近日，中國農業科學院蔬菜花卉研究所張友軍團隊成功揭示了氨基肽酶N（APN1和APN3a）與ABC轉運蛋白（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作用模式，該研究結果對于深入解析Bt殺蟲蛋白分子毒理機制/昆蟲Bt抗性分子機制以及Bt生物技術產品的研發和可持續利用具有重要的理論和實踐意義。相關內容以“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業害蟲，每年在全球造成的經濟損失高達40-50億美元。基于蘇云金芽胞桿菌（Bt）不同殺蟲蛋白研發的生物殺蟲劑和轉基因作物被廣泛應用于田間害蟲綠色防控并取得了巨大的經濟、社會和生態效益。然而，昆蟲對Bt抗性快速進化嚴重威脅著Bt生物技術產品的推廣和可持續應用。因此，揭示Bt殺蟲蛋白分子毒理機制/昆蟲Bt抗性分子機制至關重要。盡管研究已經表明Bt殺蟲蛋白分子毒理作用和昆蟲Bt抗性形成的關鍵在于Bt殺蟲蛋白和不同中腸受體間互作環節，然而，目前不同中腸Bt受體間分子互作模式仍不清楚，導致Bt分子毒理機制/昆蟲Bt抗性分子機制仍然存在較大爭議。
小菜蛾是最早也是目前唯一被報道在田間對Bt生物殺蟲劑產生高抗性的農業害蟲，是研究Bt殺蟲蛋白分子毒理機制/昆蟲Bt抗性分子機制的模式材料。張友軍團隊已經開展小菜蛾對Bt殺蟲蛋白抗性分子機制研究20余年，其間先后建立了Bt敏感和多個Bt抗性的小菜蛾種群。前期研究結果證實小菜蛾昆蟲激素含量升高及其串擾可以激活MAPK信號途徑通過不同轉錄因子反式調控多個中腸受體和非受體同源基因的差異表達，從而導致小菜蛾在無任何適合度代價的情況下對Bt殺蟲蛋白Cry1Ac形成完美的高抗性。相關研究結果相繼發表于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）”，并被農業農村部遴選為“2021中國農業科學十項重大進展”。
張友軍團隊利用實驗室前期建立的小菜蛾CRISPR/Cas9基因編輯體系，已經在小菜蛾活體內驗證了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上，進一步利用CRISPR/Cas9技術構建了一系列純合的多基因敲除種群。包括兩個雙基因敲除種群和一個遺傳雜交的四基因敲除種群。兩個雙基因敲除種群分別對Bt Cry1Ac殺蟲蛋白產生4482倍（同時敲除ABCC2和ABCC3基因）和1425倍（同時敲除APN1和APN3a基因）的高抗性，而令人驚奇的是，由這兩個雙基因敲除種群雜交產生的四基因敲除種群則對Cry1Ac殺蟲蛋白產生了>34000倍的極高抗性。該研究結果表明在所有這四個基因均存在的情況下，Bt Cry1Ac殺蟲蛋白才可發揮最高的殺蟲效力，而且，這四個受體基因在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證明了昆蟲中腸APN受體在Bt殺蟲蛋白中發揮的重要作用，同時也揭示了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。
張友軍團隊的博士后孫丹、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代農業實驗室科研項目、國家自然科學基金優青和面上項目以及中國農業科學院科技創新工程等項目資助。
