憑借一個突變，小菜蛾進化出穩定抗藥性

時間：2023-04-01 21:04:23來源：food欄目：餐飲美食新聞閱讀：

轉自：中國科學報

蘇云金芽胞桿菌（Bt）能產生多種殺蟲蛋白，高效特異的殺死多種宿主昆蟲。然而目前，全世界已經有9種重要的農業害蟲對Bt生物殺蟲劑或轉Bt基因抗蟲作物產生了抗藥性。

小菜蛾。中國農科院蔬菜所供圖

近日，中國農業科學院蔬菜花卉研究所研究員張友軍團隊研究了最早被報道對Bt生物殺蟲劑產生抗藥性的農業害蟲小菜蛾適應性進化的分子機制，首次揭示了由逆轉座子SE2介導的遺傳變異及其重塑的順式—反式調控網絡在小菜蛾對Bt病原菌產生抗性過程中的關鍵作用。

相關成果3月30日在線發表于《美國科學院院刊》（PNAS）。

適應性進化：聚焦轉座子

論文通訊作者張友軍告訴《中國科學報》，小菜蛾是一種世界性為害的重大農業害蟲，也是世界上第一個被報道在田間對Bt病原菌產生高抗性的宿主昆蟲，它完成了對Bt病原菌的適應性進化，是研究宿主昆蟲如何對抗Bt病原菌侵染的良好實驗材料。

此前的研究中，張友軍團隊發現，昆蟲激素含量升高會激活絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）信號途徑，而該途徑可以通過不同的轉錄因子反式調控小菜蛾多個中腸基因的差異性表達，最終導致宿主昆蟲小菜蛾對Bt病原菌進化產生高抗性。

然而，介導小菜蛾對Bt病原菌產生穩定高抗性的關鍵遺傳變異尚不明確。于是他們將研究重點關注在與宿主適應性進化密切相關的轉座子上。

論文第一兼共同通訊作者、蔬菜所研究員郭兆將告訴《中國科學報》，轉座子是一類可以在宿主基因組內自由移動的DNA元件。“轉座子介導的遺傳變異被認為是宿主適應性進化的主要動力，它廣泛參與了宿主許多重要的生理和發育過程，包括促進宿主對病原菌的免疫防御反應。”郭兆將說。

轉座子最早由美國諾貝爾獎得主、遺傳學家Barbara McClintock教授在玉米基因組中發現，根據轉座機制，可分為兩大類。

一類是依賴于“復制—粘貼”機制的逆轉座子，它們的遺傳信息先復制到RNA中間體上，然后再將RNA中間體反轉錄成cDNA，后者被“粘貼”整合至基因組的其它地方。

另一類是依賴于“剪切—粘貼”機制的DNA轉座子，它們以DNA為中間體，通過剪切和粘貼過程實現遺傳信息在基因組中的移動。

轉座子最開始被認為是沒有實際功能的“垃圾DNA序列”，事實上，轉座事件的發生在宿主進化過程中發揮著“雙刃劍”的作用。它可以通過破壞基因結構或重排染色體而誘發有害變異，也可以幫助宿主產生多種可以遺傳的適應性表型。

發現導致高抗性水平的逆轉座子

論文共同第一作者、蔬菜所博士后郭樂介紹，他們通過正向遺傳學的基因定位實驗發現，與Bt抗性表型顯著關聯的單核苷酸多態性位點和插入/缺失突變，主要位于MAPK信號途徑的關鍵基因MAP4K4的上游非編碼區。

隨后，他們在該非編碼區篩選鑒定出一個逆轉座子SE2的插入，且SE2在調控抗性MAP4K4啟動子活性中發揮了關鍵作用。遺傳連鎖實驗表明，逆轉座子SE2的插入與小菜蛾Bt抗性表型緊密連鎖。

為了在小菜蛾體內直接驗證SE2是否與Bt抗性相關，他們進一步利用CRISPR/Cas9技術在抗性小菜蛾種群中對SE2進行了敲除。

結果表明，在純合的SE2敲除種群中，MAP4K4及下游多個中腸基因的表達量恢復至與敏感種群類似，且該種群對Bt的抗性水平顯著下降。

“這進一步在體內證明了小菜蛾對Bt產生的高水平抗性與SE2的插入密切相關。”郭兆將說。

揭示逆轉座子重塑的調控網絡

此前已有研究表明，轉座子可以招募轉錄因子，以直接調控基因表達或重塑基因表達的調控網絡。與Bt抗性水平相關的逆轉座子SE2會不會也能調控基因表達呢？

論文共同第一作者、蔬菜所博士白楊介紹，該團隊發現逆轉座子SE2內部存在一個保守的轉錄因子FOXO響應元件。而FOXO在調控昆蟲的生長、發育及免疫等生理生化過程中發揮了重要作用。

他們經過多種實驗技術發現，在Bt抗性小菜蛾中，FOXO可以與SE2中保守的響應元件結合，而FOXO對Bt敏感小菜蛾MAP4K4的調控活性，主要是通過與啟動子中原始的響應元件結合。

而利用RNA干擾技術降低抗性小菜蛾種群中FOXO的表達量后，靶基因MAP4K4及中腸非Bt受體基因的表達量顯著下調，而Bt受體基因的表達量顯著上調，且干擾后的小菜蛾幼蟲對Bt敏感程度顯著增加。

該團隊前期研究已發現，昆蟲保幼激素(JH)和蛻皮激素(20E)含量升高及其串擾，可以增加小菜蛾MAP4K4基因的表達量，進而激活MAPK信號途徑。那么，轉錄因子FOXO在發揮對MAP4K4基因的調控活性時是否受昆蟲激素調節呢？

進一步實驗結果表明，兩種昆蟲激素可以通過改變FOXO磷酸化狀態，影響FOXO與逆轉座子SE2的結合，從而精準調控下游MAP4K4基因的轉錄水平。

在此基礎上，該研究提出了小菜蛾對Bt病原菌抗性進化過程中，由逆轉座子SE2這一自然遺傳變異重塑的調控網絡機制：Bt抗性小菜蛾的關鍵抗性基因MAP4K4上游啟動子區存在一個逆轉座子SE2的插入突變，SE2可以與FOXO轉錄因子結合，而昆蟲激素含量升高后，正好可以通過調控FOXO和SE2的結合而激活MAP4K4基因的過量表達，從而啟動下游MAPK信號途徑對不同中腸受體和非受體基因的反式調控機制，并最終導致小菜蛾在不影響正常發育的前提下對Bt生物殺蟲劑進化產生完美的高水平抗性。

張友軍說，研究結果為昆蟲Bt抗性分子機制闡明提供了全新的視角。基于這一發現設計的轉座子SE2的全長引物，可以廣泛用于田間小菜蛾Bt抗性的快速檢測，對延緩Bt抗性發展和害蟲的綜合治理具有重要意義。

相關論文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2300439120

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