我所张友军团队研究成果“解析昆虫激素介导小菜蛾Bt抗性机制”入选2021中国农业科学重大进展

      11月19日，2021中国农业农村科技发展高峰论坛暨中国现代农业发展论坛发布会在北京举行。农业农村部党组成员、中国农业科学院院长、中国工程院院士吴孔明发布了《2021中国农业科学重大进展报告》。中国农业科学院蔬菜花卉研究所张友军研究员带领的蔬菜虫害防控创新团队研究成果“解析昆虫激素介导小菜蛾Bt抗性机制”入选2021中国农业科学10项重大进展。
      小菜蛾是一种世界性危害的十字花科蔬菜作物重大害虫，每年小菜蛾在全球造成的经济损失高达40-50亿美元，在我国其造成的经济损失也已达到7.7亿美元。Bt是一种革兰氏阳性细菌，它能产生多种杀虫蛋白可高效特异的杀死不同害虫而对人畜环境安全无害。目前，基于Bt杀虫蛋白研发的Bt生物杀虫剂和转Bt基因抗虫作物为全世界化学杀虫剂的减施、害虫绿色防控和农产品质量安全做出了极大贡献并取得了空前巨大的经济、社会和环境效益。然而，昆虫对Bt的快速抗性进化严重威胁着Bt生物杀虫剂和转Bt基因抗虫作物的研发推广和可持续应用。目前，至少已经有9种重要农业害虫在田间对 Bt产生了高抗性，其中，小菜蛾是最早也是目前唯一被报道在田间对Bt生物杀虫剂产生高抗性的农业害虫，而其基因组的解析使其成为研究昆虫对Bt抗性分子机制的理想材料。
      过去10余年间，张友军团队先后建立了Bt敏感和多个Bt抗性的小菜蛾种群，包括对Bt杀虫蛋白Cry1Ac 抗性5000倍的近等基因系种群。前期，利用这些特异的实验材料，通过生物化学、分子生物学和细胞生物学等技术手段，在国际上首次揭示了小菜蛾对Bt杀虫蛋白Cry1Ac的高抗性是由BtR-1抗性基因座内一个丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号途径关键基因MAP4K4反式调控多个中肠受体基因差异表达引起，相关研究于2015年发表于国际著名遗传学领域期刊PLoS Genetics上并获得了国内外同行的高度认可。
      在本研究中，张友军团队又在此基础上进一步证实MAPK信号途径的确是反式调控小菜蛾不同中肠受体基因差异表达的“通用开关”，并发现在Bt杀虫蛋白Cry1Ac高抗小菜蛾中，蜕皮激素(20E)和保幼激素(JH)含量均显著升高且它们之间的串扰可以激活MAPK信号途径反式调控机制，使小菜蛾在维持正常生长发育的前提下对Bt 杀虫蛋白完美进化产生高抗性。本研究揭示了经典昆虫激素迄今为止尚未发现的新功能，阐明了激素信号可塑性是生物抵御外界病原菌入侵的跨界通用策略。

图1. 昆虫激素介导小菜蛾Bt抗性分子机制模型

      相关内容以“MAPK-dependent hormonal signaling plasticity contributes to overcoming Bacillus thuringiensis toxin action in an insect host”为题在线发表于国际著名Nature子刊Nature Communications上。该研究在国际上首次揭示了经典的昆虫激素可以参与昆虫Bt抗性的新功能及其分子调控网络，研究结果对于我国田间重大农业害虫Bt抗性进化的监测预警和综合治理以及新型Bt生物杀虫剂/转Bt基因抗虫作物的研发推广和可持续应用均具有重要的理论和实践意义。
      据介绍，依据“前沿引领、开创卓越、重大突破”的原则，经初选、专家评审及推荐、综合遴选等过程，选出10项能够充分代表2020年度我国农业基础研究领域取得引领性、开拓性、突破性重大进展。10项重大进展主要涵盖了包括基因组学、重要功能基因解析、重大病虫害灾变机制、动物胚胎发育、动物新冠病毒感染和传播、作物栽培耕作等研究领域，充分体现了我国在作物、园艺、兽医、植保等学科领域的领跑地位，是驱动农业农村科技创新的原动力，是我国农业科技抢占世界制高点、实现高水平自立自强的坚实基础。