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農業害蟲。然而，全世界已經有13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。
小菜蛾幼蟲。受訪者供圖
近日，中國農業科學院蔬菜花卉研究所研究員張友軍團隊破解了最早被報道對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，首次揭示了一個中腸轉錄調控環介導小菜蛾Bt抗性的調控機制。
相關成果7月14日在線發表于Cell旗下國際期刊《創新》（The Innovation）。
適應性進化的“舵手”：表觀遺傳與轉錄調控
論文通訊作者張友軍告訴《中國科學報》，小菜蛾是一種為害十字花科蔬菜的世界性重大農業害蟲，也是世界上第一個被報道在田間對Bt生物殺蟲劑產生高抗性的昆蟲，因此成為研究昆蟲如何對Bt生物殺蟲劑產生抗藥性的良好實驗材料。
此前的研究中，張友軍團隊發現，昆蟲蛻皮激素20E含量升高會激活小菜蛾絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）信號途徑，反式調控多個中腸基因差異表達，最終導致小菜蛾對Bt生物殺蟲劑進化產生高抗性。
“然而，Bt抗性小菜蛾蛻皮激素含量升高的調控機制尚不明確。于是我們將研究重點關注在與昆蟲蛻皮激素20E含量變化密切相關的表觀遺傳和轉錄調控上。”張友軍說。
論文第一作者兼共同通訊作者、蔬菜所研究員郭兆將告訴《中國科學報》，表觀遺傳學是指在不改變基因的DNA序列的情況下，基因功能發生了可遺傳的變化，最終導致表型的變化，包括非編碼RNA、DNA甲基化、組蛋白修飾和染色質重塑等。轉錄調控是基因表達調控的一部分，它決定哪些基因在何時、何地、以何種方式被表達，主要通過轉錄因子、啟動子區域、增強子和RNA聚合酶等直接調節基因轉錄。
miRNA：導致完美抗性的“開關”
郭兆將介紹，miRNA是真核生物中廣泛存在的一類長度為18~24個核苷酸的小型非編碼RNA分子，是一種重要的表觀遺傳調控因子。miRNA通過與信使RNA （mRNA）上的互補序列結合，抑制轉錄后基因表達，進而影響生物體內的多種生物學功能。
他們首先發現，miR-8545的表達量在小菜蛾Bt抗性種群中顯著升高。隨后，他們證明了miR-8545的升高與小菜蛾Bt抗性相關。
“為了驗證miR-8545是通過哪個靶基因介導小菜蛾Bt抗性，我們利用5個miRNA靶基因預測軟件，共獲得7個候選靶基因，其中僅有葡萄糖脫氫酶GLD基因（PxGLD）能夠與miR-8545直接結合，而且該基因在小菜蛾Bt抗性種群中表達量顯著降低。”郭兆將說。
為了探索該基因的表達量降低是否與小菜蛾Bt抗性相關，他們利用干擾技將該基因在敏感種群中進行沉默。結果發現，小菜蛾幼蟲對Bt殺蟲蛋白的敏感性顯著降低。表明小菜蛾中該基因的表達量降低與Bt抗性相關。
接下來，他們發現，將該基因在敏感種群中進行沉默后，蛻皮激素20E的含量顯著增加。同時，利用顯微注射將蛻皮激素20E注射到小菜蛾幼蟲體內后，PxGLD基因的表達量顯著增加。遺傳連鎖實驗也表明，PxGLD基因表達量降低與小菜蛾Bt抗性表型緊密連鎖。
解釋抗性“開關”的調控機制
論文共同第一作者、蔬菜所博士后朱流紅介紹，他們通過克隆miR-8545的啟動子序列并進行候選轉錄因子預測。
他們通過一系列實驗確定，轉錄因子PxDfd能夠與miR-8545的啟動子結合。將PxDfd基因在對bt殺蟲蛋白敏感的小菜蛾種群中進行沉默后發現，小菜蛾幼蟲對Bt殺蟲蛋白的敏感性顯著降低，這表明PxDfd基因的表達量降低與小菜蛾抗性相關。
朱流紅介紹，進一步研究證明，將蛻皮激素20E注射到小菜蛾幼蟲體內后，PxDfd和PxGLD的表達量均顯著增加，miR-8545的轉錄水平則顯著降低。結果表明，過量的20E可以通過負反饋機制抑制PxDfd/miR-8545/PxGLD調控軸。
該研究在國際上首次明確了中腸轉錄調控環介導小菜蛾Bt抗性的分子機制：即PxDfd表達水平的降低導致miR-8545表達量增加，從而抑制PxGLD基因的表達，進而引起Bt抗性小菜蛾體內20E含量顯著升高。
郭兆將說，為了避免蛻皮激素20E的過度升高影響小菜蛾正常生長發育，蛻皮激素20E含量升高后會通過負反饋調節機制抑制PxDfd基因的表達，確保小菜蛾中腸細胞中蛻皮激素20E含量的內穩態，從而組成了一個關鍵“調控護盾”，使小菜蛾在維持正常生長發育的前提下進化產生完美的Bt抗性表型。
張友軍說，該結果為昆蟲Bt抗性分子機制研究提供了全新的視角，對于田間害蟲Bt抗性監測預警和綜合治理具有重要的理論和實踐意義。
相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.xinn.2024.100675
