《Current Issues in Molecular Biology》：Basic Research on Whitefly Molecular Biology: A Foundation for Innovative Pest Management Strategies
烟粉虱（Bemisia tabaci; 半翅目（Hemiptera）: 粉虱科（Aleyrodidae）)是一类形态相似但遗传上截然不同的物种复合体，在全球范围内造成巨大的农业损害。研究人员每年因烟粉虱而承受数十亿美元的损失，既包括直接取食造成的危害，也包括其传播多种植物病毒所致的损失。遭受烟粉虱严重危害的重要作物包括番茄、茄子、黄瓜、棉花、瓜类、豆类和木薯。烟粉虱的全球入侵性和持续为害性主要归因于其卓越的生物学特性。深入理解这些特性对于制定有效、长期的害虫管理策略至关重要。本综述详细阐述了烟粉虱的基础生物学研究如何为害虫管理策略的制定提供科学基础。具体而言，研究人员讨论了：(1) 杀虫剂抗性形成机制的研究如何指导抗性管理策略的制定；(2) 天敌生物学知识如何促进生物防治方法的发展；(3) 植物-昆虫互作机制的理解如何揭示创新性害虫管理解决方案的分子靶标。研究人员还探讨了新兴研究趋势，并就持续研究如何推动下一代防控策略（RNA干扰（RNA interference, RNAi）、规律成簇的间隔短回文重复序列—CRISPR相关蛋白9（clustered regularly interspaced short palindromic repeats—CRISPR-associated protein 9, CRISPR-Cas9）以及水平转移基因作为靶标）的开发提出了未来展望。
**1 引言**
节肢动物害虫造成全球农业产量损失达30%–40%。植食性半翅目昆虫，特别是粉虱、蚜虫和粉蚧，是主要的农业威胁，主要归因于其多食性及其传播多种细菌和病毒病害的能力。在161属1556种粉虱中，烟粉虱是全球经济上最重要的害虫之一，通过吸取韧皮部汁液和传播400多种植物病毒（主要为甜菜坏死黄化病毒属（Begomovirus）病毒）危害作物。烟粉虱为小型昆虫，体长约1 mm，单倍体雄性略小于二倍体雌性。其生命周期为21–30天，从卵孵化后经历四个若虫龄期，最后羽化为成虫。每头雌虫终生产卵约200–300粒，这使得烟粉虱种群能够迅速扩大。
烟粉虱于1889年首次在希腊和佛罗里达的烟草植株上发现。20世纪30年代，它因在印度尼西亚和东非传播烟草曲叶病、在西非和苏丹传播棉花曲叶病而恶名昭著。随后，烟粉虱在全球范围内扩散：1929年在印度次大陆（现巴基斯坦）发现，1950年代在伊朗和苏丹出现，1961年到达萨尔瓦多，1962年出现在墨西哥，1975年在土耳其，1976年在以色列，1978年在泰国，1981年在亚利桑那和加利福尼亚发现。在许多情况下，农业 intensification 和不当的害虫管理导致烟粉虱暴发达到流行水平。自1960年代起，烟粉虱相关病毒在热带和亚热带地区的棉花、木薯、大豆和番茄等作物中造成的危害日益严重。过去三十年中，大多数新出现的作物病毒均由烟粉虱传播。
烟粉虱及其相关病毒病害每年在全球范围内造成数十亿美元损失。1991年，印度因豆类作物烟粉虱危害损失3亿美元；1993年美国损失超过50万美元，1994–1998年间棉农花费1.54亿美元防治烟粉虱。1992–1997年，巴基斯坦因棉花曲叶病损失估计达50亿美元。烟粉虱传播的非洲木薯花叶病和木薯褐条病在非洲每年造成超过10亿美元损失。2010–2012年中国因烟粉虱传播的联体病毒估计总损失达15亿美元。
烟粉虱物种复合体包含至少46个隐存种，包括非洲种、撒哈拉以南非洲1–5种、亚洲I种、亚洲I-印度种、亚洲II 1–12种、亚洲III种、亚洲IV种、亚洲V种、澳大利亚种、澳大利亚/印度尼西亚种、中国1–5种、印度洋种、意大利1种、Ru种、中东-亚洲次要I–II种（Middle East Asia Minor, MEAM）、MEAM K种、地中海种（Mediterranean, MED）、新大陆1–2种、日本1–2种和乌干达种等。这些物种形态相似，但具有不同的生物学特性，如寄主植物偏好、病毒传播能力和特异性以及杀虫剂抗性水平。线粒体细胞色素氧化酶1（mitochondrial cytochrome oxidase 1, mtCOI）分子标记已被广泛用于烟粉虱隐存种的分类，以>4%的mtCOI序列遗传分歧阈值可将其划分为生殖隔离的物种。近年来，借助全基因组序列的获得，基因组比较和群体遗传学等综合方法被用于界定烟粉虱物种复合体，同时描述其作为害虫成功的遗传机制。尽管部分物种似乎已生殖隔离，但种间杂交的证据也存在。
烟粉虱的估计基因组大小约为690 Mb（n = 10）。对不同昆虫物种水平转移基因的研究表明，烟粉虱是将细菌、植物和真菌基因整合到其基因组中的典型代表。研究人员在218个昆虫基因组中检测了水平转移基因，发现192个物种存在此类基因，而烟粉虱至少拥有170个水平转移基因，超过该研究中任何其他受试昆虫物种。至少部分水平获得基因促进了烟粉虱作为植物害虫的成功。
**2 通过杀虫剂抗性管理改进烟粉虱防治**
**2.1 杀虫剂抗性机制**
自烟粉虱最初成为农业害虫以来，化学农药被广泛部署用于其防治。然而，烟粉虱具有极强的杀虫剂抗性发展潜力，这是影响部分烟粉虱物种入侵性的最重要因素之一。MED种因异常高的抗性倾向而最具入侵性。在未处理的田间，具有更好生存优势和繁殖力的MEAM1能够竞争取代MED；但在常规杀虫剂处理下，MED往往取代MEAM1，表明杀虫剂抗性对该物种入侵性具有重要贡献。
常用于防治烟粉虱的三类杀虫剂包括：(1)有机磷类和氨基甲酸酯类，(2)拟除虫菊酯类，(3)新烟碱类。有机磷类和氨基甲酸酯类是乙酰胆碱酯酶（acetylcholine esterase, AChE）抑制剂，通过磷酸化或氨基甲酰化活性位点的丝氨酸残基使酶失活，导致神经系统脱敏并最终引起昆虫死亡。MEAM1和MED种群已对大多数有机磷类产生高水平抗性，主要机制为羧酸酯酶（carboxylesterase, COE）介导的代谢抗性和AChE靶标不敏感性。
拟除虫菊酯类在1980年代末逐渐取代有机磷类使用。该类药剂结合并破坏电压门控钠通道功能，导致过度兴奋甚至神经阻滞。烟粉虱钠通道基因中的两个特异性点突变导致对该类药剂的敏感性降低。MEAM1和MED种群均表现出不同程度的拟除虫菊酯抗性。
新烟碱类是最近开发的杀虫剂类别，作用于烟碱型乙酰胆碱受体（nicotinic acetylcholine receptors, nAChRs），引起过度兴奋、嗜睡和麻痹等症状。研究已证明烟粉虱在巴西、中国、哥伦比亚、埃及、德国、希腊、印度、伊朗、以色列、意大利、巴基斯坦、西班牙、苏丹、土耳其和美国等多个国家对这一新类药剂产生了抗性。MED种群对新烟碱类（如啶虫脒、吡虫啉和噻虫嗪）的抗性水平高于MEAM1种群。然而，杀虫剂抗性存在适合度代价，携带抗性基因的烟粉虱在无药剂选择压力下表现较差。
某些内源性烟粉虱基因在介导新烟碱类抗性中起关键作用。例如，CYP6CM1和P-糖基转移酶UGT352A3的表达与中国不同烟粉虱种群的吡虫啉、噻虫嗪和啶虫脒抗性相关。然而，在吡虫啉抗性株与敏感株的CYP6CM1启动子区域并未观察到一致的序列多态性，表明CYP6CM1表达水平受反式元件调控。碱性亮氨酸拉链转录因子CREB通过结合启动子区域的cAMP反应元件样位点直接调控CYP6CM1表达。CREB在吡虫啉抗性株中过表达，其表达受细胞外信号相关激酶（extracellular signal-related kinase, ERK）和p38丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase, MAPK）信号通路调控。因此，CYP6CM1调控通路提供了烟粉虱防治的潜在靶标基因。通过RNA干扰（RNA interference, RNAi）降低CYP6CM1或其他抗性相关基因的mRNA水平也是控制吡虫啉抗性的策略。
**2.2 抗性管理**
已提出并实施了多种烟粉虱杀虫剂抗性管理策略。杀虫剂轮换：当害虫连续世代暴露于相同作用方式的杀虫剂时，抗性风险增加。轮换使用不同作用方式的杀虫剂已被证明能有效延缓烟粉虱抗性发展。为获得更成功的害虫防治，应在约一个烟粉虱世代（24–30天）后轮换不同作用方式的杀虫剂，同时需考虑危害水平、其他害虫共存情况及农药抗性历史等参数。
避免交叉抗性：杀虫剂抗性主要通过增强解毒过程和靶标点突变两大机制产生。具有相似结合靶标位点或相似解毒机制的杀虫剂易产生交叉抗性。新烟碱类之间的交叉抗性较为常见。噻虫嗪和吡虫啉抗性株往往对其他新烟碱类表现交叉抗性，但对阿维菌素和拟除虫菊酯无交叉抗性。然而，部分新烟碱类抗性株对其他类药剂（如阿维菌素和丁硫克百威）也存在交叉抗性。这表明无论杀虫剂的类别和作用方式如何，烟粉虱都可能产生交叉抗性。了解种群中的抗性水平及其机制对于避免交叉抗性的产生至关重要。
阻断抗性通路：阻断和/或敲降抗性基因是使烟粉虱对杀虫剂更敏感的重要策略。RNAi介导的CYP6CM1基因表达沉默能充分提高抗性株对吡虫啉的敏感性。类似地，TRPV基因的RNAi降低了烟粉虱对afidopyropen的抗性，内表皮结构糖蛋白的RNAi增加了对苦参碱的敏感性。除RNAi技术外，酶抑制剂也与杀虫剂联用以增强敏感性。胡椒基丁醚、马来酸二乙酯和磷酸三苯酯三种抑制剂对某些杀虫剂具有协同增效作用。胡椒基丁醚与多种杀虫剂（包括啶虫脒、afidopyropen、氯虫苯甲酰胺、氟吡呋喃酮、吡虫啉和噻虫嗪）具有协同增效作用；磷酸三苯酯对毒死蜱和噻虫嗪也显示协同效应。
调控抗性相关共生菌：烟粉虱体内含有与其协同进化数百万年的内共生细菌，包括初级内共生菌Candidatus Portiera aleyrodidarum和多个属的次级内共生菌。内共生菌的存在与部分烟粉虱种群的杀虫剂抗性相关。深入研究烟粉虱与其内共生菌的互作机制，可能为通过调控内共生菌功能来降低杀虫剂抗性提供潜在策略。
增强杀虫剂效率：大多数农药以乳油或可湿性粉剂形式喷洒，吸收能力和稳定性有限。纳米技术的整合提供了改进的农药施用方法。负载农药的纳米结构已用于防治多种害虫，这些制剂具有更好的稳定性和智能释放能力、改善的吸收能力以及对昆虫的防治效果，且不利影响有限。纳米生物农药如香叶醇包封纳米颗粒对烟粉虱也有防治效果；壳聚糖包封香叶醇还对烟粉虱具有引诱作用，表明其在诱捕装置中的潜在应用。
新技术整合以及杀虫剂与其他防治方法的结合，为提高现有杀虫剂药效和合理设计新杀虫剂提供了途径。例如，了解与杀虫剂互作的蛋白质的化学和功能特性，可通过设计同源模型为化学文库的虚拟筛选提供基础。MEAM1种的基因组草图揭示了一些遗传新颖性，包括与杀虫剂抗性和解毒相关基因家族的扩张，这可能为管理烟粉虱杀虫剂抗性提供新途径。
**3 利用天敌的生物防治策略**
利用寄生蜂和捕食性天敌等自然天敌作为生物防治剂是环境友好的害虫防治策略。生物防治方法解决了过量使用杀虫剂对环境的危害问题，也是在种植者和/或消费者偏好有机食品的地区的有吸引力的方法。
已鉴定115种烟粉虱寄生蜂，其中仅少数用于农业害虫防治。这些寄生蜂具有不同的寄生机制：部分Eretmocerus属物种在烟粉虱若虫下方产卵，孵化后穿透若虫；另一些则直接在若虫体内（通常为3龄）产卵。Eretmocerus mundus和Encarsia pergandiella能通过感知烟粉虱侵害植株和蜜露释放的挥发性信息化合物（ kairomones ）定位寄主。产卵后，E. mundus用信息素标记寄主若虫，使其他雌蜂回避这些标记寄主，这种产卵策略提高了寄生蜂控制害虫种群的效率。
用于生物防治的寄生蜂通过在带有烟粉虱或其他寄主昆虫的植物上饲养，大量繁殖后释放到大田和温室中。使用寄生蜂作为生物防治方法需考虑多种因素：选择对应特定烟粉虱物种的寄生蜂对建立有效防治至关重要，例如E. formosa在MEAM1上表现优于MED种；繁殖寄生蜂所用寄主物种影响后续寄生效果，若先前在同一寄主物种上繁殖，E. formosa能更好地寄生MEAM1烟粉虱。植物种类和植物病毒感染也影响寄生作用，不同植物种类以及病毒侵染与健康植株之间挥发性化合物的定量差异可解释这种寄生行为。
至少150种节肢动物被鉴定为烟粉虱捕食者，其中部分具有双重角色（既是植食性害虫也取食粉虱）。然而，目前仅少数捕食性昆虫被商业用于大田和温室防治烟粉虱。捕食螨Amblysieus swirskii在温室和大田甜椒上防治烟粉虱方面取得成功。寄生蜂与捕食者的联合使用比单一天敌具有更好的烟粉虱防治效果，但合适的天敌组合选择取决于它们之间的相互作用及其在环境中的适合度。尽管自然天敌作为烟粉虱生物防治剂可取得满意效果，但对于高密度侵害和不适宜环境仍显不足。然而，生物防治可显著贡献于综合害虫管理实践。
**4 基于植物-昆虫互作的害虫管理方法**
**4.1 烟粉虱-植物互作**
植物对韧皮部取食昆虫的免疫反应可用"之"字形模型解释。作为第一道防线，植物通过细胞表面受体（如类受体蛋白，Receptor-like proteins, RLPs）检测 Herbivore-associated molecular patterns（HAMPs），将信号转导下游激活HAMP触发免疫。害虫通过效应子触发敏感性（Effector-triggered susceptibility）抑制这种免疫，即害虫效应子分子与植物感病基因（S基因）互作改变细胞结构和功能。植物抗病基因（R基因）识别效应子后引发超敏反应，即效应子触发免疫（Effector-triggered immunity）。这些之字形过程并非分离而是机制上相互关联，特定效应子的影响取决于宿主植物R和S基因的存在与否。
烟粉虱通过调控寄主植物防御、增加其敏感性来提高自身表现，而植物则通过诱导多种植物激素介导的防御途径响应烟粉虱取食。MEAM1和MED在拟南芥（Arabidopsis thaliana）和番茄中均抑制茉莉酸（Jasmonic acid, JA）信号通路并激活水杨酸（Salicylic acid, SA）信号通路基因。烟粉虱效应子（进化来抑制寄主植物抗性的蛋白）贡献于JA和SA应答的调控改变。
**4.1.1 烟粉虱唾液效应子调控植物防御**
不同生物信息学数据挖掘技术已被用于鉴定烟粉虱唾液效应子。大多数效应子基于转录组数据分析鉴定，即挖掘编码信号肽且无跨膜结构域的转录本作为推定效应子。该方法简便但检测大量推定基因，其中许多并非真正效应子。两种蛋白质分析方法也被用于鉴定：(1)在人工饲料中测定酶活性，(2)对烟粉虱取食后的韧皮部渗出液和植物组织进行蛋白质组学分析。后者是更好的方法，但存在局限性：效应子蛋白分散在寄主植物组织中，韧皮部和植物组织中烟粉虱唾液蛋白含量可能很低，且该方法依赖于烟粉虱和寄主植物的良好注释基因组。
迄今已鉴定多个烟粉虱效应子。MED转录组研究中预测295个基因编码潜在作为效应子的分泌蛋白。Laccase 1（Lac1）是首个分析作用模式的烟粉虱效应子，含三个Cu-氧化酶结构域，参与金属离子代谢、植物代谢物解毒和木质纤维素消化。Lac1在唾液腺和中肠表达，烟粉虱取食番茄植株及JA处理植株时表达增加，提示其作为效应子调控植物防御反应的作用。该蛋白与其他韧皮部取食昆虫的Lac1密切相关，可视为"核心效应子"。
研究人员报道了97种与22种其他昆虫物种具有推定直系同源关系的烟粉虱唾液蛋白。烟粉虱铁蛋白（BtFer1）在MED中鉴定，与豌豆蚜、桃蚜等物种的铁蛋白有56%–58%相似性。BtFer1抑制H
2O
2介导的氧化信号、纤维素沉积、蛋白酶抑制剂激活和JA介导的信号通路。
Bsp9和Bt56是两个在MEAM1和MED中高度保守的直系同源效应子，仅一个氨基酸差异。Bsp9与WRKY33转录因子互作，阻止WRKY33定位于细胞核，从而抑制MPK3和MPK6的激活；Bt56则与烟草中的KNOTTED 1-like homeobox（KNOX）转录因子NTH202互作，同样阻止其核转移。Bt56的in planta表达增加SA产生但不影响JA水平，从而提高烟粉虱表现。
部分烟粉虱唾液效应子基因已成为RNAi的靶标。效应子基因因其在烟粉虱与寄主植物互作中的重要功能而成为有吸引力的靶标。近缘烟粉虱物种的基因组尺度分析表明，唾液效应子进化相对缓慢，这种序列多样性缺乏指示其必需功能，使唾液效应子基因成为理想的RNAi靶标。
**4.1.2 植物对烟粉虱的防御反应**
**(1) 次生代谢物和挥发性有机化合物**
植物发展了多种防御烟粉虱攻击的机制。物理上，叶片绒毛密度、颜色、黏稠度和质地影响对烟粉虱攻击的敏感性。种内自然变异可提供烟粉虱抗性是潜在的植物育种靶标。化学上，植物产生次生代谢物（如萜类、酰基糖、硫代葡萄糖苷和酚类化合物）并释放挥发性有机化合物（Volatile organic compounds, VOC），如月桂烯和β-月桂烯。
烟粉虱侵害增加烟草中多种萜类含量，表明其参与植物防御反应。其中杜松烯对烟粉虱抗性的正向作用通过基因沉默和过表达实验得到证实。番茄中较高的叶片表面酰基糖含量与较低的烟粉虱侵害相关。本氏烟草（Nicotiana benthamiana）的酰基糖通过ASAT2（Acylsugar Acyltransferase 2）基因编码产物介导烟粉虱黏附，该基因敲除降低了烟粉虱黏附并使植株更适合烟粉虱取食。
高含量脂肪族硫代葡萄糖苷降低MEAM1和MED种群的平均产卵率并降低MED种群的存活率。然而，也有报道指出在芸薹属植物自然硫代葡萄糖苷水平下，MEAM1和亚洲II 3种群的繁殖力不受影响。许多其他植物次生代谢物如儿茶素、咖啡酸、绿原酸、阿魏酸、对香豆酸、芦丁和其他酚类化合物也参与赋予烟粉虱抗性。番茄中的黄酮类通过干扰唾液效应子功能以及增强活性氧和胼胝质沉积促进烟粉虱抗性。
烟粉虱取食时植物释放的挥发性有机化合物可吸引天敌。例如，番茄植株受烟粉虱侵害吸引捕食者Macrolophus basicornis。SA诱导的挥发性化合物β-月桂烯吸引烟粉虱寄生蜂E. formosa到寄主植物。遗传工程改造番茄萜烯合成酶成功产生了对寄生蜂Eretmocerus corni更具吸引力的植株。
**(2) 植物防御蛋白**
作为效应子触发免疫的一部分，植物在烟粉虱取食时产生防御蛋白。蛋白酶抑制剂抑制昆虫肠道中必需的蛋白酶，广泛存在于多种植物中。研究表明烟草半胱氨酸蛋白酶抑制剂类似蛋白NtCYS6减少烟粉虱在烟草上的繁殖力，并证实其定位于烟粉虱肠道。其他研究报道烟粉虱侵害增加南瓜中β-葡萄糖苷酶、木薯中β-1,3-葡聚糖酶、几丁质酶和过氧化物酶的表达。番茄和大豆受烟粉虱侵害后也显示多酚氧化酶和过氧化物酶活性升高。
**4.2 基于烟粉虱-植物互作知识的控制策略**
利用当前关于烟粉虱诱导植物变化及植物响应烟粉虱侵害的知识，可实施多种强化植物内源防御系统的烟粉虱管理策略，包括：(1) 信息化合物为基础的方法，(2) 自然寄主植物抗性，(3) 外源基因表达。
**4.2.1 信息化合物为基础的方法**
信息化合物是生物体释放以在同种（如信息素）??不同种（如异种化学信息物质）另一生物体中引发反应的信号。烟粉虱通过其气味结合蛋白和化学感觉蛋白感知寄主植物的挥发性化合物，使其能够区分寄主植物，甚至区分病毒侵染与非侵染寄主植物。
信息化合物管理策略利用自然挥发性信号过程操纵昆虫行为。例如，可通过遗传工程操纵植物挥发性谱驱避烟粉虱。7-表姜烯是某些番茄种产生的倍半萜，储存在腺毛中具有驱避草食动物的作用。研究人员将该生物合成途径从野生番茄引入栽培番茄，增强了对烟粉虱和其他几种草食动物的抗性。类似地，增强挥发性单萜?品油烯的产生驱避了烟粉虱成虫。
合成挥发性化学物质也可作为喷雾或缓释剂外源施用于植物。研究人员建议利用SA介导的植物挥发性物质影响植物-烟粉虱互作，并鼓励研究带毒烟粉虱为何比非带毒烟粉虱对驱避性植物挥发物敏感性低。
作为另一种防治方法，吸引烟粉虱的信息化合物可用于田间部署诱捕器。部分吸引力强的化学物合成昂贵且田间化学性质不稳定。通过化学酶法合成设计稳定性更好的信息类似物可克服此局限。进一步成功需要扩展对烟粉虱嗅觉系统和作物植物挥发性谱的研究，以成功设计和实施田间信息化合物方法。
**4.2.2 自然寄主植物抗性**
作物植物在驯化过程中常假设丢失了防御基因，使其比野生祖先对害虫的抗性更低。野生植物中的自然抗性（包括单个基因和数量性状位点（Quantitative trait loci, QTL））可用于育种计划以恢复栽培作物的抗虫性。棉花、豆科、秋葵和番茄等多种作物的种质资源已被筛选以鉴定可作为烟粉虱抗性供体的基因型。其中，番茄是研究QTL和特定抗烟粉虱基因最广泛的作物。
两个抗烟粉虱QTL（Wf-1和Wf-2）已在番茄野生种Solanum pennellii、Solanum galapagense和Solanum habrochaites中鉴定。研究人员还鉴定了与IV型表皮毛密度相关的 major QTL，该性状赋予对烟粉虱的抗性。Mi-1基因最初被发现赋予对根结线虫的抗性，后来也被报道对包括烟粉虱在内的韧皮部取食昆虫具有抗性。研究人员对棉花栽培种中的Mi-1.2-like直系同源基因进行了功能表征，描述了其潜在参与烟粉虱抗性的情况。
**4.2.3 外源基因表达**
遗传工程已成功用于在植物中表达外源基因以控制昆虫害虫，包括苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis, Bt）内毒素（Cry蛋白）、几丁质酶、生物素结合蛋白、α-淀粉酶抑制剂和蛋白酶抑制剂等。表达Cry蛋白的转基因作物已成功控制咀嚼式昆虫，大规模 adopt 减少了化学农药使用。然而，表达Cry蛋白的转基因作物通常对刺吸式害虫无效。尽管如此，改良版Cry蛋白已对蚜虫、Lygus spp.以及最近对烟粉虱有效。
研究人员从不同来源鉴定了若干赋予烟粉虱抗性的杀虫蛋白。真菌β-葡萄糖苷酶基因在烟草中的表达增强了对烟粉虱的抗性；通过叶绿体转化在烟草中表达该基因也增强了烟粉虱和蚜虫抗性。 Pinellia ternata agglutinin在烟草和棉花中的转基因表达提供了对烟粉虱、蚜虫和鳞翅目害虫的广谱抗性。蕨类植物来源的TMA12蛋白在棉花中表达产生了有前景的结果。韧皮部特异性表达两种杀虫蛋白（洋葱叶凝集素和Hadronyche versusta神经毒素Hvt）导致高烟粉虱死亡率。基于这些结果，开发赋予蛋白介导抗虫性的转基因植物可能是一次性的可持续投资，但在商业种植前需解决生物安全问题。
**5 烟粉虱研究和害虫防治的新生物技术干预**
**5.1 RNA干扰**
过去二十年间，RNA干扰（RNA interference, RNAi）已成为阐明基因功能、控制害虫和阻止植物病毒传播的高度靶向高效工具。RNAi是真核生物中的转录后基因沉默过程，涉及三个主要步骤：(1) 与靶标基因对应的双链RNA（double stranded RNA, dsRNA）被引入宿主细胞，Dicer酶将其消化为21–25 nt的小干扰RNA（small interfering RNA, siRNA）；(2) RNA诱导沉默复合体（RNA-induced silencing complex, RISC）摄取siRNA双链并降解过客链；(3) 由引导RNA导向的RISC定位与引导链互补的mRNA片段以降解靶标mRNA。烟粉虱的RNAi机制与蚜虫相似，包括解旋酶、PAZ结构域蛋白、RNaseIIIa、RNaseIIIb、双链RNA结合折叠结构域（double-stranded RNA-binding fold, DSRBF）和Sid1等组分已被鉴定。MED种的基因组分析鉴定了33个可能参与烟粉虱RNAi通路的预测基因。阐明这些基因的功能将更好理解烟粉虱中的RNAi机制并提高其在烟粉虱管理中的效率。
大体上，两种递送方法被用于向昆虫害虫递送RNAi构建体。对于宿主介导的RNAi，取食靶标昆虫的寄主植物被用于瞬时或稳定表达构建体。作为替代方法，可通过直接向寄主植物施用RNAi构建体来消除遗传工程的需求。
**5.1.1 瞬时表达介导的宿主RNAi**
dsRNA可通过农杆菌浸润或病毒感染在植物中瞬时表达。这些技术简便快速，适用于候选基因功能分析或其作为害虫控制靶基因效果的快速筛选。例如，乙酰胆碱酯酶和蜕皮激素受体基因通过烟草脆裂病毒载体介导的病毒诱导基因沉默（TRV-VIGS）被靶向，取食RNAi表达寄主植物的烟粉虱死亡率高。然而，尽管这些方法适用于基因快速功能分析，但不适用于田间应用。
**5.1.2 利用稳定转基因植物的RNAi**
作为瞬时表达的替代，可生产持续表达dsRNA的转基因植物。该技术有效且适用于田间害虫防治。多种烟粉虱基因通过植物介导RNAi在转基因寄主植物上有效控制了烟粉虱。使用靶向多个基因的dsRNA组合可提供更好更持久的结果。基因组序列和计算工具的可用性使得识别和避免非靶效应成为可能。通过在韧皮部组织表达dsRNA以仅针对刺吸式害虫，也可进一步缩小脱靶效应范围。研究人员通过韧皮部介导的RNAi有效靶向了烟粉虱的解毒基因BtGSTs5。
烟粉虱非特异性核糖核酸酶，特别是在肠道和唾液中的酶，降解dsRNA，降低RNAi效率。研究人员使用RNAi沉默特定核酸酶同时靶向两个靶基因（水通道蛋白和蔗糖酶），导致靶基因表达水平显著降低并增强烟粉虱死亡率。
**5.1.3 microRNA介导的RNAi**
除dsRNA外，microRNA介导的RNAi也是有效的烟粉虱控制方法。植物寄主编码的miRNA可调节感染病原体和昆虫的基因。研究人员证明了昆虫特异性人工miRNA表达在控制蚜虫中的效率。计算研究表明陆地棉编码的miRNA具有内在能力靶向并下调烟粉虱的关键基因。研究人员在棉花中过表达gh-miRNA166b，应用RNAi策略下调取食棉花烟粉虱的线粒体ATP合酶基因。其他研究人员利用人工miRNA（amiRNA）靶向三个关键基因（性致死蛋白、乙酰胆碱酯酶和orcokinin）在烟草中 engineered 了对烟粉虱的抗性。amiRNA方法相比其他siRNA方法具有减少脱靶效应和较少激活免疫反应的优势，但通常敲降效率较低。
**5.1.4 RNAi构建体的直接递送**
存在向烟粉虱递送dsRNA的非转基因方法，包括显微注射、人工饲料口服喂养和外源施用（如喷雾、茎或根吸收）。显微注射和人工饲料方法通常用于实验室基因功能阐明，但不能用于田间昆虫控制。显微注射通过微处理器控制仪器直接将dsRNA注射到特定组织，避免烟粉虱唾液和中肠中的核酸酶。人工饲料口服喂养dsRNA是更方便的方法且不造成物理损伤。多种烟粉虱基因（如水通道蛋白1、α-葡萄糖苷酶1、乙酰胆碱受体亚基α、海藻糖酶1、海藻糖转运蛋白1、热休克蛋白70和液泡ATP酶）已成功通过口服喂养方法靶向用于烟粉虱防治。
外源施用如喷雾、根吸收（土壤灌溉）和茎注射是遗传工程的替代方案。然而，迄今仅少数研究测试了外源施用对烟粉虱的防治效果。应用于番茄叶片的dsRNA可在植物体内系统性移动并被螨、蚜虫和温室白粉虱取食，但白粉虱摄取的dsRNA量很低，不足以产生RNAi效应。尽管抑制基因表达的dsRNA作为杀虫剂喷雾可能有效，但RNA稳定性仍是田间的挑战。然而，dsRNA与纳米材料的配制提高了dsRNA处理的效率。类似地，修饰RNA构建体使其更抗降解已成功用于柑橘木虱（Diaphorina citri）的防治，该技术也可能应用于烟粉虱防治。
叶介导的dsRNA摄取方法可用于沉默烟粉虱的蜕皮激素基因。该方法将番茄叶柄浸入dsRNA溶液中，烟粉虱取食叶片时摄取。该技术已证明能有效沉默烟粉虱靶基因。类似地，局部喷雾方法被用于向烟粉虱递送dsRNA，有效靶向热休克蛋白70（hsp70）和fasciclin 2（fas2），导致高烟粉虱死亡率。额外收益是靶向hsp70降低了烟粉虱的病毒传播能力，证明dsRNA可作为喷雾用于田间烟粉虱防治，且可能不像化学杀虫剂那样有害。
**5.1.5 烟粉虱潜在的RNAi抗性**
烟粉虱对高度保守必需基因RNAi的靶标位点抗性发展可能不太可能，特别是如果同时靶向多个基因。然而，如果RNAi被广泛用于田间烟粉虱防治，它们可能通过其他方式（如RNA降解或减少摄取）迅速产生抗性。在针对RNAi的甲虫中，由于减少摄取的抗性在几代内在实验室和田间均迅速发展。需要进一步的关于烟粉虱RNA摄取和加工的基础研究，以帮助预防RNAi抗性的必然发展。
烟粉虱特有的基因是良好的RNAi靶标，因为对有益昆虫物种的负面影响可能性较小。例如，与其他半翅目昆虫相比，烟粉虱基因组中一些与杀虫剂抗性（细胞色素P450和UDP-葡萄糖醛酸转移酶）、解毒和病毒传播（组织蛋白酶、磷脂酰乙醇胺结合蛋白）相关的扩展基因家族可能贡献于其全球入侵性，可作为RNAi靶标。
**5.2 内共生菌的利用**
内共生细菌可通过提高烟粉虱的生存和入侵性而提供益处。操纵或靶向这些内共生菌可提供有效的烟粉虱防治策略。理解烟粉虱与其共生菌之间的生物学、进化和互作关系为发展这些策略提供了众多机会。最重要的靶标之一是破坏烟粉虱与其初级内共生菌Portiera之间的专性关系。这些细菌为寄主提供苏氨酸、甲硫氨酸和色氨酸等必需氨基酸，而Portiera自身依赖寄主完成若干代谢通路。Portiera的极端基因组和代谢简化使其与寄主的关系成为必需。
一种方法是通过诱导烟粉虱自噬来减少Portiera和其他共生菌的群体。使用RNAi靶向Portiera较为困难，除非采用有效的递送方法，因为它居住在称为菌胞的特殊细胞中。有建议指出次级内共生菌可作为将dsRNA直接递送到菌胞的有效递送系统。共生菌介导的RNAi已在其他昆虫中报道，类似策略可能应用于烟粉虱，但需要体外培养遗传工程改造的内共生菌。
烟粉虱中更重要的次级内共生菌之一是Wolbachia，定位于菌胞和血淋巴中。其主要传播方式为母系传播，但血淋巴中的存在也可能允许水平传播。比较研究表明Wolbachia提供适合度收益，如缩短生长时间、提高存活率和改善成虫寿命，还提供对部分寄生蜂的保护。Wolbachia通过产生重要维生素和甲硫氨酸及嘌呤前体提供营养贡献。Wolbachia被报道可改变（阻断和/或增强）昆虫的病毒传播能力。多种Wolbachia菌株引起细胞质不亲和性，有利于Wolbachia在昆虫种群中的传播。Wolbachia已成功利用其引起细胞质不亲和性的能力大规模控制登革热，类似策略可适用于烟粉虱种群控制。从其他昆虫分离的Wolbachia菌株已成功转染入烟粉虱，引起细胞质不亲和性，证明了控制烟粉虱种群的潜力。
除RNAi外的RNA抑制技术，如调控基因表达的合成核酸类似寡聚体，已被开发用于控制致病细菌。研究人员使用反义寡核苷酸肽偶联磷酸二酰胺吗啉代寡聚物（peptide-conjugated phosphorodiamidate morpholino oligomer, PPMO）靶向柑橘木虱的内共生菌Wolbachia及其传播的病原体。PPMO由六边形吗啉代环连接而成，并带有增加细菌摄取的细胞穿透肽。这些可设计为靶向细菌特异性mRNA，结合互补mRNA后招募RNase切割mRNA。一个PPMO分子可重复使用，因此比RNAi效率更高。另一种反义寡核苷酸（2′-脱氧-2′-氟-D-阿拉伯核酸，2′-deoxy-2′-floro-D-arabinonucleic acid, FANA）成功抑制了柑橘木虱Wolbachia的必需基因。由于其结构特性，FANA不易被酶促降解且与mRNA结合能力增强。一个FANA分子可用于降解多个mRNA拷贝，因此效率更高。类似方法也可用于靶向烟粉虱中的Wolbachia。
内共生菌还参与介导烟粉虱-植物互作，通过操纵植物防御系统。Hamiltonella defensa感染的烟粉虱抑制了番茄植株的JA和JA相关抗草食动物诱导防御通路。研究专门参与抑制JA通路的内共生菌基因可为发展烟粉虱防治策略提供重要线索。另一研究表明，Rickettsia belli从烟粉虱传播到植物后抑制JA通路并触发SA相关基因表达，促进传播和烟粉虱生存，但使植物对真菌和病毒病原体更具抗性。因此，消除这些有益内共生菌可阻碍烟粉虱生存和入侵性。多种研究使用抗生素消除或破坏烟粉虱内共生菌，报道了对烟粉虱适合度的负面影响。尽管在田间应用此策略可能有挑战，但抗生素的使用是研究实验室条件下烟粉虱-内共生菌互作必需功能的有效方法。
**5.3 烟粉虱中的CRISPR-Cas**
CRISPR-Cas系统已被用于不同昆虫中敲除促进适合度或农药抗性的重要基因。使用CRISPR-Cas敲除细胞色素P450基因降低了棉铃虫（Helicoverpa armigera）杀虫剂暴露后的存活率。类似地，斜纹夜蛾（Spodoptera litura）和小菜蛾（Plutella xylostella）发育基因abd-A的敲除导致存活率降低。CRISPR-Cas9被用于敲除斜纹夜蛾嗅觉受体共受体基因，该基因参与检测性信息素，导致其无法感知信息化合物。
通常，昆虫基因编辑需要Cas9核糖核酸酶复合体注射入胚胎，这对于卵小的昆虫如烟粉虱较难。CRISPR-Cas系统的持续改进和完善解决了向小卵注射的局限。研究人员开发了"受体介导的卵巢货物转导"方法，将Cas9蛋白与卵巢靶向肽配体融合，将Cas9核糖核酸酶复合体携带至卵巢，实现烟粉虱后代的基因组编辑。其他研究人员使用名为SYNCAS的方法增强了Cas9核糖核酸酶复合体在难以转化的昆虫（如螨类和蓟马）中的递送，该方法将分支两亲性肽胶囊纳米颗粒和内体逃逸试剂（皂苷）配制以提供协同增效作用，提高CRISPR/Cas9系统的效率。近期研究成功使用该方法以39%的效率编辑了烟粉虱。
基于CRISPR的基因驱动技术的发展代表了将CRISPR技术应用于田间实际的重要进步。基于CRISPR的基因驱动已通过靶向雌性生存力和雄性不育基因抑制蝇类和蚊子的种群，称为精确引导的不育昆虫技术（precision-guided sterile insect technique, pgSIT）。然而，该方法在具有单双倍体基因组系统的昆虫如烟粉虱中的有效性尚待确定。
**5.4 水平转移基因**
烟粉虱在进化过程中从其他生物（细菌、真菌和植物）获得某些水平转移基因（Horizontally transferred genes, HTGs），增强其适应能力。研究人员共鉴定了49个烟粉虱从植物获得的基因，涉及24次水平基因转移事件。烟粉虱使用大部分这些基因与植物互作或响应病原体。酚糖丙二酰转移酶基因（BtPMaT1和BtPMaT2）是烟粉虱从植物通过水平基因转移获得的基因，编码的酶催化丙二酰基团转移至次生代谢物酚糖，烟粉虱利用此机制对抗植物防御。将丙二酰基团转移至酚糖使其对烟粉虱无害，即烟粉虱利用植物来源的基因对抗植物。
植物来源的水平转移基因还编码预测在抗病原体中起作用的"凝集素样"蛋白。真菌来源的水平转移基因大多与脂质代谢、碳水化合物加工以及最重要的促氧化功能相关。其中20个基因在烟粉虱中发挥芳香过加氧酶（Aromatic peroxygenases, APOs）功能，被认为在杀虫剂抗性和外源性化合物解毒中起作用。
多项研究报道了水平转移基因RNAi靶向的成功。研究人员使用植物来源的酚糖丙二酰转移酶基因BtPMaT1作为植物介导RNAi靶标，成功赋予番茄对烟粉虱的抗性。其他研究人员通过病毒诱导基因沉默靶向烟粉虱水平转移基因也取得了有前景的结果。研究还沉默了从植物水平转移的球蛋白种子储存蛋白基因以及植物来源的Δ7-甾醇C5-脱饱和酶样基因的表达。靶向水平转移基因的RNAi较少有脱靶效应，因为这些基因通常是属甚至种特异性的。
**6 结论**
本综述强调了分子发现向实际害虫管理转化的潜力。对烟粉虱生理学及其与寄主植物互作的广泛研究，对于发展创新有效的控制策略至关重要，包括克服杀虫剂抗性、改进杀虫剂的靶向使用以及破坏烟粉虱关键生物学通路。关键进展涉及利用RNA干扰和CRISPR/Cas技术靶向必需基因，如参与寄主植物互作、内共生菌功能和水平转移基因的基因。其他有前景的方法包括增强或工程化改造天然植物防御，以及操纵内共生菌群落以损害烟粉虱的生存和繁殖。烟粉虱分子生物学在不同分子水平上的进一步研究将提供宝贵见解，协助研究人员设计更有效的管理策略。
