PNAS：两个P450酶基因发生重组导致棉铃虫产生抗药性

        棉铃虫(Helicoverpa armigera)幼虫在全世界是一种危害性极大的昆虫。大约有200种不同的植物物种是这种贪婪性昆虫的潜在食物。这种昆虫攻击非洲、南欧、印度、中亚、新西兰和澳大利亚等地的农作物。几乎30%的在全世界使用的杀虫剂---苏云金杆菌毒蛋白(Bt toxin)和拟除虫菊酯(pyrethroid)---被用来保护棉花和其他农作物免受棉铃虫幼虫的攻击。

　　拟除虫菊酯是一种基于在艾菊(Tanacetum)花中发现的天然除虫菊杀虫剂的人工合成化合物。几十年来，它们被成功地用于水果、蔬菜和农作物种植。自从1983年，在澳大利亚，棉铃虫对一种特别有效的拟除虫菊酯---氰戊菊酯(fenvalerate)---产生抗药性。1998年，David Heckel首次在这种害虫的基因组中确定了一种抗药性基因的位置。这个基因座位后来被发现编码一个细胞色素P450单加氧酶。这些所谓的细胞色素P450酶(CYP)通过氧化毒素或药物而让它们失效。

　　德国马克斯·普朗克化学生态学研究所科学家Nicole Joußen,研究了棉铃虫品种TWB对氰戊菊酯产生的抗药性。她在这种品种鉴定出P450单加氧酶，于是猜测它调节这种害虫对拟除虫菊酯产生的抗药性。在克隆了较大的基因组片段、DNA测序、进行交叉实验和生化分析之后，她吃惊地发现在7种P450酶中，只有一种酶CYP337B3对氰戊菊酯进行羟基化反应而产生4'-羟基氰戊菊酯。这种化学反应让棉花虫对这种杀虫剂产生的抗药性增加了42倍。

　　不平等交换导致基因CYP337B3形成

　　遗传学家发现基因CYP337B3是通过不平等交换(unequal crossing-over)而形成的。如果非常相似的DNA序列，比如转座因子(transposable element)，在细胞核分裂期间相互接触，那么新的基因重组就会发生。因此，一些遗传物质在一条DNA链上丢失，新的遗传物质插入，有时在另一条链上一些遗传物质甚至加倍。这种自然过程对基因家族进化而言非常重要，就如同在基因CYP337B3上观察到的那样。David Heckel说，“我们的研究结果第一次揭示出一种突变调控棉铃虫对一种杀虫剂产生的抗药性，而这种突变是由一种交换事件产生的。”

　　研究人员研究了基因CYP337B3，结果发现这个基因是由两个其他的P450基因---CYP337B1和CYP337B2---各一部分组成的。CYP337B1或CYP337B2单独编码的酶不能让氰戊菊酯丧失毒性。在嵌合的CYP337B3基因中，CYP337B1和CYP337B2各一部分的独特组合让这种P450酶能够结合到这种杀虫剂之上，并让它发生羟基化，从而让它失去毒性。

　　一旦CYP337B3基因产生，喷洒拟除虫菊酯将导致抗药性棉铃虫群体逐渐增加。在澳大利亚，人们可以成功地延缓这种抗药性的产生：每天使用一次拟除虫菊酯，在其他时间使用其他的杀虫剂。但是在其他种植棉花的国家，由于过量使用拟除虫菊酯，情况刚好相反：抗药性快速产生，这样这种杀虫剂不能有效地抵抗棉铃虫。

Resistance of Australian Helicoverpa armigera to fenvalerate is due to the chimeric P450 enzyme CYP337B3

Worldwide, increasing numbers of insects have evolved resistance to a wide range of pesticides, which hampers their control in the field and, therefore, threatens agriculture. Members of the carboxylesterase and cytochrome P450 monooxygenase superfamilies are prominent candidates to confer metabolic resistance to pyrethroid insecticides. Both carboxylesterases and P450 enzymes have been shown to be involved in pyrethroid resistance in Australian Helicoverpa armigera, the noctuid species possessing by far the most reported resistance cases worldwide. However, specific enzymes responsible for pyrethroid resistance in field populations of this species have not yet been identified. Here, we show that the resistance toward fenvalerate in an Australian strain of H. armigera is due to a unique P450 enzyme, CYP337B3, which arose from unequal crossing-over between two parental P450 genes, resulting in a chimeric enzyme. CYP337B3 is capable of metabolizing fenvalerate into 4′-hydroxyfenvalerate, which exhibits no toxic effect on susceptible larvae; enzymes from the parental P450 genes showed no detectable fenvalerate metabolism. Furthermore, a polymorphic H. armigera strain could be bred into a susceptible line possessing the parental genes CYP337B1 and CYP337B2 and a resistant line possessing only CYP337B3. The exclusive presence of CYP337B3 in resistant insects of this strain confers a 42-fold resistance to fenvalerate. Thus, in addition to previously documented genetic mechanisms of resistance, recombination can also generate selectively advantageous variants, such as this chimeric P450 enzyme with an altered substrate specificity leading to a potent resistance mechanism.