化学感应蛋白TcCSP18有助于红粉甲虫（Tribolium castaneum）抵御萜品烯-4-醇的侵害

《Journal of Asia-Pacific Entomology》：The chemosensory protein TcCSP18 contributes to defense against terpinen-4-ol in the red flour beetle, Tribolium castaneum

茶树精油活性成分terpinen-4-ol通过调控赤拟庸蛉TcCSP18基因表达影响其抗药性机制，RNAi干扰验证CSP18对毒害的拮抗作用，AlphaFold预测显示CSP18与terpinen-4-ol存在有效结合。

　　

戴钊|赵世杰|高珊珊|魏冠云

中国南通大学生命科学学院，南通

摘要

长期使用化学药剂导致储粮害虫（如红粉甲虫Tribolium castaneum (Herbst, 1979)）对现有杀虫剂产生了抗性。探索杀虫剂抗性机制对于开发新型、高效且安全的替代品至关重要。化学感应蛋白（CSPs）参与昆虫对杀虫剂的反应，具有成为害虫控制新靶点的潜力。

萜品烯-4-醇是艾草精油中的活性成分之一，也是一种潜在的杀虫剂。本研究通过监测TcCSP18蛋白的表达，探讨了萜品烯-4-醇对T. castaneum的影响及其作用机制。首先，使用qRT-PCR确认了T. castaneum在不同发育阶段和不同组织中的TcCSP18表达情况。TcCSP18在幼虫和成虫的头部及表皮中高度表达，同时也存在于成虫的触角中，这些组织会与外部刺激相互作用。此外，在萜品烯-4-醇的作用下，T. castaneum会显著增强TcCSP18的表达。利用RNAi干扰TcCSP18的表达后，T. castaneum在萜品烯-4-醇作用下的死亡率显著增加，表明TcCSP18在抵御萜品烯-4-醇的毒性方面起着作用。基于AlphaFold 3的预测分析显示TcCSP18能够有效结合萜品烯-4-醇。通过研究T. castaneum的化学感应蛋白如何影响杀虫剂抗性的分子机制，本研究为通过靶向化学感应蛋白来预防和控制储粮害虫提供了理论基础。

引言

红粉甲虫（Tribolium castaneum）以其对储存产品的严重破坏能力而臭名昭著，几乎可以危害所有干植物和动物产品，尤其是谷物和面粉（Chaubey, 2023）。此外，T. castaneum的成虫会分泌一种醌类物质，导致谷物发霉并产生难闻的气味，造成严重的经济损失（Payne, 1925, Villaverde et al., 2007）。因此，控制T. castaneum是粮食储存过程中的重要环节。源自植物精油的绿色杀虫剂具有挥发性、非持久性、可生物降解性且高效（Chaubey, 2023, Khaliq et al., 2020），是许多T. castaneum已产生抗性的杀虫剂类别的潜在替代品，包括有机磷类、甲基氨基甲酸酯类、拟除虫菊酯类和新烟碱类杀虫剂以及几丁质合成抑制剂（R?sner et al., 2020）。许多因素会影响昆虫的抗性，例如杀虫剂的吸收会增加代谢酶的表达，从而中和杀虫剂的效果（Shamjana et al., 2021）。化学感应蛋白（CSPs）在昆虫气味感知中的作用与杀虫剂抗性之间的关系仍有待研究。

CSPs是一类广泛存在于昆虫化学感受器官中的小分子可溶性蛋白质，在昆虫的气味感知中起作用。此外，CSPs还分布在昆虫的各种组织中，不仅具有化学感应的一般功能，还在肢体再生（Nomura et al., 2002）、胚胎发育（Maleszka et al., 2007）甚至生理行为调节（Guo et al., 2011）中发挥重要作用。研究表明，CSPs在杀虫剂抗性中也起着重要作用。这些蛋白质可以通过其疏水腔与各种杀虫剂分子紧密结合，可能参与基于隔离的新抗性机制（Tsouri et al., 2025）。在T. castaneum中，其CSP家族中的TcCSP18基因尤为值得关注。转录组比较分析显示，TcCSP18在经过长时间和短时间假死行为选择的甲虫品系中表达不同，这表明它可能与物种特异性行为适应有关（Uchiyama et al., 2019）。其他昆虫的研究也为CSP18的功能提供了支持证据。例如，在Plutella xylostella中，CSP18在触角和头部（无触角）中高度表达，并对14种植物挥发物表现出强烈的结合亲和力，这些挥发物具有驱避或吸引作用（Qie et al., 2024）。综上所述，T. castaneum中的TcCSP18可能是一个关键的功能基因，它可能与特定的行为适应有关，并具有结合外源活性分子的能力，从而可能介导害虫对环境压力源（如植物源杀虫剂）的适应性反应。

艾草（Artemisia vulgaris L., 1753）含有大量的精油和其他萜类化合物（Wright, 2002）。艾草精油可用于抗菌、驱虫和饲料添加剂等多种用途。气相色谱-质谱分析显示，精油的主要成分是萜类和酮类（Zhang et al., 2024）。萜品烯-4-醇作为艾草精油的主要成分之一（占18.8%），是一种天然单萜类化合物，对大多数昆虫具有驱避和抑制作用。它可以作为绿色杀虫剂，有效抑制储粮害虫的生长，从幼虫到成虫的所有发育阶段都能有效驱赶T. castaneum（Gao et al., 2023c, Liang et al., 2017）。然而，关于萜品烯-4-醇的作用机制及其与T. castaneum的相互作用的研究尚不完善。

基于以上研究，选择艾草精油中的主要活性成分萜品烯-4-醇作为T. castaneum的植物源杀虫剂压力源进行实验。萜品烯-4-醇与T. castaneum的TcCSP18基因的相互作用是本研究的核心内容。本研究旨在探讨萜品烯-4-醇处理是否诱导TcCSP18基因的表达反应，并确定TcCSP18是否参与了T. castaneum对这种天然杀虫剂的生理或行为适应。

实验部分

T. castaneum的繁殖

本研究所有实验均使用了T. castaneum的Georgia-1品系。实验所用昆虫来自南京师范大学，它们在培养箱中饲养，每天光照14小时，湿度40%，温度30℃。饲养方法参照了先前研究中的描述（Zhang et al., 2023）。

从T. castaneum中提取RNA并逆转录为cDNA

收集了T. castaneum的不同发育阶段和组织，涵盖了8个发育阶段：早期卵（1天大）、晚期

在T. castaneum中鉴定TcCSP18并进行CSP18的进化分析

克隆了T. castaneum的TcCSP18基因的cDNA。TcCSP18的编码区长度为375个碱基对，编码129个氨基酸，由两个外显子组成（图1A）。对21种昆虫的CSP蛋白进行了进化分析，包括：Tribolium castaneum的CSP18、CSP20和CSP2；Mythimna loreyi、Spodoptera litura、Apocheima cinerarius、Conogethes pinicolalis、Oedaleus infernalis、Matsumurasca onukii、Dendrolimus punctatus、Oedaleus asiaticus、Spodoptera的CSP18

讨论

研究表明，在T. castaneum中，用杀虫剂敌敌畏和克百威处理后，CSP10基因的表达显著上调（Xiong et al., 2019）。进一步的研究表明，接触杀虫剂也会上调其他昆虫物种中的CSP基因表达（Tsouri et al., 2025）。例如，新烟碱类杀虫剂噻虫嗪增加了Bemisia tabaci中的CSP水平（Liu et al., 2016, Liu et al., 2014）。同样，阿维菌素也增强了CSP的表达

结论

研究结果表明，T. castaneum的TcCSP18基因与其对有效植物源杀虫剂萜品烯-4-醇的抗性有关。本文为植物源驱避剂的开发和利用以及储粮害虫抗性研究提供了新的理论基础和参考，这对粮食储存的可持续发展具有重要意义。

未引用参考文献

Livak and Schmittgen, 2001, Shamjana and Grace, 2021, Tsouri and Douris, 2025.

CRediT作者贡献声明

戴钊：撰写——初稿。赵世杰：可视化、方法论。高珊珊：资源获取、数据管理、概念构思。魏冠云：撰写——审稿与编辑、资金筹集。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号32200676）的支持。