昆虫如何对Bt杀虫蛋白产生抗性？我科学家发现关键环节

光明网讯（记者 宋雅娟 张蕃） 近日，中国农业科学院蔬菜花卉研究所张友军团队成功揭示了氨基肽酶N（APN1和APN3a）与ABC转运蛋白（ABCC2和ABCC3）这两类不同中肠Bt受体参与小菜蛾Bt Cry1Ac杀虫蛋白抗性的功能冗余性及其互补作用模式，该研究结果对于深入解析Bt杀虫蛋白分子毒理机制/昆虫Bt抗性分子机制以及Bt生物技术产品的研发和可持续利用具有重要的理论和实践意义。相关内容以“A versatile contribution of both aminopeptidases N and ABC transporters to Bt Cry1Ac toxicity in the diamondback moth”为题在线发表于国际著名期刊BMC Biology上。

小菜蛾是一种世界性危害的十字花科蔬菜和作物的重大农业害虫，每年在全球造成的经济损失高达40-50亿美元。基于苏云金芽胞杆菌（Bt）不同杀虫蛋白研发的生物杀虫剂和转基因作物被广泛应用于田间害虫绿色防控并取得了巨大的经济、社会和生态效益。然而，昆虫对Bt抗性快速进化严重威胁着Bt生物技术产品的推广和可持续应用。因此，揭示Bt杀虫蛋白分子毒理机制/昆虫Bt抗性分子机制至关重要。尽管研究已经表明Bt杀虫蛋白分子毒理作用和昆虫Bt抗性形成的关键在于Bt杀虫蛋白和不同中肠受体间互作环节，然而，目前不同中肠Bt受体间分子互作模式仍不清楚，导致Bt分子毒理机制/昆虫Bt抗性分子机制仍然存在较大争议。

小菜蛾是最早也是目前唯一被报道在田间对Bt生物杀虫剂产生高抗性的农业害虫，是研究Bt杀虫蛋白分子毒理机制/昆虫Bt抗性分子机制的模式材料。张友军团队已经开展小菜蛾对Bt杀虫蛋白抗性分子机制研究20余年，其间先后建立了Bt敏感和多个Bt抗性的小菜蛾种群。前期研究结果证实小菜蛾昆虫激素含量升高及其串扰可以激活MAPK信号途径通过不同转录因子反式调控多个中肠受体和非受体同源基因的差异表达，从而导致小菜蛾在无任何适合度代价的情况下对Bt杀虫蛋白Cry1Ac形成完美的高抗性。相关研究结果相继发表于PLoS Genetics（2015年，2022年）、Nature Communications （2020年）和PLoS Pathogens（2021年）等国际著名期刊，被国外同行专家评论为“里程碑意义研究论文（Landmark Paper）”，并被农业农村部遴选为“2021中国农业科学十项重大进展”。

张友军团队利用实验室前期建立的小菜蛾CRISPR/Cas9基因编辑体系，已经在小菜蛾活体内验证了APN1/APN3a/ABCC2/ABCC3可以作为Bt Cry1Ac杀虫蛋白的功能受体，然而，这些受体如何相互作用并参与小菜蛾Bt抗性仍不清楚。本研究在该前期研究基础上，进一步利用CRISPR/Cas9技术构建了一系列纯合的多基因敲除种群。包括两个双基因敲除种群和一个遗传杂交的四基因敲除种群。两个双基因敲除种群分别对Bt Cry1Ac杀虫蛋白产生4482倍（同时敲除ABCC2和ABCC3基因）和1425倍（同时敲除APN1和APN3a基因）的高抗性，而令人惊奇的是，由这两个双基因敲除种群杂交产生的四基因敲除种群则对Cry1Ac杀虫蛋白产生了>34000倍的极高抗性。该研究结果表明在所有这四个基因均存在的情况下，Bt Cry1Ac杀虫蛋白才可发挥最高的杀虫效力，而且，这四个受体基因在Bt分子毒理作用模型中具有明显的功能冗余性。本研究不仅在国际上首次提供直接证据证明了昆虫中肠APN受体在Bt杀虫蛋白中发挥的重要作用，同时也揭示了Bt分子毒理作用模型中昆虫不同中肠Bt受体间分子互作模式。

张友军团队的博士后孙丹、博士生朱流红和郭乐为本论文的共同第一作者，郭兆将研究员与张友军研究员为本论文的共同通讯作者。该研究得到了岭南现代农业实验室科研项目、国家自然科学基金优青和面上项目以及中国农业科学院科技创新工程等项目资助。