级毒素和缓解氧化损伤双重途径增强害虫环境适应性，这对理解昆虫对人工选择压力的进化响应具有普遍意义。