中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所張友軍團(tuán)隊(duì)揭示小菜蛾不同中腸Bt受體間分子互作模式

　　近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所張友軍團(tuán)隊(duì)成功揭示了氨基肽酶N（APN1和APN3a）與ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（ABCC2和ABCC3）這兩類不同中腸Bt受體參與小菜蛾Bt Cry1Ac殺蟲蛋白抗性的功能冗余性及其互補(bǔ)作用模式，該研究結(jié)果對于深入解析Bt殺蟲蛋白分子毒理機(jī)制/昆蟲Bt抗性分子機(jī)制以及Bt生物技術(shù)產(chǎn)品的研發(fā)和可持續(xù)利用具有重要的理論和實(shí)踐意義。相關(guān)內(nèi)容以“A versatile contribution of both aminopeptidases N and ABC transporters to Bt Cry1Ac toxicity in the diamondback moth”為題在線發(fā)表于國際著名期刊BMC Biology上。

 

　　小菜蛾是一種世界性危害的十字花科蔬菜和作物的重大農(nóng)業(yè)害蟲，每年在全球造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)40-50億美元?；谔K云金芽胞桿菌（Bt）不同殺蟲蛋白研發(fā)的生物殺蟲劑和轉(zhuǎn)基因作物被廣泛應(yīng)用于田間害蟲綠色防控并取得了巨大的經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)效益。然而，昆蟲對Bt抗性快速進(jìn)化嚴(yán)重威脅著Bt生物技術(shù)產(chǎn)品的推廣和可持續(xù)應(yīng)用。因此，揭示Bt殺蟲蛋白分子毒理機(jī)制/昆蟲Bt抗性分子機(jī)制至關(guān)重要。盡管研究已經(jīng)表明Bt殺蟲蛋白分子毒理作用和昆蟲Bt抗性形成的關(guān)鍵在于Bt殺蟲蛋白和不同中腸受體間互作環(huán)節(jié)，然而，目前不同中腸Bt受體間分子互作模式仍不清楚，導(dǎo)致Bt分子毒理機(jī)制/昆蟲Bt抗性分子機(jī)制仍然存在較大爭議。

 

　　小菜蛾是最早也是目前唯一被報(bào)道在田間對Bt生物殺蟲劑產(chǎn)生高抗性的農(nóng)業(yè)害蟲，是研究Bt殺蟲蛋白分子毒理機(jī)制/昆蟲Bt抗性分子機(jī)制的模式材料。張友軍團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開展小菜蛾對Bt殺蟲蛋白抗性分子機(jī)制研究20余年，其間先后建立了Bt敏感和多個(gè)Bt抗性的小菜蛾種群。前期研究結(jié)果證實(shí)小菜蛾昆蟲激素含量升高及其串?dāng)_可以激活MAPK信號途徑通過不同轉(zhuǎn)錄因子反式調(diào)控多個(gè)中腸受體和非受體同源基因的差異表達(dá)，從而導(dǎo)致小菜蛾在無任何適合度代價(jià)的情況下對Bt殺蟲蛋白Cry1Ac形成完美的高抗性。相關(guān)研究結(jié)果相繼發(fā)表于PLoS Genetics（2015年，2022年）、Nature Communications （2020年）和PLoS Pathogens（2021年）等國際著名期刊，被國外同行專家評論為“里程碑意義研究論文（Landmark Paper）”，并被農(nóng)業(yè)農(nóng)村部遴選為“2021中國農(nóng)業(yè)科學(xué)十項(xiàng)重大進(jìn)展”。

 

　　張友軍團(tuán)隊(duì)利用實(shí)驗(yàn)室前期建立的小菜蛾CRISPR/Cas9基因編輯體系，已經(jīng)在小菜蛾活體內(nèi)驗(yàn)證了APN1/APN3a/ABCC2/ABCC3可以作為Bt Cry1Ac殺蟲蛋白的功能受體，然而，這些受體如何相互作用并參與小菜蛾Bt抗性仍不清楚。本研究在該前期研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用CRISPR/Cas9技術(shù)構(gòu)建了一系列純合的多基因敲除種群。包括兩個(gè)雙基因敲除種群和一個(gè)遺傳雜交的四基因敲除種群。兩個(gè)雙基因敲除種群分別對Bt Cry1Ac殺蟲蛋白產(chǎn)生4482倍（同時(shí)敲除ABCC2和ABCC3基因）和1425倍（同時(shí)敲除APN1和APN3a基因）的高抗性，而令人驚奇的是，由這兩個(gè)雙基因敲除種群雜交產(chǎn)生的四基因敲除種群則對Cry1Ac殺蟲蛋白產(chǎn)生了>34000倍的極高抗性。該研究結(jié)果表明在所有這四個(gè)基因均存在的情況下，Bt Cry1Ac殺蟲蛋白才可發(fā)揮最高的殺蟲效力，而且，這四個(gè)受體基因在Bt分子毒理作用模型中具有明顯的功能冗余性。本研究不僅在國際上首次提供直接證據(jù)證明了昆蟲中腸APN受體在Bt殺蟲蛋白中發(fā)揮的重要作用，同時(shí)也揭示了Bt分子毒理作用模型中昆蟲不同中腸Bt受體間分子互作模式。

 

　　張友軍團(tuán)隊(duì)的博士后孫丹、博士生朱流紅和郭樂為本論文的共同第一作者，郭兆將研究員與張友軍研究員為本論文的共同通訊作者。該研究得到了嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)室科研項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金優(yōu)青和面上項(xiàng)目以及中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程等項(xiàng)目資助。

 

　　原文鏈接：https://doi.org/10.1186/s12915-022-01226-1