揭示田间害虫发生显性突变对转基因Bt作物产生抗性

生物谷,2012-07-27

研究人员发现害虫正在以一种意想不到的方式适应转基因作物(genetically modified crop)。这一发现特别强调了密切监控和防范害虫对生物技术作物产生抗性的重要性。

根据一项于2012年6月11日在线发表在PNAS期刊上的新研究(在中国完成的)，来自中国农业科学院、南京农业大学和美国亚利桑那大学的研究人员发现，棉铃虫(cotton bollworm)对能够杀死害虫的转基因棉花产生抗性涉及到的基因变化比人们想象中的更加多样化。

为了降低广谱杀虫剂的喷洒，其中广谱杀虫剂能够伤害除目标害虫之外的动物，棉花和玉米经过基因改造后能够产生源自苏云金芽胞杆菌(Bacillus thuringiensis, Bt)的毒素。Bt毒素杀死某些害虫，而且对包括人在内的大多数其他生物无害。这种环境友好性的毒素几十年来就被有机作物种植者在喷洒中使用，而且自从1996年以来，大多数农民就开始使用转Bt基因作物。

随着时间的推移，科学家们已了解到，最初罕见的赋予对Bt毒素产生抗性的基因突变正在变得越来越常见，因而数量不断增加的害虫种群都能适应转Bt基因作物。通过比较害虫在实验室和田间如何对转Bt基因作物产生抗性，研究人员发现尽管在实验室中筛选到的一些突变确实在野生害虫种群中发生，但是一些与在实验室中观察到的明显不同的突变却在田间发挥着重要的作用。

棉铃虫(Helicoverpa armigera)的毛虫在长成蛾之前，能够咀嚼大多数植物。这种物种是中国主要的棉花害虫。

美国亚利桑那大学农业与生命科学学院昆虫学系主任Bruce Tabashnik说，“科学家们早就料想到这种昆虫会产生适应性，但是我们刚好发现它们在田间中如何产生抗性。”

为了避免意外，研究人员通过控制实验室条件，让棉铃虫种群接触Bt毒素，从而研究这种昆虫产生适应性的遗传机制。

他说，“我们试图保持领先。我们想期待哪些基因参与其中，因此我们就能够积极地开发出策略来维持Bt棉花的有效性和减少杀虫剂喷洒。这种隐含假定是我们了解到在实验室里筛选到的对转Bt基因棉花产生的抗性也将能应用于田间。”在对转Bt基因棉花产生抗性之前，这种假定从没有接受过测试。

如今，一个国际研究小组第一次在田间获得遗传证据而让他们能够直接比较在野外和实验室培育的棉铃虫种群。他们发现在田间棉铃虫中一些赋予抗性的突变与实验室培养的棉铃虫中的一样，但是也有一些突变存在显著性的不同。

Tabashnik说，“我们精确地发现在田间中发现的突变也能够在实验室中被检测到，但是我们也发现大量的其他突变：它们中大多数位于同一个基因，还有一个突变位于一个完全不同的基因。”

令人吃惊的是，研究人员在田间棉铃虫种群中鉴定出两个不相关的显性突变(dominant mutation)。显性意味着一个拷贝的基因变异体(genetic variant)就足够让棉铃虫对Bt毒素产生抗性。相反，之前在实验室中筛选到的抗性突变(resistance mutation)都是隐性的。隐性意味着它需要两个拷贝的基因变异体(父代和母代各提供一个变异体)才能让棉铃虫对Bt毒素产生抗性。因而，显性抗性更难控制，而且不能通过种植非转Bt基因棉花来延缓，而对隐性抗性而言，种植非转Bt基因棉花是非常有效地延缓抗性的产生。

非转基因作物(refuge)是由不含转基因的作物组成的，因而能够允许对Bt毒素敏感的害虫存活。非转基因作物种植在转Bt基因作物附近，目的是产生数量充足的敏感性害虫，从而使得两只对Bt毒素产生抗性的害虫以较低的概率发生交配，因而也就不可能产生抗Bt毒素的后代，这样就可以稀释Bt抗性的害虫种群。

在中国发现的这些显性突变削弱了非转基因作物种植策略的有效性，这是因为Bt敏感性害虫和Bt抗性害虫交配后产生的后代也能够具有Bt抗性。

他补充道，这项研究将使得监管机构和种植者更好地管控目标害虫对转Bt基因作物产生的抗性，而且发现显性突变将促使科学家重新思考非转基因作物种植策略。

研究人员还报道，赋予棉铃虫对Bt毒素产生抗性的突变在中国北方更为常见，是中国西北地区的3倍。这是因为在中国西北地区，人们很少种植转Bt基因棉花。然而，即便在中国北方，种植者还没有注意到出现的Bt抗性，这是因为在那里，只有大约2%的棉铃虫对Bt毒素产生抗性。

作为种植者，如果转Bt基因棉花能够杀死98%的害虫，那么他们就不会注意到任何事情。但是这项研究表明麻烦即将来临。