BMC生物学:揭示小菜蛾不同中肠Bt受体之间的分子相互作用模式

来源：中国农业科学院蔬菜花卉研究所2022-02-11 18:03

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参与小菜蛾Bt Cry1Ac杀虫蛋白抗性的两种不同中肠Bt受体——氨肽酶N(APN1和APN3a)和ABC转运蛋白(abc2和abc3)的功能冗余和互补模式。研究结果对深入分析Bt杀虫蛋白的分子毒理机制/昆虫抗Bt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意义。

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参与小菜蛾Bt Cry1Ac杀虫蛋白抗性的两种不同中肠Bt受体——氨肽酶N(APN1和APN3a)和ABC转运蛋白(abc2和abc3)的功能冗余和互补模式。该研究成果对深入分析Bt杀虫蛋白/昆虫抗Bt分子机制的分子毒理机制以及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。相关内容在线发表在国际知名期刊《BMC Biology》上，标题为“氨基肽酶n和ABC转运蛋白对钻石背母体内Bt cry 1 AC毒性的普遍贡献”。

小菜蛾是世界范围内十字花科蔬菜和农作物的主要农业害虫，每年给世界造成高达40-50亿美元的经济损失。基于苏云金芽孢杆菌不同杀虫蛋白的生物杀虫剂和转基因作物已广泛应用于田间害虫的绿色防治，取得了巨大的经济、社会和生态效益。然而，昆虫对Bt抗性的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杀虫蛋白的分子毒理机制/昆虫抗Bt的分子机制非常重要。尽管有研究表明，Bt杀虫蛋白分子毒理学和昆虫Bt抗性形成的关键在于Bt杀虫蛋白与不同中肠受体的相互作用，但目前不同中肠Bt受体之间的分子相互作用模式仍不清楚，这导致人们对Bt的分子毒理学机制和昆虫Bt抗性的分子机制存在较大争议。

小菜蛾是目前田间报道最早也是唯一一种对Bt生物农药具有高度抗性的农业害虫，是研究Bt杀虫蛋白分子毒理机制/昆虫抗Bt分子机制的模式材料。张友军团队20多年来一直在研究小菜蛾抗Bt杀虫蛋白的分子机制，期间建立了多个对Bt敏感和抗Bt的小菜蛾种群。此前的研究结果证实，小菜蛾体内昆虫激素含量和串音的增加，可以激活MAPK信号通路，通过不同的转录因子反式调节多个中肠受体和非受体同源基因的差异表达，从而导致小菜蛾对Bt杀虫蛋白Cry1Ac完美的高抗性，而不需要任何适应成本。相关研究成果先后在《公共科学图书馆遗传学》(2015、2022)、《自然通讯》(2020)、《公共科学图书馆病原体》(2021)等国际知名期刊发表，被国外同行专家评为“标志性论文”，被农业农村部评选为“2021年中国农业科学十大进展”。

张友军团队利用实验室前期建立的CRISPR/Cas9基因编辑系统，在体内验证了APN1/APN3a/ABCC2/ABCC3可以作为Bt Cry1Ac杀虫蛋白在小菜蛾体内的功能受体。然而，这些受体如何相互作用并参与小菜蛾的抗虫性仍不清楚。本研究在前期研究的基础上，进一步利用CRISPR/Cas9技术构建了一系列纯合多基因敲除群体。包括两个双基因敲除群体和一个杂交四基因敲除群体。两个双基因敲除群体分别对Bt Cry1Ac杀虫蛋白产生4482次(ABCC2和ABCC3基因同时被敲除)和1425次(APN1和APN3a基因同时被敲除)高抗性。令人惊讶的是，两个双基因敲除群体杂交产生的四个基因敲除群体对Cry1Ac杀虫蛋白产生了34000倍的高抗性。结果表明，Bt Cry1Ac杀虫蛋白只有在4个基因都存在的情况下才能发挥最高的杀虫效力，并且这4个受体基因在Bt分子毒理学模型中具有明显的功能冗余。该研究不仅在国际上首次为证明中肠APN受体在Bt杀虫蛋白中的重要作用提供了直接证据，而且揭示了Bt分子毒理学模型中不同中肠Bt受体之间的分子相互作用模式。(100yiyao.com)

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