蔬菜虫害防控创新团队揭示小菜蛾Bt抗性的遗传调控网络机制

      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抗性遗传调控机制研究领域取得新进展。该研究发现了介导小菜蛾Bt抗性的关键自然变异为抗性关键基因MAP4K4上游非编码区一个逆转座子SE2的插入突变，并阐明以SE2为枢纽的Bt抗性调控网络机制。相关内容以“Retrotransposon-mediated evolutionary rewiring of a pathogen response orchestrates a resistance phenotype in an insect host”为题在线发表于发表在《美国科学院院刊(PNAS)》上。

      小菜蛾是一种为害十字花科蔬菜作物的世界性重大农业害虫，取食为害后的蔬菜品质和产量急剧下降，为农业生产带了巨大的经济损失。目前，田间防治小菜蛾主要靠使用杀虫剂，而小菜蛾又十分容易对各种杀虫剂产生抗药性，因此，小菜蛾的有效防治成为了农业生产中老大难的问题。苏云金芽胞杆菌(Bt)是一种土壤中常见的细菌，对许多害虫具有毒杀作用，基于Bt菌研发的杀虫剂或转基因作物对环境友好且靶标特异，被广泛应用于害虫防治。然而，随着Bt杀虫剂的不合理使用及Bt转基因作物大面积的推广，害虫很快对这种生物防治产品产生了抗药性。小菜蛾是第一个在田间被报道对Bt制剂产生高水平抗性的农业害虫，科学家们以小菜蛾为研究对象，对害虫Bt抗药性的机制展开了深入研究，取得了丰硕的研究成果。然而，关于小菜蛾对Bt杀虫剂产生抗性的分子机制研究中，仍有许多悬而未决的科学问题。

      张友军团队前期研究发现，昆虫保幼激素(JH)和蜕皮激素(20E)含量升高及其串扰可以转录激活小菜蛾BtR-1抗性基因座内丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号途径，介导转录因子调控下游中肠基因差异表达，使小菜蛾既可以对Bt杀虫剂产生高水平抗性，又不影响种群的生长发育。相关研究成果先后发表于PLoS Genetics（2015，2022）、Nature Communications（2020，2022）、PLoS Pathogens（2021）和BMC Biology（2022）等国际著名期刊。

      在本研究中，张友军团队进一步利用基因定位等技术，鉴定了与小菜蛾Bt抗性显著相关的自然遗传变异。MAP4K4基因启动区中一个逆转座子SE2的插入突变显著调控了MAP4K4基因的转录活性，且与小菜蛾Bt抗性紧密连锁。研究表明，SE2的核苷酸序列中存在一个转录因子FOXO的结合位点，FOXO在昆虫激素的调控下与SE2中的结合位点结合，二者协同调控靶标基因MAP4K4表达量组成性升高，从而激活MAPK信号途径调控下游中肠基因差异表达，使小菜蛾对Bt产生稳定可遗传的高抗性表型。

      研究结果系统阐明了以逆转座子SE2这一关键遗传变异介导的Bt抗性分子遗传调控网络，为害虫杀虫剂抗性分子机制研究提供了全新的思路。该研究中鉴定的SE2遗传变异可以用于田间小菜蛾Bt抗性水平的实时快速监测，为田间指导Bt杀虫剂的合理使用提供了重要依据。

图1. 逆转座子SE2插入突变介导的小菜蛾Bt抗性遗传调控网络

      我所郭兆将研究员、郭乐博士后、白杨博士为本论文共同第一作者。郭兆将研究员和张友军研究员为论文的共同通讯作者。该研究得到国家基金优青、创新研究群体以及中国农科院科技创新工程等项目资助。

相关论文信息：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2300439120