小菜蛾幼蟲和成蟲 蔬菜花卉所供圖
小菜蛾Bt抗性分子機(jī)制的模式圖 蔬菜花卉所供圖
6月12日，《自然—通訊》創(chuàng)刊10年以來首次在線發(fā)表昆蟲Bt抗性研究領(lǐng)域的論文。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所研究員張友軍團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，昆蟲激素水平升高可以激活MAPK信號途徑，反式調(diào)控多個中腸受體基因差異表達(dá)，從而導(dǎo)致小菜蛾對蘇云金芽胞桿菌（Bt）殺蟲蛋白Cry1Ac產(chǎn)生高抗性。
該研究在國際上首次揭示了經(jīng)典的昆蟲激素可以參與昆蟲Bt抗性的新功能及其分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，研究結(jié)果對于我國田間重大農(nóng)業(yè)害蟲Bt抗性進(jìn)化的監(jiān)測預(yù)警和綜合治理，以及新型Bt生物殺蟲劑/轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲作物的研發(fā)推廣和可持續(xù)應(yīng)用，均具有重要的理論和實踐意義。
《自然》旗下生態(tài)和進(jìn)化學(xué)術(shù)論壇邀請作者同步分享了研究背后的故事。
論文通訊作者張友軍介紹，小菜蛾是一種世界性危害的十字花科蔬菜作物重大害蟲，每年小菜蛾在全球造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)40~50億美元，在我國造成的經(jīng)濟(jì)損失也達(dá)到7.7億美元每年。
蘇云金芽胞桿菌是一種革蘭氏陽性細(xì)菌，它能產(chǎn)生多種殺蟲蛋白，可高效特異的殺死不同害蟲，而對人畜環(huán)境安全無害。目前，基于Bt殺蟲蛋白研發(fā)的Bt生物殺蟲劑和轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲作物，為全世界化學(xué)殺蟲劑的減施、害蟲綠色防控和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全做出了極大貢獻(xiàn)，并取得了空前巨大的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境效益。
然而，昆蟲對Bt的快速抗性進(jìn)化，嚴(yán)重威脅著Bt生物殺蟲劑和轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲作物的研發(fā)推廣和可持續(xù)應(yīng)用。
目前，至少已有9種重要農(nóng)業(yè)害蟲在田間對 Bt產(chǎn)生了高抗性。其中，小菜蛾是最早也是目前唯一被報道在田間對Bt生物殺蟲劑產(chǎn)生高抗性的農(nóng)業(yè)害蟲，而其基因組的解析使其成為研究昆蟲對Bt抗性分子機(jī)制的理想材料。
過去10余年間，張友軍團(tuán)隊先后建立了Bt敏感和多個Bt抗性的小菜蛾種群，包括對Bt殺蟲蛋白Cry1Ac 抗性5000倍的近等基因系種群。
前期，利用這些特異的實驗材料，通過生物化學(xué)、分子生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)等技術(shù)手段，該團(tuán)隊在國際上首次揭示了小菜蛾對Bt殺蟲蛋白Cry1Ac的高抗性與BtR-1抗性基因座內(nèi)一個絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）信號途徑有關(guān)。
他們發(fā)現(xiàn)，MARK信號途徑中的關(guān)鍵基因MAP4K4，反式調(diào)控多個中腸受體基因差異表達(dá)，引起小菜蛾對Bt殺蟲蛋白的抗性。相關(guān)研究于2015年發(fā)表于《美國公共科學(xué)圖書館—遺傳學(xué)》（PLoS Genetics）。
在最新研究中，張友軍團(tuán)隊在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步證實，MAPK信號途徑的確是反式調(diào)控小菜蛾不同中腸受體基因差異表達(dá)的“通用開關(guān)”。
論文第一作者兼共同通訊作者、蔬菜花卉所副研究員郭兆將說，在Bt蛋白高抗的小菜蛾中，蛻皮激素（20E）和保幼激素（JH）含量均顯著升高。它們之間的串?dāng)_可以激活MAPK信號途徑反式調(diào)控機(jī)制，使小菜蛾在維持正常生長發(fā)育的前提下對Bt殺蟲蛋白完美進(jìn)化，從而產(chǎn)生高抗性。
張友軍研究員總結(jié)到，當(dāng)昆蟲幼蟲進(jìn)食Bt病原菌后，其中腸上皮細(xì)胞中保幼激素/蛻皮激素結(jié)合各自Met-Tai和EcR-USP異源二聚體受體復(fù)合物，啟動下游應(yīng)答基因轉(zhuǎn)錄。保幼激素和蛻皮激素含量升高會激活下游MAPK信號途徑，進(jìn)而操縱不同轉(zhuǎn)錄因子來調(diào)控多個中腸受體基因的差異表達(dá)，最終導(dǎo)致寄主昆蟲在不影響生長發(fā)育的前提下對Bt 殺蟲蛋白進(jìn)化產(chǎn)生高抗性。
該項研究揭示了經(jīng)典昆蟲激素迄今為止尚未發(fā)現(xiàn)的新功能，闡明了激素信號可塑性是生物抵御外界病原菌入侵的跨界通用策略。在該昆蟲激素串?dāng)_調(diào)控的“生長發(fā)育—免疫防御權(quán)衡”模型中，保幼激素和蛻皮激素相互拮抗，共同控制昆蟲生長發(fā)育和免疫防御等生理過程。
該研究得到了國家自然科學(xué)基金重點項目和青年科學(xué)基金項目以及中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程等項目資助。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-020-16608-8
https://natureecoevocommunity.nature.com/users/387087-zhaojiang-guo/posts/hormonal-regulation-of-bt-resistance-in-the-diamondback-moth
