遗传搜索揭示了全球棉花害虫的抗性关键

在农民和虫子之间无休止的战争的最近一次战斗中，这些虫子正在适应通过基因工程杀死它们的作物。

发表在“美国国家科学院院刊”上的一项新研究确定了一种显性遗传突变，该突变赋予棉铃虫(世界上最具破坏性的作物害虫之一)毛虫中的工程棉抗性。该研究对基因组学和基因编辑的前沿使用标志着全球努力促进更可持续的害虫控制的新时代。

棉花，玉米和大豆已经过基因工程改造，可以从广泛存在的土壤细菌苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis)或Bt中生产杀虫蛋白。这些环境友好型Bt蛋白质对人类和野生动物(包括蜜蜂)无毒，已被有机种植者用于喷雾剂超过50年，以及全球数百万农民种植的工程化Bt作物，自累计总面积超过20亿英亩以来1996年。

亚利桑那大学，田纳西大学和中国南京农业大学的昆虫学家合作进行了这项由三部分组成的研究。他们的目标是确定在棉铃虫中赋予Bt抗性的突变，精确编辑一个棉铃虫基因以证明这种突变导致抗性并发现抗性如何通过中国的棉田传播。

“这是一个非凡的侦探故事，”UA昆虫学系的Regents教授，该研究的共同作者Bruce Tabashnik说。“如果没有遗传技术的最新进展，就不可能找到单个DNA碱基对的变化，导致棉铃虫基因组中数亿个碱基对的抗性。”

多年来，科学家们已经知道昆虫可以进化出对Bt蛋白的抗性，正如它们对常规杀虫剂一样。然而，在几乎所有先前研究的病例中，Bt抗性是隐性遗传的。这意味着昆虫必须有两个抗性基因拷贝 - 每个亲本一个 - 以使它们能够在Bt作物上进食和存活。

为了抵抗抵抗力，农民种植非Bt作物的庇护所，那里的易感昆虫可以茁壮成长。这个想法是罕见的抗性昆虫将与来自避难所的更丰富的易感昆虫交配，产生仅含有一个抗性基因拷贝的后代。由于隐性遗传抗性，这种后代不能在Bt作物上存活。

虽然避难所并不能完全阻止抵抗力的演变，但它们可以大大延迟 - 特别是当阻力是隐性时。

但在中国，报告称，对Bt的主要棉铃虫抗性正在上升。只有一个显性突变的拷贝使棉铃虫抗性。

由于优势Bt抗性的遗传基础以前是未知的，研究人员不得不仔细检查棉铃虫的整个基因组以找到罪魁祸首。通过比较抗性和易感棉铃虫的DNA，他们将搜索范围从17,000个基因缩小到仅有21个与抗性相关的基因区域。

“但这些基因中只有17种能编码由毛虫产生的蛋白质，”塔巴什尼克说，他解释说，只有棉铃虫毛虫以棉花为食，才能被Bt蛋白杀死。

“比较菌株间17个基因的序列，只有一个一致的差异，”Tabashnik说。“有一个位置，所有抗性棉铃虫都有一个DNA碱基对，所有易感棉铃虫都有不同的DNA碱基对。”

这个关键的碱基对位于一个新发现的名为HaTSPAN1的基因中，该基因编码四跨膜蛋白 - 一种含有跨越细胞膜的四个区段的蛋白质。虽然HaTSPAN1的正常功能尚不清楚，但许多其他四跨膜蛋白在细胞间通讯中很重要。尽管先前对Bt或四跨膜蛋白进行了近30,000次研究，但这项新研究首次发现它们之间存在紧密联系。

鉴定突变碱基对，第二个挑战是确定这个单一突变是否导致抗性。为了找到答案，研究小组使用基因编辑工具CRISPR来精确改变HaTSPAN1基因。当基因在抗性棉铃虫中被破坏时，它们变得对Bt完全敏感。相反，当突变被插入易感棉铃虫的DNA中时，它们变得具有抗性 - 证明单独这一碱基对的变化会导致抗性。

最后一步是检验这一突变有助于对田间Bt棉的抗性的假设。通过筛选2006年至2016年间收集的数千只保存的棉铃虫蛾的DNA突变，研究人员发现突变的频率增加了100倍，从1/1000增加到1/10。

抗性棉铃虫还不足以明显减少中国的棉花产量，但优势基因的传播速度比其他抗性基因快。Tabashnik的分析预测，如果目前的趋势持续下去，中国北方棉铃虫的一半将在五年内产生这种突变所带来的抗性。

塔巴什尼克说：“如果事情继续沿着同样的轨迹前进，那么这种突变将给该领域的农民带来问题。”

然而，对于中国的农民来说，改变他们的策略并抵御Bt阻力已经足够早了。该论文提到他们可以从仅产生一种Bt蛋白质的棉花转变为在美国和澳大利亚种植的棉花类型，这些棉花产生两种或三种不同的Bt蛋白质。Tabashnik希望这项新研究能够促进农民的可持续发展。

塔巴什尼克说：“它为他们提供了信息，以便在为时已晚之前做出建设性的，主动的决定。”

通过每年对害虫种群进行抽样，农民和研究人员可以了解哪种方法对阻止抗药性最有效。

了解棉铃虫抗性具有全球意义，因为它发生在150多个国家，现在有可能侵入美国。

“在澳大利亚，印度和巴西的棉铃虫中筛选这种突变将会很有意思，”南京农业大学昆虫学教授Yidong Wu说。

当然，扫描基因组的技术不限于一种作物害虫。

“数据显示，基因组扫描不仅有助于监测Bt的抗性进化，而且对于一般的杀虫剂也有帮助。”Fred Gould说，他没有参与这项研究，但是北卡罗来纳州立大学昆虫学教授和成员美国国家科学院院士。

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