我所张友军团队揭示小菜蛾Bt抗性转录调控新机制

发布时间：2022-02-07 来源：昆虫综防课题组郭兆将

近日，我所张友军研究员领衔的蔬菜虫害防控创新团队在小菜蛾Bt抗性中肠受体基因转录调控机制研究领域取得新进展。该研究发现MAPK信号途径调控的转录因子GATAd通过与Bt Cry1Ac杀虫蛋白受体基因PxmALP的启动子不同靶标位点结合，调控抗性小菜蛾PxmALP基因表达下调，从而参与小菜蛾Bt Cry1Ac杀虫蛋白抗性的形成。研究结果为昆虫Bt抗性转录调控机制研究提供了全新视角。相关内容以“MAPK-mediated transcription factor GATAd contributes to Cry1Ac resistance in diamondback moth by reducing PxmALP expression”为题发表于国际著名期刊PLoS Genetics上。

苏云金芽胞杆菌（Bacillus thuringiensis, Bt）属革兰氏阳性细菌，产生的多种杀虫蛋白可以杀死多种农业害虫，具有靶标特异、环境友好的特点，基于Bt杀虫蛋白的生物杀虫剂及转基因作物已广泛应用于全球农业生产。然而，随着Bt生物杀虫剂和转Bt基因抗虫作物的大面积使用与推广，害虫对Bt快速进化产生抗药性，严重制约了Bt生物技术产品的发展。目前，全世界至少已经有9种重大农业害虫在田间对Bt生物杀虫剂和转Bt基因抗虫作物产生了高抗性。小菜蛾是为害十字花科蔬菜和作物的重要害虫，每年在全球造成的经济损失高达40-50亿美元。目前，小菜蛾已对多种化学和生物杀虫剂产生了抗药性，是最早在田间被报道对Bt生物杀虫剂产生抗药性的农业害虫。

张友军团队前期研究已表明，小菜蛾昆虫激素含量升高及其串扰激活的MAPK信号途径反式调控中肠受体和非受体同源基因差异表达，从而使小菜蛾在维持正常生长发育的前提下对Bt Cry1Ac杀虫蛋白产生完美的高抗性。相关研究结果相继发表于PLoS Genetics (2015)、Nature Communications (2020)和PLoS Pathogens (2021) 等国际著名期刊。然而，MAPK信号途径调控中肠基因差异表达的转录调控机制仍不清楚。

在本研究中，张友军团队在前期研究的基础上成功解析了小菜蛾Bt Cry1Ac杀虫蛋白受体基因PxmALP的转录调控机制。研究发现，该基因的启动子序列在Cry1Ac敏感和抗性种群中虽然存在多个SNP位点，但这些位点并不影响PxmALP的启动子活性。进一步分析表明，PxmALP启动子区存在多个转录因子结合位点，其中转录因子GATAd在敏感种群中表达量显著高于抗性种群，且可差异调控敏感和抗性小菜蛾启动子活性变化。随后，通过定点突变、EMSA及酵母单杂等实验技术验证了GATAd可与敏感和抗性小菜蛾启动子中不同的结合位点特异性结合。此外，在抗性启动子中GATAd结合位点附近，连续六个核苷酸的插入显著抑制了GATAd的调控活性。抗性小菜蛾种群中利用RNAi沉默MAPK信号途径上游的MAP4K4基因后，GATAd和PxmALP基因的表达量显著上调，说明MAPK信号途径通过反式调控GATAd从而调控PxmALP基因的表达，导致小菜蛾对Bt杀虫蛋白Cry1Ac产生高抗性。本研究为昆虫Bt抗性相关基因的转录调控机制研究提供了重要借鉴，并为揭示害虫Bt抗性进化机制提供了理论支撑。