在亚洲水稻田里，潜伏着一位让农户头疼不已的隐形杀手，即白背飞虱（Sogatella furcifera），一种半翅目飞虱科的迁飞性害虫，不仅像蚊子一样刺吸水稻韧皮部的汁液，让稻株发黄萎蔫，还会传播南方水稻黑条矮缩病毒（SRBSDV），一旦暴发，轻则减产三成，重则颗粒无收。据全国农技中心2026年1月会商预报，2026年全国水稻病虫害呈偏重发生态势，预计发生面积11.5亿亩次；其中稻飞虱总体偏重发生，全国预计发生面积3.0亿亩次，白背飞虱在西南东部和北部川渝交界地区、华南西部偏重发生，南方其他稻区中等发生，全国预计发生面积1.5亿亩次。作为白背飞虱传毒引发的南方水稻黑条矮缩病，2026年总体偏轻发生，全国预计发生面积200万亩，但西南南部、华南、江南等局部田块偏重发生风险高。
长期以来，化学防治是压低白背飞虱种群的最有效手段，但几十年的滥用也让田间种群进化出了惊人的抗性。贵州部分种群对吡蚜酮（Pymetrozine，123312-89-0）的抗性倍数已达10.48~84.65倍，对噻嗪酮（Buprofezin，953030-84-7）更是高达6.36~412.43倍，连有机磷、氨基甲酸酯、拟除虫菊酯等传统药剂也纷纷失效。2016年，杜邦（现科迪华）推出的新型介离子杀虫剂三氟苯嘧啶（Triflumezopyrim，1263133-33-0）给抗性治理带来了曙光。作为国际杀虫剂抗性行动委员会（IRAC）认定的4E类全新作用机制药剂，三氟苯嘧啶同样作用于昆虫烟碱型乙酰胆碱受体（nAChR），但结合位点和新烟碱类药剂完全不同，不存在交叉抗性；更重要的是其对蜜蜂、寄生蜂等非靶标生物几乎无毒，符合绿色防控需求。田间试验显示，三氟苯嘧啶对飞虱的击倒速度快、持效期长，亚致死剂量还会延长飞虱的产卵前期、缩短成虫寿命，从种群水平上压制其繁殖能力。但好景不长，随着三氟苯嘧啶的大面积推广，田间开始出现抗性苗头。此前的研究仅发现三氟苯嘧啶会诱导飞虱体内的羧酸酯酶（CarE）和细胞色素P450酶（P450s）活性上升，但究竟是哪些P450基因参与了代谢解毒？上游又是什么机制调控这些基因的表达？这些问题一直没有得到解答。搞清楚这些机制，才能针对性制定抗性治理策略，避免三氟苯嘧啶重蹈老药剂的覆辙。
材料与方法
四川农业大学的研究团队首先从湖南农业大学引入了在实验室饲养了50代、从未接触过任何药剂的敏感品系（Sus），同时从2015年开始，用三氟苯嘧啶的LC50剂量连续筛选白背飞虱20代，成功构建了抗性倍数达20.9倍的抗性品系（Tri）。为破解抗性机制，团队采用了“转录组+ATAC-seq”的联合分析策略。转录组测序能找出抗性品系中表达量显著上调的基因，而ATAC-seq（染色质可及性测序）是一种检测基因启动子区域“开放程度”的技术，启动子越开放，转录因子越容易结合，基因就越容易表达。两者结合就能找到“表达上调+启动子开放”的候选基因，再进一步筛选上游调控的转录因子。后续团队还通过RNAi（RNA干扰）技术给候选基因“静音”，通过酵母单杂交验证转录因子和基因启动子的结合能力，甚至在大肠杆菌中表达了CYPSF01和NADPH-P450还原酶的重组蛋白，直接验证其对三氟苯嘧啶的代谢能力。
结果
1.P450介导三氟苯嘧啶抗性，CYPSF01是核心基因
转录组分析显示，抗性品系中有985个差异表达基因，其中252个上调，733个下调。在分子功能的富集分析中，仅有一个核受体（USP，Ultraspiracle，超气门蛋白）显著上调，而代谢相关的基因中，多个P450基因的表达量在抗性品系中飙升。为验证P450在抗性中的作用，团队用三种增效剂做了联合毒力试验，分别是脱甲基酶抑制剂（DEM）、磷酸三苯酯（TPP）和PBO（胡椒基丁醚），其中PBO是经典的P450抑制剂，试验结果如下：
表1 | 三氟苯嘧啶单用或与增效剂联用对白背飞虱3龄若虫的毒力
结果显示，PBO对三氟苯嘧啶的增效作用最强。敏感品系中增效比达1.26倍，抗性品系中达1.24倍，说明P450介导的解毒代谢确实是三氟苯嘧啶抗性的核心原因。进一步酶活测定也证实，抗性品系的P450活性比敏感品系高出40%，而加入PBO后抗性品系的P450活性显著下降。
随后团队对12个候选P450基因的表达式量进行了验证，发现CYP4CE3、CYPSF01、CYP417A2和CYP417A2v2在抗性品系中的表达量分别上调了6.81倍、9.14倍、4.95倍和8.56倍。更关键的是，用三氟苯嘧啶处理抗性若虫后，CYPSF01的表达式量最高可上调170.32倍，远超其他P450基因。分子对接试验也显示，CYPSF01和三氟苯嘧啶的结合自由能为-29.2177 kcal/mol，远优于CYP4CE3的59.3616 kcal/mol，说明CYPSF01和三氟苯嘧啶的亲和力更强。
图1 | 敏感和抗性品系解毒代谢相关基因的筛选与功能验证。（a）PBO处理后敏感与抗性品系的P450酶活性；（b）敏感与抗性品系中P450基因的相对表达式量；（c）不同剂量三氟苯嘧啶处理后P450基因的相对表达式量；（d）RNAi后CYPSF01的相对表达式量；（e）RNAi后的P450酶活性变化；（f）dsRNA注射后若虫经三氟苯嘧啶处理的死亡率；（g、h）CYPSF01（g）和CYP4CE3（h）与三氟苯嘧啶的分子对接模型，蓝色箭头指示结合位点。不同小写字母表示处理间差异显著（Student's t检验，P<0.05）。
为直接验证CYPSF01的功能，团队给抗性若虫注射了靶向CYPSF01的dsRNA，48小时后CYPSF01的表达式量下降到对照的11%，P450活性也下降了13.06%。用LC50剂量的三氟苯嘧啶处理后，注射dsCYPSF01的若虫死亡率高达75.33%，显著高于对照和注射dsGFP的对照组，直接证实CYPSF01是介导三氟苯嘧啶抗性的关键基因。
2.ATAC-seq锁定上游调控因子USP
既然CYPSF01是抗性关键，那是什么调控了它的高表达？团队通过ATAC-seq分析了两个品系的染色质开放区域，共鉴定到263个显著差异的开放峰，其中81个上调，182个下调。在对上调峰的转录因子结合基序（motif）富集分析中，唯一显著富集的是MA0534.1，这是USP的经典结合基序，说明USP很可能是CYPSF01的上游调控因子。
进一步联合转录组和ATAC-seq的数据，团队发现CYPSF01的启动子区域在抗性品系中开放程度显著更高，且该区域的富集峰正好包含MA0534.1基序。同时，共表达式分析显示CYPSF01和USP的表达式量呈显著正相关，两者属于同一个表达式簇，暗示二者存在调控关系。
3.USP直接结合CYPSF01启动子，调控其表达
为验证USP的功能，团队给抗性若虫注射了靶向USP的dsRNA。48小时后USP的表达式量下降了88.7%，其下游的CYPSF01和CYP4CE3的表达式量也分别下降了79.44%和73.13%，P450活性略有下降。更关键的是，用LC50剂量的三氟苯嘧啶处理后，注射dsUSP的若虫死亡率达76.67%，显著高于注射dsGFP的48.3%和抗性对照的45.0%，说明沉默USP能显著降低白背飞虱对三氟苯嘧啶的抗性。
图2 | dsUSP干扰后相关基因表达式、P450酶活性及对三氟苯嘧啶敏感性的变化。（a、b）dsUSP干扰后USP（a）和P450基因（b）的相对表达式量变化；（c、d）dsUSP干扰后的P450酶活性变化（c）及对三氟苯嘧啶的敏感性变化（d）；（e）重组载体电泳图：质粒为pHis2-CYPSF01p，经Ndel酶切；（f）CYPSF01启动子与USP的酵母单杂交分析：CSFP-USP为共转染pGADT7-USP和pHis2-CYPSF01p的Y187菌株，CSFP为共转染空载体pGADT7和pHis2-CYPSF01p的对照；（g）pCDF/SNR/CYPSF01原核表达式系统的SDS-PAGE电泳图：红色箭头分别指示SNR和CYPSF01；诱导时间分别为12h和24h；CK为空载体对照；（h）HPLC监测pCDF/SNR/CYPSF01诱导后三氟苯嘧啶的含量变化，红色箭头指示三氟苯嘧啶的保留时间。不同小写字母表示处理间差异显著（Student's t检验，P<0.05或P<0.01）。
酵母单杂交试验直接证实了USP和CYPSF01启动子的结合能力。共转染了pGADT7-USP和pHis2-CYPSF01p的酵母细胞，可以在缺少组氨酸和酪氨酸的培养基上生长，而转染空载体的对照则无法存活，说明USP能直接结合CYPSF01启动子区域的MA0534.1基序，启动CYPSF01的表达式。
最后，团队在大肠杆菌中表达了CYPSF01和NADPH-P450还原酶（SNR）的重组蛋白，诱导后收集菌体与三氟苯嘧啶共孵育，HPLC检测发现三氟苯嘧啶的残留量从0.406μg/mL下降到0.304μg/mL，直接证实重组CYPSF01蛋白确实能代谢降解三氟苯嘧啶。
讨论
本研究首次揭示了白背飞虱对三氟苯嘧啶的抗性调控通路。当飞虱接触到三氟苯嘧啶后，核受体USP的表达式量上调，USP蛋白结合到CYPSF01的启动子区域，让原本闭合的启动子“开放”，启动CYPSF01的转录；大量表达的CYPSF01蛋白与NADPH-P450还原酶协同作用，将三氟苯嘧啶代谢降解，最终导致抗性上升。
这一发现为抗性治理提供了新的靶点，如可以开发针对USP的RNAi制剂，或者筛选能抑制USP和CYPSF01结合的化合物，作为三氟苯嘧啶的专用增效剂；另外，由于USP还调控其他解毒基因和发育相关基因，未来也可以通过监测田间种群USP的表达式量，提前预警抗性风险，调整用药策略。
值得注意的是，本研究构建的抗性品系仅筛选了20代，抗性倍数就达到了20.9倍，说明白背飞虱对三氟苯嘧啶的抗性进化速度很快。这也提醒我们，不能重蹈老药剂的覆辙，在推广三氟苯嘧啶的同时，必须配套轮换用药、限制用药次数、结合天敌保护等综合措施，才能延缓抗性产生，让这款绿色药剂真正服务于水稻安全生产。
结论
本研究成功构建了对三氟苯嘧啶抗性达20.9倍的白背飞虱品系，证实P450活性上升、尤其是CYPSF01的过表达式是抗性的核心原因。机制上，USP通过结合CYPSF01启动子区域的MA0534.1基序，上调CYPSF01的表达式，最终介导三氟苯嘧啶抗性。本研究为白背飞虱的抗性监测和治理提供了新的分子靶点和理论依据。
相关术语：
Triflumezopyrim（三氟苯嘧啶）：杜邦开发的介离子类杀虫剂，IRAC 4E类，作用于烟碱型乙酰胆碱受体，对飞虱高效，对天敌安全。
Sogatella furcifera（白背飞虱）：亚洲稻区主要迁飞性害虫，刺吸水稻汁液并传播南方水稻黑条矮缩病毒。
USP（Ultraspiracle，超气门蛋白）：昆虫核受体家族成员，同源蛋白为哺乳动物的视黄酸X受体（RXR），参与调控解毒基因和发育相关基因的表达式。
CYPSF01：白背飞虱特有的细胞色素P450基因，是本研究发现的关键抗性基因，可代谢降解三氟苯嘧啶。
ATAC-seq（染色质可及性测序）：通过转座酶检测基因组中开放染色质区域的技术，可用于鉴定转录因子结合的启动子区域。
RNAi（RNA干扰）：通过导入双链RNA沉默目标基因表达式的技术，常用于基因功能验证。
PBO（胡椒基丁醚）：经典的细胞色素P450抑制剂，常作为增效剂用于抗性机制研究。
SRBSDV（南方水稻黑条矮缩病毒）：由白背飞虱传播的病毒，可导致水稻矮化、不抽穗，严重时绝收。