科学家发现了害虫抗Bt棉花的遗传机制
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美国亚利桑那州
2014年5月19日
亚利桑那南部一块种植Bt棉花的农田 (摄影: Timothy Dennehy)
新发现的害虫抗Bt棉花的遗传机制影响全球的害虫管理。
亚利桑那大学和美国农业部领导的一个国际研究小组发现了昆虫是如何进化出抵抗基因工程棉花的分子基础。
转基因棉花含有杀死昆虫的细菌蛋白，叫Bt毒素，发表在5月19日发行的PLoS ONE上的研究发现阐明了红铃虫（图）这种全球性毛虫虫是如何克服转基因棉花。这些结果对管理抗Bt作物害虫有重大影响。
棉红铃虫幼虫是全世界对棉花生产最有危害的害虫之一。1917年在美国首次被检测到，这一侵入昆虫对亚利桑那州的棉花种植业造成极大伤害，以幼虫为害，多到每两个棉铃中就有就有一个被损害（包含含有纤维的有价值的果囊） 。
在1996年，由于引进Bt棉花是一个突破。Bt 棉花含有一个来自细菌（苏云金芽孢杆菌）的基因，它赋予了植物杀死一些害虫的蛋白质，但并非杀死所有的昆虫。几十年来，有机种植者喷施Bt蛋白，因为他们杀死某些害虫，对人类和大多数其它生物体无害。用Bt蛋白控制虫害 - 无论是喷施Bt 蛋白还是使用转基因作物 - 减少了对化学杀虫剂的依赖。虽然Bt蛋白提供了环境效益和经济效益，当害虫产生抗药性时这些好处就都没有了。
“Bt作物有重大社会效益，”亚利桑那州马里科帕美国农业部农业研究局的昆虫学家和该研究的主要作者Jeffrey Fabrick说。“通过了解昆虫如何适应Bt作物，我们可以设计出更好的策略，以延缓抗性的演化从而扩展这些效益。”
“抗Bt蛋白的许多机制已经被提出并在实验室进行了研究，但是，这是首次分析对田间Bt 作物的严重害虫抗性的分子遗传基础，”Bruce Tabashnik（ 如图）说。他是论文作者之一和亚利桑那大学农业和生命科学学院昆虫系的主任。他也是亚利桑那大学BIO5研究所的成员。
根据目标是确定所涉及的分子机制的实验室的试验，科学家们知道，红铃虫可能演化出对Bt毒素的抗性，但他们不得不到印度去观察田间发生的情况。
美国而不是印度的农民采取了旨在减缓红铃虫抗性演化的策略。从亚利桑那大学和美国农业部的科学家与亚利桑那州的棉农密切合作，以制定和实施抗性管理策略，如提供普通的不生产Bt蛋白的棉花植株作为“避难所”和释放不育红铃虫飞蛾。在Bt作物附近种植避难所可以让没有抗性的害虫存活并繁殖，从而降低两个抗性昆虫交配而产生抗药性后代的机率。同样，大量释放不育蛾也使得两个抗性害虫个体交配的机率降低。
因此，所有的红铃虫已在美国西南部根除掉了。用Bt棉花抑制这种害虫是综合虫害管理计划的基石，允许亚利桑那州的棉花种植者减少了广谱杀虫剂使用的80％，每年为他们节省超过1,000万美元。在美国，红铃虫群体在田间没有进化出对Bt毒素的抗性。
但是，在印度，具有抗性的红铃虫群体已经出现。
在印度出现的具有抗性的红铃虫为研究人员提供了一个测试机会，看看这种害虫在田间进化出的Bt毒素抗性和先前在实验室发现的遗传机制是否相同。在实验室发现的具有抗性的害虫中，科学家们已经确定了一种编码名叫钙粘蛋白的基因发生了突变。 Bt毒素结合钙粘蛋白是在中毒过程中的重要一步。突变破坏了钙粘蛋白，阻断了这样的结合，让Bt毒素不能伤害这种突变体。
“我们想看看，如果从印度外地耐红铃虫窝藏在钙粘蛋白基因的这些变化一样， ” Fabrick说。他说，与印度科学家合作， “我们发现，同样的钙粘蛋白基因与在印度的耐药相关，但突变是不同的，比我们在实验室选自亚利桑那红铃虫上发现的多得多。 ”
Tabashnik补充说： “对来自亚利桑那州的超过10,000个个体进行17年的研究和筛选，我们确定了4个钙粘蛋白为基础的抗性突变，而从印度的8个个体中，我们发现了19种不同钙粘蛋白变种，实在是难以想象。“
通过对从印度（在世界上种植Bt棉最多的国家）田间收集的具有抗性的红铃虫的DNA测序，研究小组发现，害虫产生多种失去功能的钙粘蛋白变种。研究人员了解到，来自印度红铃虫的钙粘蛋白惊人多样性是由于选择性剪接导致的，这是一种新型的抗性机制，允许一个单一的DNA序列编码多种蛋白质变体。 “我们的发现表明选择性剪切与在田间演化出的Bt抗性相关，这是第一例， ” 亚利桑那大学昆虫系的兼职科学家Fabrick说。
Mario Soberón ，一个在库埃纳瓦卡墨西哥国立自治大学的Bt专家，他不是该研究报告的作者，评论说：“这是一个很好的例子，表明昆虫具有进化出不同抗性机制能力。它的一个重要含义是 DNA筛选不能有效地检测红铃虫对Bt毒素的抗性。 “
除了Fabrick和Tabashnik ，下面的作者也参加了研究： 印度海得拉巴植物卫生管理研究所的Jeyakumar Ponnuraj，他作为访问学者在Tabashnik的实验室研究红铃虫抗性; 在新德里的印度农业研究所国家综合虫害管理中心的Amar Singh和Raj Tanwar; 和亚利桑那大学昆虫系的Gopalan Unnithan，Alex Yelich，Xianchun Li和Yve Carriere。
