近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所張友軍研究員領(lǐng)銜的蔬菜蟲害防控創(chuàng)新團(tuán)隊在小菜蛾Bt抗性遺傳調(diào)控機(jī)制研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展。該研究發(fā)現(xiàn)了介導(dǎo)小菜蛾Bt抗性的關(guān)鍵自然變異為抗性關(guān)鍵基因MAP4K4上游非編碼區(qū)一個逆轉(zhuǎn)座子SE2的插入突變，并闡明以SE2為樞紐的Bt抗性調(diào)控網(wǎng)絡(luò)機(jī)制。相關(guān)內(nèi)容以“Retrotransposon-mediated evolutionary rewiring of a pathogen response orchestrates a resistance phenotype in an insect host”為題在線發(fā)表于發(fā)表在《美國科學(xué)院院刊（PNAS）》上。
小菜蛾是一種為害十字花科蔬菜作物的世界性重大農(nóng)業(yè)害蟲，取食為害后的蔬菜品質(zhì)和產(chǎn)量急劇下降，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。目前，田間防治小菜蛾主要靠使用殺蟲劑，而小菜蛾又十分容易對各種殺蟲劑產(chǎn)生抗藥性，因此，小菜蛾的有效防治成為了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中老大難的問題。蘇云金芽胞桿菌（Bt）是一種土壤中常見的細(xì)菌，對許多害蟲具有毒殺作用，基于Bt菌研發(fā)的殺蟲劑或轉(zhuǎn)基因作物對環(huán)境友好且靶標(biāo)特異，被廣泛應(yīng)用于害蟲防治。然而，隨著Bt殺蟲劑的不合理使用及Bt轉(zhuǎn)基因作物大面積的推廣，害蟲很快對這種生物防治產(chǎn)品產(chǎn)生了抗藥性。小菜蛾是第一個在田間被報道對Bt制劑產(chǎn)生高水平抗性的農(nóng)業(yè)害蟲，科學(xué)家們以小菜蛾為研究對象，對害蟲Bt抗藥性的機(jī)制展開了深入研究，取得了豐碩的研究成果。然而，關(guān)于小菜蛾對Bt殺蟲劑產(chǎn)生抗性的分子機(jī)制研究中，仍有許多懸而未決的科學(xué)問題。
張友軍團(tuán)隊前期研究發(fā)現(xiàn)，昆蟲保幼激素（JH）和蛻皮激素（20E）含量升高及其串?dāng)_可以轉(zhuǎn)錄激活小菜蛾BtR-1抗性基因座內(nèi)絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）信號途徑，介導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控下游中腸基因差異表達(dá)，使小菜蛾既可以對Bt殺蟲劑產(chǎn)生高水平抗性，又不影響種群的生長發(fā)育。相關(guān)研究成果先后發(fā)表于PLoS Genetics（2015，2022）、Nature Communications（2020，2022）、PLoS Pathogens（2021）和BMC Biology（2022）等國際著名期刊。
在本研究中，張友軍團(tuán)隊進(jìn)一步利用基因定位等技術(shù)，鑒定了與小菜蛾Bt抗性顯著相關(guān)的自然遺傳變異。MAP4K4基因啟動區(qū)中一個逆轉(zhuǎn)座子SE2的插入突變顯著調(diào)控了MAP4K4基因的轉(zhuǎn)錄活性，且與小菜蛾Bt抗性緊密連鎖。研究表明，SE2的核苷酸序列中存在一個轉(zhuǎn)錄因子FOXO的結(jié)合位點，F(xiàn)OXO在昆蟲激素的調(diào)控下與SE2中的結(jié)合位點結(jié)合，二者協(xié)同調(diào)控靶標(biāo)基因MAP4K4表達(dá)量組成性升高，從而激活MAPK信號途徑調(diào)控下游中腸基因差異表達(dá)，使小菜蛾對Bt產(chǎn)生穩(wěn)定可遺傳的高抗性表型。
研究結(jié)果系統(tǒng)闡明了以逆轉(zhuǎn)座子SE2這一關(guān)鍵遺傳變異介導(dǎo)的Bt抗性分子遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為害蟲殺蟲劑抗性分子機(jī)制研究提供了全新的思路。該研究中鑒定的SE2遺傳變異可以用于田間小菜蛾Bt抗性水平的實時快速監(jiān)測，為田間指導(dǎo)Bt殺蟲劑的合理使用提供了重要依據(jù)。
我所郭兆將研究員、郭樂博士后、白楊博士為本論文共同第一作者。郭兆將研究員和張友軍研究員為論文的共同通訊作者。該研究得到國家基金優(yōu)青、創(chuàng)新研究群體以及中國農(nóng)科院科技創(chuàng)新工程等項目資助。
相關(guān)論文信息：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2300439120
