Bt殺蟲蛋白如何殺死棉鈴蟲

2021-01-10 中國青年報

中國青年報客戶端訊(許天穎 中青報·中青網記者李潤文)轉基因Bt抗蟲棉花是怎麼殺死棉鈴蟲的?棉鈴蟲是通過什麼方式對殺蟲蛋白Bt毒素產生抗性的?

南京農業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,發現了Bt殺蟲蛋白對棉鈴蟲的一種新型「雙通道」殺蟲機制。4月1日,該成果在《公共科學圖書館·病理學》雜誌正式發表,王敬博士為第一作者,吳益東教授為通訊作者。

Bt毒素是一種蛋白質, "Bt"是細菌"Bacillus thuringiensis"的縮寫。"毒蛋白"是其產生的一種伴胞晶體, 「毒」是指其對特定的物種有毒性,並非對所有的生物體都有毒性。Bt毒素是一種對棉鈴蟲具有顯著活性的殺蟲蛋白,對其他昆蟲和環境非常安全。

棉鈴蟲是棉花最重要的害蟲,我國自1997年開始種植轉基因Bt抗蟲棉花,簡稱Bt棉。近年來,田間棉鈴蟲對Bt殺蟲蛋白抵抗能力逐漸增加。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、開發克服抗性新技術的重要基礎。

Bt棉長出綠葉後,棉鈴蟲幼蟲開始進攻。當它們吃嫩葉、蕾、花、鈴,含有轉基因的Bt毒素隨之攝入,Bt毒素在幼蟲中腸上皮細胞微絨毛上識別受體,並與一系列受體蛋白互作後在中腸細胞膜上形成通透性孔道,使中腸細胞破損、脫落,幼蟲腸子徹底爛了,直至停止取食並死亡。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。

吳益東教授團隊的最新研究發現,棉鈴蟲ABC轉運蛋白ABCC2和ABCC3均為Bt受體,用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後獲得了超過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是一對結構高度相似、功能相互重疊的Bt受體,Bt毒素在尋找受體發起攻勢時,相當於獲取了深入敵營的「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Bt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、協同進化的複雜關係。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毒素進攻薄弱環節進化出新的抗性機制。

在吳益東教授團隊的前期研究中,發現了棉鈴蟲為削弱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。

團隊的研究還發現,我國棉鈴蟲田間抗性個體攜帶的抗性基因在2010年前以HaCad突變為主,2013年後以TSPAN1點突變為主,尚未在田間檢測到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這一對功能冗餘的受體為Bt毒素的進攻提供了相互並聯的「雙通道」,因此捆住了棉鈴蟲利用這一對受體發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:中國青年報客戶端

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