在害虫中构建同源基因性别分选品系

为何对微小昆虫进行分拣对我们很重要

每年，食果苍蝇破坏农作物并推高食品价格。控制这些害虫的最成功且环保的方法之一是释放大量无菌雄虫，它们与野生雄虫竞争，从而逐步减少种群。但要高效实施，工厂必须以百万计地将雄虫和雌虫分开——这是一个缓慢且易出错的工作。本研究提出了一种新的、精确的方法来构建这样的昆虫品系，使雄虫和雌虫在蛹期只需凭外观就能轻易区分，而且不向其基因组中添加任何外来DNA。

一种更“干净”的构建性别分选品系的方法

以往的“基因性别分选品系”在农作物害虫和传播疾病的昆虫中被创造出来，以简化性别分离。地中海果蝇的经典例子是通过辐射将两种有用性状——蛹的颜色和耐热性——连接到雄性染色体的某一区域。雄虫由棕色蛹羽化，雌虫由白色蛹羽化，并且胚胎可以经热处理使仅雄性存活。然而，这种方法可能降低个体适应性，引起雄性部分不育，并有时通过基因重排丧失可靠性。它还依赖复杂的染色体重排，这在其他物种中难以复现。

设计一种同源基因性别系统

作者着手设计一种更简单、更稳定、且潜在更易被接受的系统，他们称之为同源基因性别分选品系。“同源基因”意味着所有遗传元件来自同一物种，未加入外来基因。在地中海果蝇中，他们利用基于CRISPR的基因组编辑，将来自一个决定雌性发育的基因（名为transformer）的性别特异性控制片段插入到控制蛹色的基因（称为white pupae）中。该插入片段在基因表达加工时在雄雌两性中有不同的处理方式，因此相同的编辑基因在两性中表现出相反的作用。

将颜色变成内置性别标记

由于这一巧妙的编辑，雄雌蛹现在呈现不同颜色。在雌性中，插入的控制片段在基因加工时被切除，使white pupae基因正常工作并产生棕色蛹。在雄性中，该片段被保留，干扰基因并阻断正常蛋白的产生，因此雄性发育为白色蛹。研究者将这一编辑版本育成在所有个体中以两份拷贝存在，创建了他们称为IMPERIAL的新系。在该品系中，每个白色蛹发育为雄性，每个棕色蛹发育为雌性，使按颜色分拣就能实现性别分离。

检验适应性、稳定性与行为

为评估IMPERIAL在大规模害虫防治中的实用性，作者将其与标准的野生型品系和广泛使用的VIENNA 8基因性别分选品系进行了比较。在多个世代中，IMPERIAL始终保持蛹色与性别的完全对应，并维持了均等的1:1雄雌比例。相比之下，VIENNA 8常产生较少的雌性，提示存在隐性雌性死亡或其他成本。IMPERIAL的卵到成虫的存活率和成虫寿命与野生型相似，并在若干指标上优于VIENNA 8。从卵到成虫的发育速度也倾向于快于VIENNA 8，后者的雌性发育尤其较慢。当让测试品系的雌性在三系雄性之间选择交配对象时，雌性与IMPERIAL雄性交配的频率几乎与与VIENNA 8雄性交配的频率相当，尽管野生型雄性仍最具吸引力。

这对未来害虫防治意味着什么

IMPERIAL品系表明，仅用本物种的原生DNA进行一次精确编辑，就能创建一种可靠的、肉眼可见的标记，将主要农作物害虫的雄雌清晰地分开。因为未加入外来基因，此类同源基因品系在法规和公众接受度上可能比完全转基因昆虫更容易被接受，但这仍取决于当地法规。同一策略——借用物种自身性别决定系统中的性别特异性控制片段并将其插入到可见标记基因中——原则上也可应用于其他果蝇害虫和蚊子。通过在现实育种设施中进一步测试，像IMPERIAL这样的同源基因性别分选品系可使释放无菌雄虫的成本更低、效果更好并更广泛可用，从而在保护农作物的同时减少对广谱杀虫剂的依赖。

引用: Davydova, S., Liu, J., Kandul, N.P. et al. Generating cisgenic sexing strains in insect pests. Commun Biol 9, 363 (2026). https://doi.org/10.1038/s42003-026-09624-9

关键词: 无菌昆虫技术, 基因性别分选品系, 地中海果蝇, CRISPR 基因组编辑, 同源基因害虫控制