The Innovation | 张友军团队解析了小菜蛾Bt抗性进化关键上游“调控护盾”

发布时间：2024-07-21 来源：蔬菜虫害防控创新团队

近日，中国农科院张友军研究员团队在Cell旗下国际著名综合性学术期刊The Innovation（IF=33.2）发表了最新研究成果“A midgut transcriptional regulatory loop favors an insect host to withstand a bacterial pathogen”。该研究在国际上首次报道了一个中肠转录调控环作为关键“调控护盾”协助小菜蛾对Bt杀虫蛋白进化产生高抗性的分子机制。研究结果为昆虫Bt抗性分子机制阐明提供全新的视角，对田间Bt抗性分子监测和抗性治理具有重要的理论和实践指导意义。

苏云金芽胞杆菌(Bacillus thuringiensis, 简称Bt)是一种革兰氏阳性昆虫病原细菌，它能产生多种Cry和Vip类杀虫蛋白，从而高效特异的杀死多种农业害虫而对人畜环境安全无害。基于Bt杀虫蛋白的杀虫活性研发的Bt生物杀虫剂已经成为全球用量最大的微生物杀虫剂，而转Bt杀虫蛋白基因的抗虫作物也已经在全球30多个国家广泛种植，并取得了空前巨大的经济、社会和环境效益。小菜蛾（Plutella xylostella）是一种世界性的十字花科蔬菜重大害虫，每年危害导致世界经济损失高达40-50亿美元。同时，小菜蛾也是第一个被报道在田间对Bt生物杀虫剂进化产生高抗性的农业害虫，是研究害虫Bt抗性机制的理想材料。张友军团队长期从事小菜蛾对Bt生物杀虫剂进化产生抗药性的分子机制研究，在该研究领域做出了重要学术贡献。团队前期研究发现昆虫保幼激素(Juvenile hormone, JH)和蜕皮激素(20-hydroxyecdysone, 20E)含量协同升高可以激活MAPK信号途径反式调控不同中肠基因差异表达，使小菜蛾在维持正常生长发育的前提下对Bt进化产生完美的高抗性。相关研究成果相继发表于Nature Communications（2020，2022）、PNAS（2023）、Advanced Science（2024）、PLoS Pathogens（2021）、BMC Biology（2022）和PLoS Genetics（2015，2022）等国际著名SCI期刊上，研究成果相继入选了农业农村部评选的“2021年中国农业科学十大进展”，并荣获了“国际无脊椎动物病理学会2023年度最佳影响力奖（2023 SIP Impact Award）”。

本研究在上述研究基础上，进一步通过转录组学和分子生物学鉴定到在小菜蛾Bt抗性种群中显著高表达的功能miRNA (miR-8545)。而且，miR-8545靶向一个全新的小菜蛾中肠20E降解酶基因—葡萄糖脱氢酶（Glucose dehydrogenase, PxGLD）基因，它通过降低PxGLD基因mRNA的稳定性抑制该基因表达。进一步研究发现，miR-8545基因启动子区能够与一个转录抑制子PxDfd结合，PxDfd表达水平的降低导致miR-8545表达量增加，从而抑制PxGLD基因的表达，进而引起昆虫体内20E含量显著升高。更有趣的是，为了避免20E的过度生产，Bt抗性小菜蛾20E含量升高可以通过反馈调节抑制PxDfd基因表达，使20E含量不过量升高，从而确保小菜蛾中肠细胞中20E的内稳态，最终形成了一个由前馈调节和反馈调节组成的中肠转录调控环作为“免疫护盾”诱导20E含量适度升高，从而激活下游MAPK信号途径介导到中肠基因差异表达的反式调控机制，最终使小菜蛾在维持正常生长发育的前提下进化产生完美的Bt抗性表型（图1）。本研究在国际上首次明确了表观遗传联合转录调控形成的中肠转录调控环介导小菜蛾Bt抗性的分子机制。研究结果对于田间害虫Bt抗性监测预警和综合治理具有重要的理论和实践意义。