南京农业大学高聪芬教授团队在TOP期刊发表科研成果:揭示褐飞虱天然橙眼表型的遗传基础并建立高效多sgRNA基因组编辑策略

“A natural Nlscarlet insertion underlies the orange-eye phenotype and facilitates efficient multiple-sgRNA genome editing in Nilaparvata lugens”文章发表在《Insect Biochemistry and Molecular Biology》，本研究明确褐飞虱天然稳定遗传的橙眼表型由Nlscarlet基因的1287bp插入突变导致，该性状为单基因常染色体隐性遗传；同时证实多sgRNA冗余靶向策略可大幅提升基因组编辑的完全功能缺失表型占比与可遗传突变效率，为昆虫功能基因快速筛选提供了高效技术方案。

研究背景

眼色突变体是昆虫遗传分析与基因组编辑的经典可视化标记，但褐飞虱天然眼色变异的分子机制长期未被解析。CRISPR/Cas9系统已广泛应用于昆虫功能基因组研究，但单sgRNA编辑易产生嵌合体，G0代完全功能缺失表型占比低，构建纯合敲除株系周期长达4–5个月。多sgRNA靶向可提升双等位基因敲除与大片段缺失的概率，但在半翅目昆虫中缺乏系统的效率评估与方案优化。褐飞虱是亚洲水稻主产区的重要迁飞性害虫，建立高效可视化的基因组编辑体系对其功能基因研究与绿色防控靶点开发具有重要意义。

研究结果

正反交、自交与回交分析证实，该橙眼性状为单基因常染色体隐性遗传。适合度评估显示，突变体仅若虫发育历期延长约1天，产卵量、卵孵化率、成虫羽化率、体重与寿命等指标均与野生型无显著差异，仅存在有限适合度代价，适合作为遗传标记。

候选基因筛选与序列比对发现，突变体Nlscarlet基因第13外显子及相邻内含子区域存在1287bp插入，导致翻译提前终止，蛋白在第5次跨膜螺旋后发生C端截短。该插入与橙眼表型在分离群体中完全共分离；CRISPR/Cas9敲除Nlscarlet可重现橙眼表型，充分证实该插入是天然橙眼突变的致因变异。研究还发现Nlscarlet基因K535位点的框内缺失产生深橙眼中间表型，分子对接显示该位点可与底物3-羟基犬尿氨酸形成氢键，对转运功能至关重要。

以Nlscarlet为可视化标记，对比单sgRNA与两种四sgRNA组合策略的编辑效率：两种多sgRNA策略均未显著降低成虫羽化率，但可将G0代完全橙眼表型比例从30.97%分别提升至84.73%和92.47%，G1代突变后代比例从37.33%分别提升至81.33%和90.67%；可遗传突变以大片段缺失为主，占比近90%。其中混合引物共转录的制备方案与分别制备再混合的编辑效率相当，可简化实验流程。

结论总结

该研究首次阐明了褐飞虱天然橙眼突变的分子遗传基础，深化了对昆虫ABCG转运蛋白结构功能与眼色形成机制的认知；建立的多sgRNA高效编辑策略显著提升了褐飞虱G0代功能缺失表型与可遗传突变的比例，为半翅目昆虫快速基因功能筛选与稳定突变株系构建提供了可靠技术支撑。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ibmb.2026.104649