近日，中國農業科學院蔬菜花卉研究所張友軍研究員領銜的蔬菜蟲害防控創新團隊在小菜蛾Bt抗性遺傳調控機制研究領域取得新進展。該研究發現了介導小菜蛾Bt抗性的關鍵自然變異為抗性關鍵基因MAP4K4上游非編碼區一個逆轉座子SE2的插入突變，并闡明以SE2為樞紐的Bt抗性調控網絡機制。相關內容以“Retrotransposon-mediated evolutionary rewiring of a pathogen response orchestrates a resistance phenotype in an insect host”為題在線發表于發表在《美國科學院院刊（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業害蟲，取食為害后的蔬菜品質和產量急劇下降，為農業生產帶了巨大的經濟損失。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生抗藥性，因此，小菜蛾的有效防治成為了農業生產中老大難的問題。蘇云金芽胞桿菌（Bt）是一種土壤中常見的細菌，對許多害蟲具有毒殺作用，基于Bt菌研發的殺蟲劑或轉基因作物對環境友好且靶標特異，被廣泛應用于害蟲防治。然而，隨著Bt殺蟲劑的不合理使用及Bt轉基因作物大面積的推廣，害蟲很快對這種生物防治產品產生了抗藥性。小菜蛾是第一個在田間被報道對Bt制劑產生高水平抗性的農業害蟲，科學家們以小菜蛾為研究對象，對害蟲Bt抗藥性的機制展開了深入研究，取得了豐碩的研究成果。然而，關于小菜蛾對Bt殺蟲劑產生抗性的分子機制研究中，仍有許多懸而未決的科學問題。
張友軍團隊前期研究發現，昆蟲保幼激素（JH）和蛻皮激素（20E）含量升高及其串擾可以轉錄激活小菜蛾BtR-1抗性基因座內絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）信號途徑，介導轉錄因子調控下游中腸基因差異表達，使小菜蛾既可以對Bt殺蟲劑產生高水平抗性，又不影響種群的生長發育。相關研究成果先后發表于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，張友軍團隊進一步利用基因定位等技術，鑒定了與小菜蛾Bt抗性顯著相關的自然遺傳變異。MAP4K4基因啟動區中一個逆轉座子SE2的插入突變顯著調控了MAP4K4基因的轉錄活性，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錄因子FOXO的結合位點，FOXO在昆蟲激素的調控下與SE2中的結合位點結合，二者協同調控靶標基因MAP4K4表達量組成性升高，從而激活MAPK信號途徑調控下游中腸基因差異表達，使小菜蛾對Bt產生穩定可遺傳的高抗性表型。
研究結果系統闡明了以逆轉座子SE2這一關鍵遺傳變異介導的Bt抗性分子遺傳調控網絡，為害蟲殺蟲劑抗性分子機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測，為田間指導Bt殺蟲劑的合理使用提供了重要依據。
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青、創新研究群體以及中國農科院科技創新工程等項目資助。
相關論文信息：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2300439120
日期：2023-04-10
小菜蛾是一種為害十字花科蔬菜作物的世界性重大農業害蟲，取食為害后的蔬菜品質和產量急劇下降，為農業生產帶了巨大的經濟損失。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生抗藥性，因此，小菜蛾的有效防治成為了農業生產中老大難的問題。蘇云金芽胞桿菌（Bt）是一種土壤中常見的細菌，對許多害蟲具有毒殺作用，基于Bt菌研發的殺蟲劑或轉基因作物對環境友好且靶標特異，被廣泛應用于害蟲防治。然而，隨著Bt殺蟲劑的不合理使用及Bt轉基因作物大面積的推廣，害蟲很快對這種生物防治產品產生了抗藥性。小菜蛾是第一個在田間被報道對Bt制劑產生高水平抗性的農業害蟲，科學家們以小菜蛾為研究對象，對害蟲Bt抗藥性的機制展開了深入研究，取得了豐碩的研究成果。然而，關于小菜蛾對Bt殺蟲劑產生抗性的分子機制研究中，仍有許多懸而未決的科學問題。
張友軍團隊前期研究發現，昆蟲保幼激素（JH）和蛻皮激素（20E）含量升高及其串擾可以轉錄激活小菜蛾BtR-1抗性基因座內絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）信號途徑，介導轉錄因子調控下游中腸基因差異表達，使小菜蛾既可以對Bt殺蟲劑產生高水平抗性，又不影響種群的生長發育。相關研究成果先后發表于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，張友軍團隊進一步利用基因定位等技術，鑒定了與小菜蛾Bt抗性顯著相關的自然遺傳變異。MAP4K4基因啟動區中一個逆轉座子SE2的插入突變顯著調控了MAP4K4基因的轉錄活性，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錄因子FOXO的結合位點，FOXO在昆蟲激素的調控下與SE2中的結合位點結合，二者協同調控靶標基因MAP4K4表達量組成性升高，從而激活MAPK信號途徑調控下游中腸基因差異表達，使小菜蛾對Bt產生穩定可遺傳的高抗性表型。
研究結果系統闡明了以逆轉座子SE2這一關鍵遺傳變異介導的Bt抗性分子遺傳調控網絡，為害蟲殺蟲劑抗性分子機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測，為田間指導Bt殺蟲劑的合理使用提供了重要依據。
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青、創新研究群體以及中國農科院科技創新工程等項目資助。
相關論文信息：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2300439120
日期：2023-04-10
