PNAS:揭示田間害蟲發生顯性突變對轉基因Bt作物產生抗性

2020-12-08 生物谷

研究人員發現害蟲正在以一種意想不到的方式適應轉基因作物(genetically modified crop)。這一發現特別強調了密切監控和防範害蟲對生物技術作物產生抗性的重要性。

根據一項於2012年6月11日在線發表在PNAS期刊上的新研究(在中國完成的)，來自中國農業科學院、南京農業大學和美國亞利桑那大學的研究人員發現，棉鈴蟲(cotton bollworm)對能夠殺死害蟲的轉基因棉花產生抗性涉及到的基因變化比人們想像中的更加多樣化。

為了降低廣譜殺蟲劑的噴灑，其中廣譜殺蟲劑能夠傷害除目標害蟲之外的動物，棉花和玉米經過基因改造後能夠產生源自蘇雲金芽胞桿菌(Bacillus thuringiensis, Bt)的毒素。Bt毒素殺死某些害蟲，而且對包括人在內的大多數其他生物無害。這種環境友好性的毒素幾十年來就被有機作物種植者在噴灑中使用，而且自從1996年以來，大多數農民就開始使用轉Bt基因作物。

隨著時間的推移，科學家們已了解到，最初罕見的賦予對Bt毒素產生抗性的基因突變正在變得越來越常見，因而數量不斷增加的害蟲種群都能適應轉Bt基因作物。通過比較害蟲在實驗室和田間如何對轉Bt基因作物產生抗性，研究人員發現儘管在實驗室中篩選到的一些突變確實在野生害蟲種群中發生，但是一些與在實驗室中觀察到的明顯不同的突變卻在田間發揮著重要的作用。

棉鈴蟲(Helicoverpa armigera)的毛蟲在長成蛾之前，能夠咀嚼大多數植物。這種物種是中國主要的棉花害蟲。

美國亞利桑那大學農業與生命科學學院昆蟲學系主任Bruce Tabashnik說，「科學家們早就料想到這種昆蟲會產生適應性，但是我們剛好發現它們在田間中如何產生抗性。」

為了避免意外，研究人員通過控制實驗室條件，讓棉鈴蟲種群接觸Bt毒素，從而研究這種昆蟲產生適應性的遺傳機制。

他說，「我們試圖保持領先。我們想期待哪些基因參與其中，因此我們就能夠積極地開發出策略來維持Bt棉花的有效性和減少殺蟲劑噴灑。這種隱含假定是我們了解到在實驗室裡篩選到的對轉Bt基因棉花產生的抗性也將能應用于田間。」在對轉Bt基因棉花產生抗性之前，這種假定從沒有接受過測試。

如今，一個國際研究小組第一次在田間獲得遺傳證據而讓他們能夠直接比較在野外和實驗室培育的棉鈴蟲種群。他們發現在田間棉鈴蟲中一些賦予抗性的突變與實驗室培養的棉鈴蟲中的一樣，但是也有一些突變存在顯著性的不同。

Tabashnik說，「我們精確地發現在田間中發現的突變也能夠在實驗室中被檢測到，但是我們也發現大量的其他突變：它們中大多數位於同一個基因，還有一個突變位於一個完全不同的基因。」

令人吃驚的是，研究人員在田間棉鈴蟲種群中鑑定出兩個不相關的顯性突變(dominant mutation)。顯性意味著一個拷貝的基因變異體(genetic variant)就足夠讓棉鈴蟲對Bt毒素產生抗性。相反，之前在實驗室中篩選到的抗性突變(resistance mutation)都是隱性的。隱性意味著它需要兩個拷貝的基因變異體(父代和母代各提供一個變異體)才能讓棉鈴蟲對Bt毒素產生抗性。因而，顯性抗性更難控制，而且不能通過種植非轉Bt基因棉花來延緩，而對隱性抗性而言，種植非轉Bt基因棉花是非常有效地延緩抗性的產生。

非轉基因作物(refuge)是由不含轉基因的作物組成的，因而能夠允許對Bt毒素敏感的害蟲存活。非轉基因作物種植在轉Bt基因作物附近，目的是產生數量充足的敏感性害蟲，從而使得兩隻對Bt毒素產生抗性的害蟲以較低的概率發生交配，因而也就不可能產生抗Bt毒素的後代，這樣就可以稀釋Bt抗性的害蟲種群。

在中國發現的這些顯性突變削弱了非轉基因作物種植策略的有效性，這是因為Bt敏感性害蟲和Bt抗性害蟲交配後產生的後代也能夠具有Bt抗性。

他補充道，這項研究將使得監管機構和種植者更好地管控目標害蟲對轉Bt基因作物產生的抗性，而且發現顯性突變將促使科學家重新思考非轉基因作物種植策略。

研究人員還報導，賦予棉鈴蟲對Bt毒素產生抗性的突變在中國北方更為常見，是中國西北地區的3倍。這是因為在中國西北地區，人們很少種植轉Bt基因棉花。然而，即便在中國北方，種植者還沒有注意到出現的Bt抗性，這是因為在那裡，只有大約2%的棉鈴蟲對Bt毒素產生抗性。

作為種植者，如果轉Bt基因棉花能夠殺死98%的害蟲，那麼他們就不會注意到任何事情。但是這項研究表明麻煩即將來臨。(生物谷：Bioon.com)

本文編譯自Trouble on the horizon for GM crops?

Diverse genetic basis of field-evolved resistance to Bt cotton in cotton bollworm from China

Haonan Zhanga,1, Wen Tiana,1, Jing Zhaoa,1, Lin Jina, Jun Yanga, Chunhui Liua, Yihua Yanga, Shuwen Wua, Kongming Wub, Jinjie Cuic, Bruce E. Tabashnikd, and Yidong Wu

Evolution of pest resistance reduces the efficacy of insecticidal proteins from Bacillus thuringiensis (Bt) used in sprays or in transgenic crops. Although several pests have evolved resistance to Bt crops in the field, information about the genetic basis of field-evolved resistance to Bt crops has been limited. In particular, laboratory-selected resistance to Bt toxin Cry1Ac based on recessive mutations in a gene encoding a toxin-binding cadherin protein has been identified in three major cotton pests, but previous work has not determined if such mutations are associated with field-selected resistance to Bt cotton. Here we show that the most common resistance alleles in field populations of cotton bollworm, Helicoverpa armigera, selected with Bt cotton in northern China, had recessive cadherin mutations, including the deletion mutation identified via laboratory selection. However, unlike all previously studied cadherin resistance alleles, one field-selected cadherin resistance allele conferred nonrecessive resistance. We also detected nonrecessive resistance that was not genetically linked with the cadherin locus. In field-selected populations, recessive cadherin alleles accounted for 75–84% of resistance alleles detected. However, most resistance alleles occurred in heterozygotes and 59–94% of resistant individuals carried at least one nonrecessive resistance allele. The results suggest that resistance management strategies must account for diverse resistance alleles in field-selected populations, including nonrecessive alleles.

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