卷心菜白蝴蝶利用两种肠道酶在停用芥子油炸弹方面具有最大的灵活性

耶拿马克斯普朗克化学生态学研究所的研究人员与他们在斯德哥尔摩大学和东京大学的同事一起，在PNAS的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子油炸弹，寄主植物的主要化学防御系统。

卷心菜白蝴蝶似乎能够以各种芥子油苷、卷心菜和相关植物的防御化合物为目标，并通过对其解毒酶的微调使用使它们变得无害。使用基因组编辑技术，研究人员能够证明单个酶的功能并确认它们的有效性。

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

由德国耶拿马克斯普朗克化学生态研究所的YuOkamura和HeikoVogel领导的研究人员现已更详细地研究了卷心菜白蝴蝶对芥子油炸弹的失活，白蝴蝶是卷心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发挥核心作用的毛虫酶，以及编码它们的基因：NSP酶(腈指定蛋白)，它操纵潜在的芥子油炸弹产生无毒的腈而不是有毒的芥子油，以及MA酶(主要过敏原)，据推测它对十字花科植物上的卷心菜粉虱毛虫的生存也很重要。

NSP和MA基因是姊妹基因，每个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。这两种酶仅存在于卷心菜白蝶和寄主植物含有硫代葡萄糖苷的粉蝶科(白蝶)的其他物种中。

“我们想知道这两种酶是否对芥子油苷的解毒和昆虫适应性很重要。毕竟，之前的研究表明，不再以含有芥子油苷的植物为食的相关蝴蝶物种在进化过程中已经失去了这种酶。这表明它显然代价高昂昆虫在没有这些植物防御的情况下维持酶活性。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芥子油苷的组成而不同，”HeikoVogel总结了该研究的最初问题。

测试NSP和MA基因功能的关键是基因组编辑技术CRISPR-Cas9，它使研究人员能够在他们的实验中使用缺乏NSP基因、MA基因或两者的毛虫。因此，这些毛毛虫也缺乏适当的酶来解毒芥子油苷。随后，将含有不同水平硫代葡萄糖苷的植物用于喂养试验，以检查毛毛虫的发育情况。

仅缺乏这两种酶中的一种的毛毛虫仍然能够在具有高浓度防御物质的植物上生存，尽管它们的生长受到限制。然而，两个基因都被敲除的毛毛虫不再能够在它们的天然寄主植物上生长和生存。

第一作者YuOkamura说：“这些结果令人惊讶，因为特别是MA酶在卷心菜白蝴蝶与寄主植物之间相互作用中的作用以前并不清楚。”

因此，对于卷心菜白蝶毛虫来说，NSP和MA这两种酶对于解除寄主植物的芥子油炸弹都很重要。由于NSP和MA对不同硫代葡萄糖苷的解毒能力不同，毛毛虫可以根据宿主植物的硫代葡萄糖苷特征微调NSP和MA基因的激活。

当毛虫缺乏其中一种酶时，它们的生长速度会变慢，但生长受限的程度取决于寄主植物中存在的芥子油苷。“使用一整套检测、调节和解毒机制，白菜白蝴蝶准确地定制了它们如何从宿主植物的光谱中化解不同的芥子油炸弹，显示出对植物芥子油苷特征及其激活的敏感性，”HeikoVogel说。

通过使用基因组编辑技术，该研究表明，NSP和MA都能使卷心菜白蝶毛虫对芥子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。

“我们相信我们的工作强调了在军备竞赛中出现这种基因对于食草昆虫及其宿主植物的化学防御的重要性。昆虫与其宿主植物之间的竞争不仅仅涉及化学防御和解毒机制的存在.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，”YuOkamura总结道。