基因搜索揭示全球棉花抗蟲關(guān)鍵

在農(nóng)民和昆蟲之間無休止的戰(zhàn)爭的最新戰(zhàn)役中，這些昆蟲正在適應(yīng)通過基因工程殺死它們的莊稼。

發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上的一項(xiàng)新研究發(fā)現(xiàn)了一種顯性基因突變，這種突變使棉鈴蟲幼蟲對(duì)工程棉花產(chǎn)生了抗性，棉鈴蟲是世界上最具破壞性的農(nóng)作物害蟲之一?；蚪M學(xué)和基因編輯在這項(xiàng)研究中的前沿應(yīng)用標(biāo)志著全球努力促進(jìn)更可持續(xù)的害蟲控制的新時(shí)代。

棉花、玉米和大豆已經(jīng)被基因工程改造，從廣泛存在的土壤細(xì)菌蘇云金桿菌或Bt中產(chǎn)生殺蟲蛋白。這些環(huán)保的Bt蛋白對(duì)人類和野生動(dòng)物(包括蜜蜂)無毒，50多年來一直被有機(jī)種植者用作噴霧劑，也是全球數(shù)百萬農(nóng)民種植的工程Bt作物，1996年累計(jì)總面積超過20億畝。

來自亞利桑那大學(xué)、田納西大學(xué)和中國南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的昆蟲學(xué)家合作進(jìn)行了這項(xiàng)由三部分組成的研究。他們的目標(biāo)是確定使Bt對(duì)棉鈴蟲產(chǎn)生抗性的突變，并精確編輯一個(gè)棉鈴蟲基因，以證明這種突變導(dǎo)致了抗性，并找出這種抗性是如何在中國的棉田中傳播的。

“這是一個(gè)非凡的偵探故事，”UA昆蟲學(xué)系Regents教授、該研究的合著者布魯斯塔巴什尼克(Bruce Tabashnik)說?！皼]有基因技術(shù)的最新發(fā)展，就不可能發(fā)現(xiàn)單個(gè)DNA堿基對(duì)的變化，這將導(dǎo)致棉鈴蟲基因組上億個(gè)堿基對(duì)的抗性?！?

多年來，科學(xué)家們已經(jīng)知道昆蟲可以進(jìn)化出對(duì)Bt蛋白的抗性，就像它們對(duì)傳統(tǒng)殺蟲劑的抗性一樣。但是，在之前幾乎所有的情況下，Bt抗性都是隱性遺傳。這意味著昆蟲必須有兩個(gè)拷貝的抗性基因——每個(gè)父母一個(gè)——這樣它們才能吃Bt作物并在上面生存。

為了抵抗抗性，農(nóng)民為非Bt作物種植庇護(hù)所，在那里易受感染的昆蟲可以茁壯成長。這個(gè)想法是，稀有的抗性昆蟲將與避難所中更敏感的昆蟲交配，產(chǎn)生只有一個(gè)抗性基因拷貝的后代。由于隱性遺傳抗性，這個(gè)后代不能在Bt作物上生存。

雖然避難所不能完全阻止抵抗的進(jìn)化，但它們可以被大大推遲——尤其是當(dāng)?shù)挚故请[性的時(shí)候。

然而，在中國，報(bào)告稱對(duì)主要棉鈴蟲Bt的抗性正在上升。顯性突變只有一個(gè)拷貝使棉鈴蟲產(chǎn)生抗性。

由于顯性抗Bt的遺傳基礎(chǔ)此前未知，研究人員不得不仔細(xì)檢查棉鈴蟲的全基因組，以找到罪魁禍?zhǔn)?。通過比較抗性和敏感棉鈴蟲的DNA，他們將搜索范圍從17000個(gè)基因縮小到只有21個(gè)與抗性相關(guān)的基因區(qū)域。

“但是這些基因中只有17個(gè)可以編碼毛毛蟲產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，”塔巴斯尼克說，他解釋說只有棉鈴蟲毛毛蟲才能被Bt蛋白殺死。

Tabashnik說：“比較菌株間17個(gè)基因的序列，只有一個(gè)一致的差異?！坝幸粋€(gè)位置，所有抗性棉鈴蟲都有一個(gè)DNA堿基對(duì)，所有感病棉鈴蟲都有不同的DNA堿基對(duì)?！?

這個(gè)關(guān)鍵堿基對(duì)位于一個(gè)新發(fā)現(xiàn)的名為HaTSPAN1的基因中，該基因編碼一種四跨膜蛋白——一種有四個(gè)跨細(xì)胞膜片段的蛋白。雖然HaTSPAN1的正常功能尚不清楚，但許多其他跨膜蛋白在細(xì)胞間通訊中很重要。盡管之前已經(jīng)有近3萬個(gè)關(guān)于Bt或四膜蛋白的研究，但這項(xiàng)新研究首次發(fā)現(xiàn)了它們之間的密切關(guān)系。

鑒定突變堿基對(duì)的第二個(gè)挑戰(zhàn)是確定這種單一突變是否導(dǎo)致抗性。為了找到答案，研究團(tuán)隊(duì)使用基因編輯工具CRISPR來精確改變HaTSPAN1基因。當(dāng)抗性棉鈴蟲的基因被破壞時(shí)，它們對(duì)Bt變得完全敏感。相反，當(dāng)突變插入敏感棉鈴蟲的DNA時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生抗性——證明僅這一個(gè)堿基對(duì)的改變就會(huì)導(dǎo)致抗性。

最后一步是在田間驗(yàn)證這種突變有助于抗蟲棉抗性的假設(shè)。通過對(duì)2006年至2016年收集的數(shù)千份保存的棉鈴蟲DNA突變進(jìn)行篩選，研究人員發(fā)現(xiàn)突變頻率增加了100倍，從千分之一增加到十分之一。

對(duì)棉鈴蟲的抗性不足以顯著降低我國棉花產(chǎn)量，但顯性基因傳播速度快于其他抗性基因。Tabashnik的分析預(yù)測，如果目前的趨勢繼續(xù)下去，中國北方一半的棉鈴蟲將在五年內(nèi)產(chǎn)生這種突變引起的抗性。

尼克說：“如果事情繼續(xù)沿著同樣的軌跡發(fā)展，那么這種突變會(huì)給這個(gè)領(lǐng)域的農(nóng)民帶來問題?！?

然而，中國農(nóng)民改變策略，抵制Bt抵抗還為時(shí)過早。該報(bào)提到，他們可以從只生產(chǎn)一種Bt蛋白的棉花，變成美國和澳大利亞種植的棉花，生產(chǎn)兩種或三種不同的Bt蛋白。Tabashnik希望這項(xiàng)新研究能夠促進(jìn)農(nóng)民的可持續(xù)發(fā)展。

尼克說：“它為他們提供了信息，以便在為時(shí)已晚之前做出建設(shè)性和積極的決定?！?

通過每年對(duì)害蟲種群進(jìn)行采樣，農(nóng)民和研究人員可以知道哪種方法在預(yù)防抗藥性方面最有效。

了解棉鈴蟲的抗藥性具有全球意義，因?yàn)樗l(fā)生在150多個(gè)國家，現(xiàn)在可能入侵美國。

>“在澳大利亞，和巴西的棉鈴蟲中篩選這種突變將會(huì)很有意思，”南京農(nóng)業(yè)大學(xué)昆蟲學(xué)教授Yidong Wu說。

當(dāng)然，掃描基因組的技術(shù)不限于一種作物害蟲。

“數(shù)據(jù)顯示，基因組掃描不僅有助于監(jiān)測Bt的抗性進(jìn)化，而且對(duì)于一般的殺蟲劑也有幫助。”Fred Gould說，他沒有參與這項(xiàng)研究，但是北卡羅來納州立大學(xué)昆蟲學(xué)教授和成員美國國家科學(xué)院院士。