苏云金芽胞杆菌（Bt）能产生多种杀虫蛋白，高效特异的杀死多种农业害虫。然而，全世界已经有13种重要的农业害虫对Bt生物杀虫剂或转Bt基因抗虫作物产生了抗药性。
小菜蛾幼虫。受访者供图
近日，明升中国农业app院蔬菜花卉研究所研究员张友军团队破解了最早被报道对Bt生物杀虫剂产生抗药性的农业害虫小菜蛾适应性进化的分子机制，首次揭示了一个中肠转录调控环介导小菜蛾Bt抗性的调控机制。
相关成果7月14日在线发表于Cell旗下国际期刊《创新》（The Innovation）。
适应性进化的“舵手”：表观遗传与转录调控
论文通讯作者张友军告诉《明升中国app报》，小菜蛾是一种为害十字花科蔬菜的世界性重大农业害虫，也是世界上第一个被报道在田间对Bt生物杀虫剂产生高抗性的昆虫，因此成为研究昆虫如何对Bt生物杀虫剂产生抗药性的良好实验材料。
此前的研究中，张友军团队发现，昆虫蜕皮激素20E含量升高会激活小菜蛾丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号途径，反式调控多个中肠基因差异表达，最终导致小菜蛾对Bt生物杀虫剂进化产生高抗性。
“然而，Bt抗性小菜蛾蜕皮激素含量升高的调控机制尚不明确。于是我们将研究重点关注在与昆虫蜕皮激素20E含量变化密切相关的表观遗传和转录调控上。”张友军说。
论文第一作者兼共同通讯作者、蔬菜所研究员郭兆将告诉《明升中国app报》，表观遗传学是指在不改变基因的DNA序列的情况下，基因功能发生了可遗传的变化，最终导致表型的变化，包括非编码RNA、DNA甲基化、组蛋白修饰和染色质重塑等。转录调控是基因表达调控的一部分，它决定哪些基因在何时、何地、以何种方式被表达，主要通过转录因子、启动子区域、增强子和RNA聚合酶等直接调节基因转录。
miRNA：导致完美抗性的“开关”
郭兆将介绍，miRNA是真核生物中广泛存在的一类长度为18~24个核苷酸的小型非编码RNA分子，是一种重要的表观遗传调控因子。miRNA通过与信使RNA （mRNA）上的互补序列结合，抑制转录后基因表达，进而影响生物体内的多种生物学功能。
他们首先发现，miR-8545的表达量在小菜蛾Bt抗性种群中显著升高。随后，他们证明了miR-8545的升高与小菜蛾Bt抗性相关。
“为了验证miR-8545是通过哪个靶基因介导小菜蛾Bt抗性，我们利用5个miRNA靶基因预测软件，共获得7个候选靶基因，其中仅有葡萄糖脱氢酶GLD基因（PxGLD）能够与miR-8545直接结合，而且该基因在小菜蛾Bt抗性种群中表达量显著降低。”郭兆将说。
为了探索该基因的表达量降低是否与小菜蛾Bt抗性相关，他们利用干扰技将该基因在敏感种群中进行沉默。结果发现，小菜蛾幼虫对Bt杀虫蛋白的敏感性显著降低。表明小菜蛾中该基因的表达量降低与Bt抗性相关。
接下来，他们发现，将该基因在敏感种群中进行沉默后，蜕皮激素20E的含量显著增加。同时，利用显微注射将蜕皮激素20E注射到小菜蛾幼虫体内后，PxGLD基因的表达量显著增加。遗传连锁实验也表明，PxGLD基因表达量降低与小菜蛾Bt抗性表型紧密连锁。
解释抗性“开关”的调控机制
论文共同第一作者、蔬菜所博士后朱流红介绍，他们通过克隆miR-8545的启动子序列并进行候选转录因子预测。
他们通过一系列实验确定，转录因子PxDfd能够与miR-8545的启动子结合。将PxDfd基因在对bt杀虫蛋白敏感的小菜蛾种群中进行沉默后发现，小菜蛾幼虫对Bt杀虫蛋白的敏感性显著降低，这表明PxDfd基因的表达量降低与小菜蛾抗性相关。
朱流红介绍，进一步研究证明，将蜕皮激素20E注射到小菜蛾幼虫体内后，PxDfd和PxGLD的表达量均显著增加，miR-8545的转录水平则显著降低。结果表明，过量的20E可以通过负反馈机制抑制PxDfd/miR-8545/PxGLD调控轴。
该研究在国际上首次明确了中肠转录调控环介导小菜蛾Bt抗性的分子机制：即PxDfd表达水平的降低导致miR-8545表达量增加，从而抑制PxGLD基因的表达，进而引起Bt抗性小菜蛾体内20E含量显著升高。
郭兆将说，为了避免蜕皮激素20E的过度升高影响小菜蛾正常生长发育，蜕皮激素20E含量升高后会通过负反馈调节机制抑制PxDfd基因的表达，确保小菜蛾中肠细胞中蜕皮激素20E含量的内稳态，从而组成了一个关键“调控护盾”，使小菜蛾在维持正常生长发育的前提下进化产生完美的Bt抗性表型。
张友军说，该结果为昆虫Bt抗性分子机制研究提供了全新的视角，对于田间害虫Bt抗性监测预警和综合治理具有重要的理论和实践意义。（来源：明升中国app报 李晨）
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