蘇云金芽胞桿菌（Bt）能產(chǎn)生多種殺蟲蛋白，高效特異的殺死多種農(nóng)業(yè)害蟲。然而，全世界已經(jīng)有13種重要的農(nóng)業(yè)害蟲對Bt生物殺蟲劑或轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲作物產(chǎn)生了抗藥性。
小菜蛾幼蟲。受訪者供圖
近日，中國農(nóng)業(yè)科學院蔬菜花卉研究所研究員張友軍團隊破解了最早被報道對Bt生物殺蟲劑產(chǎn)生抗藥性的農(nóng)業(yè)害蟲小菜蛾適應性進化的分子機制，首次揭示了一個中腸轉(zhuǎn)錄調(diào)控環(huán)介導小菜蛾Bt抗性的調(diào)控機制。
相關(guān)成果7月14日在線發(fā)表于Cell旗下國際期刊《創(chuàng)新》（The Innovation）。
適應性進化的“舵手”：表觀遺傳與轉(zhuǎn)錄調(diào)控
論文通訊作者張友軍告訴《中國科學報》，小菜蛾是一種為害十字花科蔬菜的世界性重大農(nóng)業(yè)害蟲，也是世界上第一個被報道在田間對Bt生物殺蟲劑產(chǎn)生高抗性的昆蟲，因此成為研究昆蟲如何對Bt生物殺蟲劑產(chǎn)生抗藥性的良好實驗材料。
此前的研究中，張友軍團隊發(fā)現(xiàn)，昆蟲蛻皮激素20E含量升高會激活小菜蛾絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）信號途徑，反式調(diào)控多個中腸基因差異表達，最終導致小菜蛾對Bt生物殺蟲劑進化產(chǎn)生高抗性。
“然而，Bt抗性小菜蛾蛻皮激素含量升高的調(diào)控機制尚不明確。于是我們將研究重點關(guān)注在與昆蟲蛻皮激素20E含量變化密切相關(guān)的表觀遺傳和轉(zhuǎn)錄調(diào)控上。”張友軍說。
論文第一作者兼共同通訊作者、蔬菜所研究員郭兆將告訴《中國科學報》，表觀遺傳學是指在不改變基因的DNA序列的情況下，基因功能發(fā)生了可遺傳的變化，最終導致表型的變化，包括非編碼RNA、DNA甲基化、組蛋白修飾和染色質(zhì)重塑等。轉(zhuǎn)錄調(diào)控是基因表達調(diào)控的一部分，它決定哪些基因在何時、何地、以何種方式被表達，主要通過轉(zhuǎn)錄因子、啟動子區(qū)域、增強子和RNA聚合酶等直接調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄。
miRNA：導致完美抗性的“開關(guān)”
郭兆將介紹，miRNA是真核生物中廣泛存在的一類長度為18~24個核苷酸的小型非編碼RNA分子，是一種重要的表觀遺傳調(diào)控因子。miRNA通過與信使RNA （mRNA）上的互補序列結(jié)合，抑制轉(zhuǎn)錄后基因表達，進而影響生物體內(nèi)的多種生物學功能。
他們首先發(fā)現(xiàn)，miR-8545的表達量在小菜蛾Bt抗性種群中顯著升高。隨后，他們證明了miR-8545的升高與小菜蛾Bt抗性相關(guān)。
“為了驗證miR-8545是通過哪個靶基因介導小菜蛾Bt抗性，我們利用5個miRNA靶基因預測軟件，共獲得7個候選靶基因，其中僅有葡萄糖脫氫酶GLD基因（PxGLD）能夠與miR-8545直接結(jié)合，而且該基因在小菜蛾Bt抗性種群中表達量顯著降低?！惫讓⒄f。
為了探索該基因的表達量降低是否與小菜蛾Bt抗性相關(guān)，他們利用干擾技將該基因在敏感種群中進行沉默。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小菜蛾幼蟲對Bt殺蟲蛋白的敏感性顯著降低。表明小菜蛾中該基因的表達量降低與Bt抗性相關(guān)。
接下來，他們發(fā)現(xiàn)，將該基因在敏感種群中進行沉默后，蛻皮激素20E的含量顯著增加。同時，利用顯微注射將蛻皮激素20E注射到小菜蛾幼蟲體內(nèi)后，PxGLD基因的表達量顯著增加。遺傳連鎖實驗也表明，PxGLD基因表達量降低與小菜蛾Bt抗性表型緊密連鎖。
解釋抗性“開關(guān)”的調(diào)控機制
論文共同第一作者、蔬菜所博士后朱流紅介紹，他們通過克隆miR-8545的啟動子序列并進行候選轉(zhuǎn)錄因子預測。
他們通過一系列實驗確定，轉(zhuǎn)錄因子PxDfd能夠與miR-8545的啟動子結(jié)合。將PxDfd基因在對bt殺蟲蛋白敏感的小菜蛾種群中進行沉默后發(fā)現(xiàn)，小菜蛾幼蟲對Bt殺蟲蛋白的敏感性顯著降低，這表明PxDfd基因的表達量降低與小菜蛾抗性相關(guān)。
朱流紅介紹，進一步研究證明，將蛻皮激素20E注射到小菜蛾幼蟲體內(nèi)后，PxDfd和PxGLD的表達量均顯著增加，miR-8545的轉(zhuǎn)錄水平則顯著降低。結(jié)果表明，過量的20E可以通過負反饋機制抑制PxDfd/miR-8545/PxGLD調(diào)控軸。
該研究在國際上首次明確了中腸轉(zhuǎn)錄調(diào)控環(huán)介導小菜蛾Bt抗性的分子機制：即PxDfd表達水平的降低導致miR-8545表達量增加，從而抑制PxGLD基因的表達，進而引起B(yǎng)t抗性小菜蛾體內(nèi)20E含量顯著升高。
郭兆將說，為了避免蛻皮激素20E的過度升高影響小菜蛾正常生長發(fā)育，蛻皮激素20E含量升高后會通過負反饋調(diào)節(jié)機制抑制PxDfd基因的表達，確保小菜蛾中腸細胞中蛻皮激素20E含量的內(nèi)穩(wěn)態(tài)，從而組成了一個關(guān)鍵“調(diào)控護盾”，使小菜蛾在維持正常生長發(fā)育的前提下進化產(chǎn)生完美的Bt抗性表型。
張友軍說，該結(jié)果為昆蟲Bt抗性分子機制研究提供了全新的視角，對于田間害蟲Bt抗性監(jiān)測預警和綜合治理具有重要的理論和實踐意義。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.xinn.2024.100675
