南京農(nóng)業(yè)大學植物保護學院吳益東教授團隊在Bt殺蟲機制研究方面取得重要進展，發(fā)現(xiàn)了Bt殺蟲蛋白對棉鈴蟲的一種新型“雙通道”殺蟲機制。
Bt毒素是一種對棉鈴蟲具有顯著活性的殺蟲蛋白，我國自1997年開始種植轉(zhuǎn)基因Bt抗蟲棉花，簡稱Bt棉。近年來，田間棉鈴蟲對Bt殺蟲蛋白Cry1Ac抗性個體頻率逐漸增加。因此，明確Bt殺蟲機制和棉鈴蟲Bt抗性機理是開展Bt抗性預警、制訂抗性治理策略、開發(fā)克服抗性新技術的重要基礎。
棉鈴蟲幼蟲攝入Bt毒素后，Bt毒素在幼蟲中腸上皮細胞微絨毛上識別受體，并與一系列受體蛋白互作后在中腸細胞膜上形成通透性孔道，使中腸細胞破損、脫落，幼蟲停止取食并死亡。棉鈴蟲對付Bt蛋白的一種重要機制就是受體功能喪失，使Bt毒素穿孔效率下降或不能穿孔，導致Bt毒素喪失殺蟲活性。
吳益東教授團隊的研究發(fā)現(xiàn)，棉鈴蟲ABC轉(zhuǎn)運蛋白ABCC2和ABCC3均為Bt受體，用CRISPR基因編輯技術分別敲除這兩個基因，不能獲得Bt抗性；而同時敲除這兩個基因后獲得了超過1.5萬倍的極高水平抗性。這意味著，同時敲除這兩個基因會使Bt毒素對棉鈴蟲的進攻完全失效。
吳益東解釋，ABCC2和ABCC3是一對結(jié)構高度相似、功能相互重疊的Bt受體，Bt毒素在尋找受體發(fā)起攻勢時，相當于獲取了深入敵營的“雙重通道”。因此，棉鈴蟲缺失ABCC2和ABCC3中的任何一個受體均不影響B(tài)t的殺蟲效果，從而限制了棉鈴蟲在ABCC2和ABCC3通路上的抗性進化能力。
棉鈴蟲和Bt毒素的攻防之間，存在著相互適應、協(xié)同進化的復雜關系。在Bt毒素對棉鈴蟲“雙通道”殺蟲機制的壓制下，棉鈴蟲可以避其鋒芒，在Bt毒素進攻薄弱環(huán)節(jié)進化出新的抗性機制。在吳益東教授團隊的前期研究中，發(fā)現(xiàn)了棉鈴蟲為削弱Bt殺蟲能力進化出的2種抗性機制：一種是棉鈴蟲Bt受體HaCad（一種鈣粘蛋白）通過基因缺失突變，另一種是四跨膜蛋白TSPAN1通過L31S點突變，在這兩種情況下，棉鈴蟲通過喪失HaCad的受體功能或增強腸道修復能力，使Bt抗性顯著增強。
團隊的研究還發(fā)現(xiàn)，我國棉鈴蟲田間抗性個體攜帶的抗性基因在2010年前以HaCad突變?yōu)橹鳎?013年后以TSPAN1點突變?yōu)橹鳎形丛谔镩g檢測到ABCC2和ABCC3突變，其中原因，可能正是這次的研究所揭示的，是ABCC2和ABCC3這一對功能冗余的受體為Bt毒素的進攻提供了相互并聯(lián)的“雙通道”，因此捆住了棉鈴蟲利用這一對受體發(fā)生變異而逃逸攻擊的“手腳”。
Bt毒素“雙通道”殺蟲機制的揭示不僅對Bt作用機理和害蟲抗性機制研究提供了一種全新視角，也為開發(fā)新的抗性治理策略提供了啟示，這意味著新一代Bt棉花可以通過聚合多個不同的Bt殺蟲基因，對棉鈴蟲形成“多通道”的殺蟲機制，從而有效延緩棉鈴蟲Bt抗性的進化速度。
來源： 南京農(nóng)業(yè)大學