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我所張友軍團隊研究成果“解析昆蟲激素介導小菜蛾Bt抗性機制”入選2021中國農業科學重大進展

      11月19日,2021中國農業農村科技發展高峰論壇暨中國現代農業發展論壇發布會在北京舉行。農業農村部黨組成員、中國農業科學院院長、中國工程院院士吳孔明發布了《2021中國農業科學重大進展報告》。中國農業科學院蔬菜花卉研究所張友軍研究員帶領的蔬菜蟲害防控創新團隊研究成果“解析昆蟲激素介導小菜蛾Bt抗性機制”入選2021中國農業科學10項重大進展。
      小菜蛾是一種世界性危害的十字花科蔬菜作物重大害蟲,每年小菜蛾在全球造成的經濟損失高達40-50億美元,在我國其造成的經濟損失也已達到7.7億美元。Bt是一種革蘭氏陽性細菌,它能產生多種殺蟲蛋白可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,而其基因組的解析使其成為研究昆蟲對Bt抗性分子機制的理想材料。
      過去10余年間,張友軍團隊先后建立了Bt敏感和多個Bt抗性的小菜蛾種群,包括對Bt殺蟲蛋白Cry1Ac 抗性5000倍的近等基因系種群。前期,利用這些特異的實驗材料,通過生物化學、分子生物學和細胞生物學等技術手段,在國際上首次揭示了小菜蛾對Bt殺蟲蛋白Cry1Ac的高抗性是由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反式調控多個中腸受體基因差異表達引起,相關研究于2015年發表于國際著名遺傳學領域期刊PLoS Genetics上并獲得了國內外同行的高度認可。
      在本研究中,張友軍團隊又在此基礎上進一步證實MAPK信號途徑的確是反式調控小菜蛾不同中腸受體基因差異表達的“通用開關”,并發現在Bt殺蟲蛋白Cry1Ac高抗小菜蛾中,蛻皮激素(20E)和保幼激素(JH)含量均顯著升高且它們之間的串擾可以激活MAPK信號途徑反式調控機制,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。本研究揭示了經典昆蟲激素迄今為止尚未發現的新功能,闡明了激素信號可塑性是生物抵御外界病原菌入侵的跨界通用策略。

 

圖1. 昆蟲激素介導小菜蛾Bt抗性分子機制模型

 

      相關內容以“MAPK-dependent hormonal signaling plasticity contributes to overcoming Bacillus thuringiensis toxin action in an insect host”為題在線發表于國際著名Nature子刊Nature Communications上。該研究在國際上首次揭示了經典的昆蟲激素可以參與昆蟲Bt抗性的新功能及其分子調控網絡,研究結果對于我國田間重大農業害蟲Bt抗性進化的監測預警和綜合治理以及新型Bt生物殺蟲劑/轉Bt基因抗蟲作物的研發推廣和可持續應用均具有重要的理論和實踐意義。
      據介紹,依據“前沿引領、開創卓越、重大突破”的原則,經初選、專家評審及推薦、綜合遴選等過程,選出10項能夠充分代表2020年度我國農業基礎研究領域取得引領性、開拓性、突破性重大進展。10項重大進展主要涵蓋了包括基因組學、重要功能基因解析、重大病蟲害災變機制、動物胚胎發育、動物新冠病毒感染和傳播、作物栽培耕作等研究領域,充分體現了我國在作物、園藝、獸醫、植保等學科領域的領跑地位,是驅動農業農村科技創新的原動力,是我國農業科技搶占世界制高點、實現高水平自立自強的堅實基礎。

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