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棉铃虫显性抗性突变被找到

  在一场农民和棉铃虫之间无休止的战争中,棉铃虫通过适应基因工程来反击。

  日前,发表在《美国国家科学院院刊》上的一项新研究发现了一种显性遗传突变,这种突变使世界上最具破坏性的作物害虫之一的棉铃虫的毛虫对转基因棉花产生抗性。在基因组学和基因编辑的前沿应用上,这项研究标志着全球致力于促进更可持续的害虫控制新时代的到来。

  50多年来,全世界数百万农民种植了工程化Bt作物,仅自1996年以来累计种植面积就超过20亿英亩。棉铃虫是一种全球性重大害虫,为害棉花、玉米、大豆等多种农作物,种植表达Cry1Ac蛋白的Bt棉可以有效控制棉铃虫种群。

  但是,在Bt棉长期选择压力下,棉铃虫能进化出多种类型的抗性基因,使其抗虫效率显著下降甚至完全丧失。

  美国亚利桑那大学、田纳西大学和中国南京农业大学的昆虫学家合作进行了这项由三部分组成的研究。研究人员发现一种四跨膜蛋白编码基因(HaTSPAN1)通过点突变(L31S)导致棉铃虫对Bt杀虫蛋白Cry1Ac产生显性抗性。

  “这是一个了不起的侦探故事。”合作作者、亚利桑那大学教授Bruce Tabashnik表示,“如果没有遗传技术的最新进展,就不可能发现单个DNA碱基对的改变导致棉铃虫基因组中数以亿计的碱基对产生抗性。”

  通讯作者、南京农业大学吴益东团队针对我国棉铃虫对Bt棉抗性的发生和发展规律开展了系统研究和探索,取得了多项标志性成果。通过遗传筛查揭示了我国棉铃虫田间种群存在Bt抗性遗传多样性;通过系统监测及计算机模拟明确了天然庇护所抗性治理策略可以有效延缓隐性抗性,但显性抗性将加速进化。吴益东告诉记者,这次的研究成果发现了导致棉铃虫Bt显性抗性产生的一种全新基因突变。

  吴益东介绍,“这是我们团队历时十年完成的棉铃虫Bt抗性研究三部曲”。

  该研究的目标是确定赋予棉铃虫Bt抗性的突变,精确编辑一个棉铃虫基因来证明这种突变导致抗性,并发现这种抗性是如何在中国棉田传播的。事实上,了解棉铃虫的抗性具有全球意义,因为它发生在150多个国家,现在威胁入侵美国。

  研究人员利用全基因组关联分析和基因精细定位,将棉铃虫Bt显性抗性基因定位于棉铃虫第10号染色体上250kb长的特定区域,对该区域21个功能基因进行碱基序列和表达水平的比对,发现一种四跨膜蛋白编码基因HaTSPAN1发生了T92C点突变,导致第31位亮氨酸突变为丝氨酸,该基因突变与Bt显性抗性紧密连锁。

  利用CRISPR/Cas9基因编辑技术敲除抗性品系HaTSPAN1基因导致其Cry1Ac抗性完全消失;相反,将T92C点突变敲入敏感品系则获得125倍抗性。

  上述正向和反向遗传学证据明确了棉铃虫HaTSPAN1基因T92C点突变与Bt显性抗性之间的因果关系。

  通常认为害虫可以通过Bt毒素受体基因(如钙粘蛋白和ABC转运蛋白)的功能丧失性突变产生抗性,这种抗性为隐性遗传,抗性等位基因必须纯合才能表现出抗性。而该研究发现的功能获得性突变产生的抗性为显性遗传,抗性等位基因在杂合下就会产生抗性,因此显性抗性发展速度快于隐性抗性。

  吴益东强调,中国华北棉区田间棉铃虫HaTSPAN1基因T92C突变频率正在快速上升,在近十年间提高了100倍,从2006年的0.1%上升至2016年10%。

  Tabashnik分析预测,如果按目前的趋势继续下去,中国北方一半的棉铃虫将在五年内对这种突变产生抗性。他希望新的研究能够刺激农民控制害虫的可持续性。

  目前有14个国家种植Bt棉防控棉铃虫等害虫,面临靶标害虫Bt抗性的共同威胁,明确Bt抗性基因及其时空动态是治理抗性的前提条件。该研究结果可望为中国乃至其他国家棉铃虫Bt显性抗性的监测与预警提供技术支撑,为制定针对性的抗性治理策略提供重要依据。

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