PNAS | 中国农科院蔬菜花卉所张友军团队发现小菜蛾对Bt生物杀虫剂产生抗药性的关键遗传变异
昆虫是地球上种类最多、数量最大、分布最广的动物类群，许多昆虫可以通过取食或传播植物病毒严重为害农作物生产，全球每年因虫害造成的农业经济损失超过2500亿美元，是农业安全生产的首要威胁。目前，杀虫剂是田间防治害虫的主要手段，化学杀虫剂在害虫防治过程中发挥着“双刃剑”的作用，一方面，化学杀虫剂可以极大程度的控制害虫为害从而带来显著的经济效益，另一方面，长年累月地使用大量的化学杀虫剂不仅污染环境，还会破坏物种的多样性，而且，对人类生命健康也造成了严重威胁。苏云金芽胞杆菌(Bacillus thuringiensis, Bt)是土壤中常见的一类革兰氏阳性细菌，它能产生多种杀虫蛋白从而可以高效特异地杀死多种重要的农业害虫而对人畜环境安全无害。因此，基于Bt杀虫蛋白研发的生物杀虫剂及转基因抗虫作物具有靶标特异、高效安全、环境友好等优点，成为了化学杀虫剂的优良替代品，目前，Bt生物技术产品已广泛应用于全球农业生产，并带来了显著的经济、社会和生态效益。然而，Bt大量和不合理的使用使得害虫抗药性进化问题日趋严重。据报道，目前全世界至少已经有9种重大农业害虫在田间对Bt生物杀虫剂或Bt转基因抗虫作物产生了抗药性。因此，阐明害虫Bt抗药性分子机制对于Bt生物技术产品的研发推广和可持续利用至关重要。
小菜蛾是为害十字花科蔬菜作物的全球性重大农业害虫，严重危害时能造成作物减产90%以上，甚至绝收，每年在全球造成的经济损失高达40-50亿美元。小菜蛾之所以能造成如此严重的为害，主要是因为其极易对杀虫剂进化产生抗药性，是抗药性问题最为严重的害虫之一。而且，作为最早在田间被报道对Bt生物杀虫剂产生高抗性的农业害虫，小菜蛾已成为研究昆虫Bt抗性机制的理想实验材料。
中国农业科学院蔬菜花卉所张友军团队通过十余年研究发现，小菜蛾体内蜕皮激素20E和保幼激素JH含量升高可以激活中肠细胞内MAPK信号途径，然后通过不同转录因子调控下游多个中肠基因差异表达，从而导致小菜蛾在不影响正常生长发育的前提下对Bt进化产生完美的高抗性。然而，启动该MAPK信号途径介导的反式调控机制的关键遗传变异尚不清楚。
张友军团队进一步通过正向和反向遗传学研究方法，发现了小菜蛾Bt抗性的关键遗传变异为MAPK信号途径关键基因MAP4K4启动子区的逆转座子SE2插入突变，并揭示了SE2插入重塑的基因顺反式调控网络在小菜蛾Bt抗性进化中的作用机制。该成果以Retrotransposon-mediated evolutionary rewiring of a pathogen response orchestrates a resistance phenotype in an insect host为题于近日发表在国际著名期刊PNAS上。
张友军团队利用小菜蛾Bt敏感和抗性种群，通过全基因组关联分析(GWAS)发现，与Bt抗性显著关联的单核苷酸多态性(SNPs)位点和插入/缺失(Indels)突变主要位于MAPK信号途径关键基因MAP4K4的上游非编码区。对MAP4K4基因启动子区分析发现，该区域内存在一个逆转座子SE2插入突变的自然变异与Bt抗性表型紧密连锁。双荧光素酶报告分析表明SE2插入导致MAP4K4基因在Bt抗性小菜蛾种群中显著过量表达。进一步利用CRISPR/Cas9技术敲除SE2的纯合突变小菜蛾种群对Bt的抗性水平显著降低。
研究表明，转座子不仅可以作为增强子、抑制子或绝缘子直接发挥调控功能，也可以通过招募转录因子调控基因表达或重塑基因表达的调控网络。为了进一步揭示SE2插入突变介导的Bt抗性分子机制，利用双荧光素酶报告分析、凝胶迁移实验(EMSA)、酵母单杂交(Y1H)和染色质免疫共沉淀-qPCR技术(ChIP-qPCR)等实验，鉴定了与SE2结合的转录因子FOXO，并证明了二者可以协同调控靶基因MAP4K4的转录表达。进一步研究发现，保幼激素JH和蜕皮激素20E处理小菜蛾幼虫可以显著影响FOXO磷酸化水平的变化。JH通过促进FOXO磷酸化而抑制其对MAP4K4的调控活性；反之，20E可以抑制FOXO磷酸化促进其对MAP4K4的调控活性；而同时用两种激素处理小菜蛾幼虫后，仍表现为对FOXO的激活作用。上述结果表明，JH和20E通过串扰共同调控FOXO磷酸化状态影响FOXO与逆转座子SE2的结合，从而精准调控MAP4K4基因的转录水平。
图1. 逆转座子SE2插入突变介导的小菜蛾Bt抗性顺反式遗传调控网络
综上所述，该研究鉴定了一个调控小菜蛾Bt抗性的关键自然遗传变异，并在此基础上提出了小菜蛾对Bt抗性进化过程中由逆转座子SE2这一关键遗传变异重塑的顺反式调控网络：位于Bt抗性关键基因MAP4K4上游启动子区的逆转座子SE2插入突变可以通过自身携带的保守转录因子FOXO的结合位点招募并增强其在昆虫激素激活MAPK信号途径中的调控作用，从而使小菜蛾对Bt进化产生稳定的高抗性。该研究为昆虫Bt抗性分子机制的阐明提供了全新的视角，而且，基于这一理论发现开发的特异性扩增该转座子插入全长的PCR引物，可以广泛用于田间小菜蛾Bt抗性的快速监测预警，为延缓Bt抗性进化和害虫Bt抗性治理提供重要支撑。
中国农业科学院蔬菜花卉研究所郭兆将研究员、郭乐博士后、白杨博士为本论文共同第一作者。郭兆将研究员和张友军研究员为论文的共同通讯作者。该研究得到国家基金优青、创新研究群体以及中国农科院科技创新工程等项目资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1073/pnas.2300439120
相关知识
张友军团队解析了小菜蛾Bt抗性进化关键上游“调控护盾”
中国农科院蔬菜花卉研究所：科学家找到抑制抗药性进化新思路
IF=33.2！中国农科院蔬菜花卉所在《Cell》旗下期刊发表最新研究成果
[中国科学报] “调控护盾”让小菜蛾进化出杀虫剂高抗性
“调控护盾”让小菜蛾进化出杀虫剂高抗性—论文—科学网
中国农业科学院蔬菜花卉研究所张友军AS：害虫平衡抗药性和生长发育的奥秘
小小甲基化修饰让小菜蛾“百毒不侵”
“调控护盾”让小菜蛾进化出杀虫剂高抗性—新闻—科学网
害虫抗药性进化新机制获揭示
田间害虫抗药性治理 有了新思路
网址: PNAS | 中国农科院蔬菜花卉所张友军团队发现小菜蛾对Bt生物杀虫剂产生抗药性的关键遗传变异 https://m.huajiangbk.com/newsview1893294.html
| 上一篇: 花草籽 绿化草籽报价 |
下一篇: 你真的会使用杀虫剂吗？杀虫剂使用 |
