《Radiation Physics and Chemistry》：X-ray Dose Optimization for SIT in
Helicoverpa armigera: Phenotypic Screening and Transcriptomic Validation
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甜菜夜蛾辐射不育剂量效应及转录组分析显示，200 Gy为亚不育剂量，显著降低亲代雄虫成活率与繁殖力，并影响子代发育，400 Gy实现完全不育。X射线处理导致雄性成虫寿命缩短（200 Gy下存活10.23天 vs 对照19.43天），繁殖力下降至对照30.3%，转录组分析揭示剂量特异性差异基因（200 Gy 283个，400 Gy 230个）及代谢通路改变。
作者：朱世蛟、孙月、刘冰、卢彦辉
中国科学院植物保护研究所植物病虫害生物学国家重点实验室，北京100193，中国
摘要
Helicoverpa armigera是一种重要的多食性害虫，会造成严重的农作物损失。不育昆虫技术（SIT）是一种有效且环保的害虫种群控制策略。我们评估了蛹期X射线照射（50-400 Gy；五个剂量）对雄性发育和繁殖的剂量依赖性影响，并鉴定出成虫睾丸中对辐射有响应的基因。在我们的研究中，50-400 Gy的照射剂量并未影响亲本雄性的羽化和交配行为，也未影响未受照射雌性在交配后的产卵前期和产卵期。然而，随着剂量的增加，雄性畸形率上升，寿命显著缩短。雌性的繁殖能力和F1代卵的孵化率显著下降，在400 Gy时卵完全不育。亲本受到照射还通过延长发育时间、降低存活率和减少繁殖能力影响了F1代的性能。具体来说，在200 Gy时，F1代雌性和雄性的寿命分别降至10.23天和8.42天，而对照组分别为17.99天和19.43天。此外，雌性的繁殖能力下降至每只雌性产303.95个后代，而对照组为1043.74个。F2代卵的孵化率也随着照射剂量的增加而降低。睾丸转录组分析显示，在200 Gy时有283个差异表达基因（DEGs）（147个上调，136个下调），在400 Gy时有230个差异表达基因（176个上调，54个下调）。富集分析表明，200 Gy主要抑制了与染色体组织和复制相关的基因，而400 Gy主要诱导了解毒代谢和免疫反应途径。因此，我们的研究结果表明200 Gy是一个合适的亚致死剂量，转录组数据为优化H. armigera的SIT提供了候选靶点。
引言
Helicoverpa armigera（夜蛾科：鳞翅目）是全球最具经济重要性的鳞翅目害虫之一（Leite等人，2014年）。其适应性和入侵性与其高遗传多样性和高度多食性有关，使其能够利用广泛的寄主植物（Anderson等人，2018年）。幼虫主要取食作物的可收获部分，如棉铃和玉米穗，每年造成超过50亿美元的农业损失和管理成本（Arnemann等人，2019年）。目前的管理主要依赖于化学杀虫剂和转基因作物。然而，大量使用杀虫剂可能会对环境和人类健康造成风险，并加速杀虫剂抗性的进化；事实上，H. armigera已经对多种杀虫剂类别产生了抗性。此外，田间种群还对转基因作物中表达的Bacillus thuringiensis（Bt）毒素（例如Cry1Ac、Cry2Aa和Cry2Ab毒素）产生了抗性（Riaz等人，2021年；Rich等人，2023年；Singh等人，2021年）。因此，迫切需要环保和可持续的替代方法来长期控制H. armigera。
不育昆虫技术（SIT）是一种生物控制方法，也是区域综合害虫管理（AW-IPM）的重要组成部分（Harris等人，1986年；Klassen，2005a）。该方法包括大规模饲养、应用辐射诱导的不育处理，然后将不育昆虫释放到田间，使其与野生同类交配，从而减少可存活后代的产生（Haff等人，2020年；Zhang等人，2023年）。SIT已在全球应用了70多年，最初用于根除新世界螺旋蝇（Cochliomyia hominivorax），此后被有效用于根除和控制多种具有经济重要性的物种，如Bactrocera cucurbitae、Anopheles albimanus和Cydia pomonella（Dame等人，1981年；Knipling，1979年；Koyama等人，2004年；Proverbs等人，1982年）。尽管SIT历史上被用作根除工具，但现在它被广泛认为是IPM/AW-IPM策略的组成部分（Klassen等人，2005b）。用于不育处理的照射剂量至关重要，因为剂量过低可能无法诱导足够的不育效果，而剂量过高则会损害雄性的品质和交配竞争力（Guerfali等人，2011年；Robinson等人，2002年）。
SIT通常被视为一种“生育控制”形式，因为种群抑制是通过遗传的生殖失败实现的（Ogaugwu，2014年）。辐射可能引起亚致死的分子或生化效应，导致一系列生理变化，而基因和蛋白质表达的辐射响应性变化可能有助于细胞保护或改变辐射敏感性（Suman等人，2015年；Weiss和Landauer，2003年）。例如，热休克蛋白已被提出作为辐射分子诱导剂（Cai等人，2018年）。Chang等人（2015年）发现，蛹期X射线照射改变了Bactrocera dorsalis中多种蛋白质的表达，表明蛹期照射可以在成虫中诱导持久的分子变化，从而影响雄性的表现。由于精子发生需要许多必需基因和蛋白质的协调表达，因此睾丸基因表达的辐射驱动的扰动可能与雄性的生育能力和繁殖能力密切相关（Sun等人，2019年）。因此，阐明辐射如何改变关键的生活史特征和睾丸基因表达对于基于证据的剂量选择至关重要。
Kim等人（2015年）研究了50至500 Gy范围内的X射线照射剂量对H. armigera不同发育阶段的影响，发现照射显著增加了蛹的死亡率和卵的不育率。然而，蛹期X射线照射对亲本雄性品质、后代适应性和睾丸基因表达的剂量依赖性影响尚未得到充分研究。因此，我们在H. armigera的雄性蛹成虫出现前24小时对其进行了五个剂量的X射线照射（0、50、100、200、300和400 Gy），以（1）量化剂量对亲本雄性品质和繁殖的剂量依赖性影响，（2）评估对后代发育和繁殖的跨代影响，以及（3）在亚致死剂量和完全致死剂量（200和400 Gy）下表征睾丸的转录组反应。确定适当的X射线剂量以及与辐射诱导的生殖损伤相关的候选基因和途径为SIT的实施提供了证据基础，并支持未来在H. armigera中的功能基因组研究。
实验昆虫
实验昆虫
实验用的H. armigera种群来自2022年5月在中国新疆省库尔勒市中国科学院库尔勒实验站通过灯光诱捕收集的成虫。成虫被饲养在覆盖有纱布的罐子里用于产卵，并每天提供新鲜的10%蜂蜜溶液作为食物补充。饲养条件为26 ± 1°C、50 ± 5%相对湿度以及16:8的光周期。每天收集纱布上的卵并保存。
X射线辐射对H. armigera亲本代的影响
在50至300 Gy的剂量范围内，成虫的羽化率与对照组没有显著差异，但在400 Gy时，成虫的羽化率下降至58%，显著低于对照组的93%（F5, 18 = 9.424，p < 0.001；图1A）。畸形率以剂量依赖的方式增加（F5, 18=17.815，p < 0.001），在300 Gy以上的照射剂量下畸形率超过50%，而对照组（0 Gy）的畸形率仅为4.7%（图1B）。雄性的寿命逐渐缩短。讨论
鳞翅目昆虫通常比双翅目昆虫具有更强的辐射抵抗力，因此需要极高的辐射剂量（Parker等人，2007年）。然而，如果使用过高的剂量对雄性蛾进行不育处理，辐射可能会对体细胞产生负面影响并降低其交配能力。相反，虽然低剂量的辐射可能导致昆虫生殖细胞中的染色体断裂，但鳞翅目的分散着丝粒允许染色体重新组装。
作者贡献声明
朱世蛟：撰写——原始草稿、研究、正式分析。
卢彦辉：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、项目协调、方法学、资金获取、数据管理、概念构思。
孙月：撰写——原始草稿、研究、正式分析。
刘冰：撰写——审阅与编辑、正式分析
Klassen, 2005b; Ocampo和Leon, 2005; Parker和Mehta, 2007; Proverbs和Newton, 1962.
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
本研究得到了中国农业研究系统（CARS-15-21）的支持。
