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MAPK信號途徑調控小菜蛾對Bt Cry1Ac殺蟲蛋白抗藥性信號網絡的拓撲結構和功能機制

       近日,本所蔬菜害蟲防控團隊繪制了Bt Cry1Ac殺蟲蛋白的高抗小菜蛾中MAPK信號途徑反式調控多個中腸受體基因和非受體同源基因差異表達的信號網絡。該研究首次揭示了MAPK信號途徑參與害蟲抗藥性的分子調控網絡,研究結果對于指導重大農業害蟲對Bt抗性的監測預警以及轉Bt基因抗蟲作物的抗性治理具有重要的理論和實踐意義。相關內容以“The regulation landscape of MAPK signaling cascade for thwarting Bacillus thuringiensis infection in an insect host”為題在線發表于國際著名期刊PLoS Pathogens上。

 

 

       小菜蛾是一種世界性危害的十字花科蔬菜作物重大害蟲,每年在全球造成的經濟損失高達40-50億美元。蘇云金芽胞桿菌,簡稱Bt,它是一種革蘭氏陽性細菌,能產生多種殺蟲蛋白從而高效特異的殺死不同害蟲而對人畜環境安全無害。目前,基于Bt殺蟲蛋白研發的Bt生物殺蟲劑和轉Bt基因抗蟲作物為全世界化學殺蟲劑的減施、害蟲綠色防控和農產品質量安全做出了極大貢獻并取得了空前巨大的經濟、社會和環境效益。然而,昆蟲對Bt的快速抗性進化嚴重威脅著Bt生物殺蟲劑和轉Bt基因抗蟲作物的研發推廣和可持續應用。目前,至少已經有9種重要農業害蟲在田間對 Bt產生了高抗性,其中,小菜蛾是最早也是目前唯一被報道在田間對Bt生物殺蟲劑產生高抗性的農業害蟲。
       前期,該團隊在國際上首次揭示了蛻皮激素(20E)和保幼激素(JH) 含量升高及其串擾,可以激活BtR-1抗性基因座內一個絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號途徑關鍵基因MAP4K4,進而反式調控多個中腸基因差異表達,使小菜蛾在維持正常生長發育的前提下對Bt 殺蟲蛋白完美進化產生高抗性,相關研究分別于2015年和2020年發表于國際著名期刊PLoS Genetics和Nature Communications上。
       本研究首先在全基因組范圍對小菜蛾MAPK信號途徑激酶基因進行鑒定,隨后通過磷酸化蛋白質組鑒定得到在Bt殺蟲蛋白Cry1Ac抗性種群中磷酸化水平上升的MAPK信號途徑激酶。進一步的功能實驗表明MAPK信號途徑的上游關鍵激酶MAP4K4可以通過MAP3K(Raf和MAP3K7)—MAP2K(MAP2K1 MAP2K4和MAP2K6)—MAPK(ERK、JNK和p38)的多級級聯信號網絡調控下游中腸受體和非受體同源基因差異表達,從而使小菜蛾對Bt Cry1Ac殺蟲蛋白產生高抗性,最終揭示了MAPK信號途徑在調控小菜蛾Bt Cry1Ac殺蟲蛋白抗性的信號線路圖譜,為全面闡明MAPK信號途徑對Bt殺蟲蛋白抗性的層級調控模式奠定了基礎。

 

圖1. MAPK信號途徑調控小菜蛾對Bt殺蟲蛋白抗藥性的信號網絡

 

       蔬菜害蟲防控團隊的郭兆將研究員和博士后康師(現為河北大學生科院特聘教授)為本論文的共同第一作者,張友軍研究員與郭兆將研究員為本論文的共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金重點項目、國家優青項目以及中國農業科學院科技創新工程等項目資助。
       原文鏈接:https://journals.plos.org/plospathogens/article/authors?id=10.1371/journal.ppat.1009917

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