小菜蛾幼蟲和成蟲 蔬菜花卉所供圖
小菜蛾Bt抗性分子機制的模式圖 蔬菜花卉所供圖
6月12日，《自然—通訊》創刊10年以來首次在線發表昆蟲Bt抗性研究領域的論文。中國農業科學院蔬菜花卉研究所研究員張友軍團隊發現，昆蟲激素水平升高可以激活MAPK信號途徑，反式調控多個中腸受體基因差異表達，從而導致小菜蛾對蘇云金芽胞桿菌（Bt）殺蟲蛋白Cry1Ac產生高抗性。
該研究在國際上首次揭示了經典的昆蟲激素可以參與昆蟲Bt抗性的新功能及其分子調控網絡，研究結果對于我國田間重大農業害蟲Bt抗性進化的監測預警和綜合治理，以及新型Bt生物殺蟲劑/轉Bt基因抗蟲作物的研發推廣和可持續應用，均具有重要的理論和實踐意義。
《自然》旗下生態和進化學術論壇邀請作者同步分享了研究背后的故事。
論文通訊作者張友軍介紹，小菜蛾是一種世界性危害的十字花科蔬菜作物重大害蟲，每年小菜蛾在全球造成的經濟損失高達40~50億美元，在我國造成的經濟損失也達到7.7億美元每年。
蘇云金芽胞桿菌是一種革蘭氏陽性細菌，它能產生多種殺蟲蛋白，可高效特異的殺死不同害蟲，而對人畜環境安全無害。目前，基于Bt殺蟲蛋白研發的Bt生物殺蟲劑和轉Bt基因抗蟲作物，為全世界化學殺蟲劑的減施、害蟲綠色防控和農產品質量安全做出了極大貢獻，并取得了空前巨大的經濟、社會和環境效益。
然而，昆蟲對Bt的快速抗性進化，嚴重威脅著Bt生物殺蟲劑和轉Bt基因抗蟲作物的研發推廣和可持續應用。
目前，至少已有9種重要農業害蟲在田間對 Bt產生了高抗性。其中，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，而其基因組的解析使其成為研究昆蟲對Bt抗性分子機制的理想材料。
過去10余年間，張友軍團隊先后建立了Bt敏感和多個Bt抗性的小菜蛾種群，包括對Bt殺蟲蛋白Cry1Ac 抗性5000倍的近等基因系種群。
前期，利用這些特異的實驗材料，通過生物化學、分子生物學和細胞生物學等技術手段，該團隊在國際上首次揭示了小菜蛾對Bt殺蟲蛋白Cry1Ac的高抗性與BtR-1抗性基因座內一個絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）信號途徑有關。
他們發現，MARK信號途徑中的關鍵基因MAP4K4，反式調控多個中腸受體基因差異表達，引起小菜蛾對Bt殺蟲蛋白的抗性。相關研究于2015年發表于《美國公共科學圖書館—遺傳學》（PLoS Genetics）。
在最新研究中，張友軍團隊在此基礎上進一步證實，MAPK信號途徑的確是反式調控小菜蛾不同中腸受體基因差異表達的“通用開關”。
論文第一作者兼共同通訊作者、蔬菜花卉所副研究員郭兆將說，在Bt蛋白高抗的小菜蛾中，蛻皮激素（20E）和保幼激素（JH）含量均顯著升高。它們之間的串擾可以激活MAPK信號途徑反式調控機制，使小菜蛾在維持正常生長發育的前提下對Bt殺蟲蛋白完美進化，從而產生高抗性。
張友軍研究員總結到，當昆蟲幼蟲進食Bt病原菌后，其中腸上皮細胞中保幼激素/蛻皮激素結合各自Met-Tai和EcR-USP異源二聚體受體復合物，啟動下游應答基因轉錄。保幼激素和蛻皮激素含量升高會激活下游MAPK信號途徑，進而操縱不同轉錄因子來調控多個中腸受體基因的差異表達，最終導致寄主昆蟲在不影響生長發育的前提下對Bt 殺蟲蛋白進化產生高抗性。
該項研究揭示了經典昆蟲激素迄今為止尚未發現的新功能，闡明了激素信號可塑性是生物抵御外界病原菌入侵的跨界通用策略。在該昆蟲激素串擾調控的“生長發育—免疫防御權衡”模型中，保幼激素和蛻皮激素相互拮抗，共同控制昆蟲生長發育和免疫防御等生理過程。
該研究得到了國家自然科學基金重點項目和青年科學基金項目以及中國農業科學院科技創新工程等項目資助。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-020-16608-8
https://natureecoevocommunity.nature.com/users/387087-zhaojiang-guo/posts/hormonal-regulation-of-bt-resistance-in-the-diamondback-moth
