Nucleic Acids Research | 郭兆将研究员/张友军院士团队揭示微卫星扩增介导小菜蛾Bt抗药性的表观遗传调控新机制

发布时间：2026-10-28 来源：蔬菜虫害防控创新团队

2026年10月27日，国际知名学术期刊Nucleic Acids Research（IF=15）在线发表了我所蔬菜虫害防控创新团队题为“Microsatellite expansion redirects chromatin modifiers to confer insect resistance to Bt bioinsecticides”的研究论文。该研究揭示了ABCC2基因启动子区ATGT微卫星扩增通过改变组蛋白修饰酶的结合偏好，重塑局部染色质状态并抑制该基因表达，进而介导小菜蛾Bt抗药性的新机制。

苏云金芽胞杆菌（Bacillus thuringiensis，简称Bt），能够产生多种Cry和Vip类杀虫蛋白，可以高效特异的杀死不同农业害虫而对人畜环境安全无害。目前，基于这些Bt杀虫蛋白开发的Bt生物杀虫剂和转Bt基因抗虫作物已广泛应用于农业害虫防治，给全球农业带来了空前巨大的经济、社会和环境效益。然而，害虫Bt抗药性进化严重威胁Bt生物杀虫剂和Bt抗虫作物的大面积推广应用，因此，解析害虫Bt抗药性分子机制对于Bt生物技术产品的可持续利用至关重要。小菜蛾（Plutella xylostella）是一种世界性的十字花科蔬菜作物重大害虫，每年在世界范围内引起40-50亿美元的巨大经济损失，抗药性是其暴发成灾的关键所在。而且，它是最早被报道在田间对Bt生物杀虫剂产生高抗药性的农业害虫，因而也成为解析害虫Bt抗药性分子机制的模式昆虫。

微卫星（Microsatellite）是指基因组中由 1-6 bp组成的短 DNA 序列基序串联重复形成的 DNA 区域，又称短串联重复序列（Short Tandem Repeat，STR）或简单序列重复（Simple Sequence Repeat，SSR）。微卫星重复次数具有较高的变异性，长期以来，仅被广泛用作分子标记使用。然而，随着现代研究深入，人们逐渐开始认识到，这类DNA重复序列也能够参与基因表达调控，但其变异在昆虫抗药性形成中的功能仍有待深入探索。

前期研究发现，小菜蛾关键中肠Bt受体基因ABCC2表达下调是导致Bt抗药性进化的直接原因，在本研究中，研究人员进一步发现Bt抗性小菜蛾中ABCC2基因的启动子区存在一段由ATGT四核苷酸串联重复形成的微卫星扩增是导致其表达下调的关键区域。检测发现，Bt敏感小菜蛾种群以5次ATGT重复为主，而多个小菜蛾Bt抗性种群则以34次重复为主。功能分析表明，ATGT重复扩增具有长度和方向依赖的转录抑制作用，而删除Bt抗性小菜蛾ABCC2基因启动子区中的重复扩增区域后，其活性显著恢复，表明该微卫星是参与ABCC2表达抑制的功能性顺式调控元件。而且，利用CRISPR/Cas9基因编辑技术将Bt敏感小菜蛾ABCC2基因启动子区中的5次ATGT重复替换为34次后， ABCC2基因表达水平均显著降低，对Bt Cry1Ac杀虫蛋白的抗药性倍数达到近300倍，为ATGT重复扩增介导小菜蛾Bt抗药性提供了直接遗传学证据。随后，进一步研究发现，短重复优先招募组蛋白乙酰转移酶Tip60，通过H4K5乙酰化维持染色质开放状态启动ABCC2基因正常表达；然而，扩增长重复则优先结合组蛋白甲基转移酶E(z)，通过E(z)/PRC2相关的H3K27甲基化促进染色质压缩抑制ABCC2基因表达。此外，连续多代选择与松弛实验检测发现，Bt敏感小菜蛾种群在Bt选择压力下出现重复扩增、ABCC2表达下调和抗性增强，而Bt抗性小菜蛾种群解除选择压后则出现相反变化，Bt敏感性得到部分恢复，这些变化伴随局部组蛋白修饰的协同调整，体现了微卫星组成、染色质状态与Bt抗性表型之间的动态关联。

该研究揭示了一种全新的害虫抗药性顺式调控机制，即基因启动子区微卫星作为一种具有长度依赖性的表观遗传开关调控关键抗性基因表达导致害虫抗药性进化。这一发现拓展了微卫星的调控谱以及人们对害虫抗药性进化机制的认识，也为探索微卫星长度作为害虫抗药性分子监测预警靶标提供了重要依据。