PNAS：利用基因组编辑技术展示单个酶的功能，并确认有效性

　　一项新研究中报告说，卷心菜白蝴蝶的幼虫使用两种肠道酶来有效地解除芥菜油炸弹，这是宿主植物的主要化学防御系统。卷心菜白蝴蝶似乎能够针对各种硫代葡萄糖苷，白菜和相关植物的防御化合物，并通过精心调整使用解毒酶使它们无害。利用基因组编辑技术，研究人员能够展示单个酶的功能，并确认它们的有效性。

　　

   

   

图片:卷心菜白蝴蝶(Pieris brassicae)的毛虫有两种肠道酶，可以针对和解除十字花科植物的主要防御机制，即芥子气炸弹。根据寄主植物的毒素防御成分，幼虫可以灵活地利用这两种解毒酶。    

资料来源:Yu Okamura

十字花科植物，如卷心菜、油菜籽、辣根或芥末，对食草动物有一种特殊的防御策略，称为“芥末油炸弹”。它们储存硫代葡萄糖苷作为防御物质，当毛毛虫进食时，即当植物组织受损时，硫代葡萄糖苷与黑芥子酶反应。黑芥子酶分解芥子甙，结果产生有毒的芥子油。芥末和辣根的刺鼻味道是芥末油炸弹的结果。

由德国耶拿马克斯·普朗克化学生态研究所的Yu Okamura和Heiko Vogel领导的研究人员现在更详细地研究了白菜白蝴蝶对芥子气炸弹的失效作用，白菜白蝴蝶是白菜植物上的一种重要害虫。早期的工作确定了两种在解毒中起核心作用的毛虫酶，以及编码它们的基因:NSP酶(丁腈指示蛋白)，它操纵潜在的芥末油炸弹产生无毒的丁腈，而不是有毒的芥末油;MA酶(主要过敏原)，它被假设对十字花科植物上的卷心菜白蝇毛虫的生存也很重要。的规划的而且妈基因是姐妹基因，每个基因都是从许多蝴蝶物种中发现的功能未知的肠道蛋白进化而来的。这两种酶都只存在于卷心菜白蝴蝶和其他蝴蝶科(白蝴蝶)家族的物种中，这些物种的寄主植物含有硫代葡萄糖苷。“我们想知道这两种酶是否对硫代葡萄糖苷的解毒和昆虫的适应性都很重要。毕竟，先前的研究表明，不再以含有硫代葡萄糖苷的植物为食的相关蝴蝶物种在进化过程中失去了这种酶。这表明，在没有这些植物防御的情况下，昆虫维持酶活性的成本显然很高。我们还想知道这两种酶的功能是否因不同十字花科植物中硫代葡萄糖苷的组成而不同，”Heiko Vogel总结了这项研究的最初问题。

对测试的功能至关重要的是基因组编辑技术CRISPR-Cas9，这使研究人员能够使用缺乏任何一种基因的毛毛虫。因此，这些毛虫也缺乏解毒硫代葡萄糖苷的适当酶。随后，研究人员使用含有不同水平硫代葡萄糖苷的植物进行饲养试验，以检查毛毛虫是如何发育的。仅缺乏两种酶中的一种的毛毛虫仍然能够在含有高浓度防御物质的植物上生存，即使它们的生长受到限制。然而，这两种基因都被敲除的毛毛虫不再能够在它们的自然寄主植物上生长和存活。第一作者Yu Okamura说:“这些结果令人惊讶，因为在白菜白蝴蝶和寄主植物之间的相互作用中，MA酶的作用尤其不清楚。”

因此，对于卷心菜白蝴蝶毛虫来说，NSP和MA这两种酶对解除寄主植物的芥菜油炸弹很重要。由于NSP和MA对不同硫代葡萄糖苷的解毒能力不同，毛毛虫可以微调激活规划的而且妈取决于寄主植物硫代葡萄糖苷谱的基因。当毛毛虫缺乏其中一种酶时，它们生长得更慢，但生长限制的程度取决于宿主植物中存在的硫代葡萄糖苷。Heiko Vogel说:“利用一整套检测、调节和解毒机制，白菜白蝴蝶根据寄主植物的光谱准确地调整它们如何拆除不同的芥子油炸弹，显示出对植物硫甙谱及其激活的敏感性。”

通过使用基因组编辑技术，该研究表明卷心菜白蝴蝶毛虫对芥菜油炸弹做出高度灵活的反应，这对于使昆虫适应更广泛的十字花科植物至关重要。“我们认为，我们的工作强调了草食性昆虫在与寄主植物的化学防御军备竞赛中出现这种基因的重要性。昆虫和寄主植物之间的竞争不仅仅涉及化学防御和解毒机制。解毒酶的调节和激活也代表了复杂相互作用的关键组成部分，并解释了这些害虫的进化成功，”Yu Okamura总结道。

文章标题

Testing hypotheses of a coevolutionary key innovation reveals a complex suite of traits involved in defusing the mustard oil bomb