近日，中國農(nóng)科院張友軍研究員團(tuán)隊在Cell旗下國際著名綜合性學(xué)術(shù)期刊The Innovation（IF=33.2）發(fā)表了最新研究成果“A midgut transcriptional regulatory loop favors an insect host to withstand a bacterial pathogen”。該研究在國際上首次報道了一個中腸轉(zhuǎn)錄調(diào)控環(huán)作為關(guān)鍵“調(diào)控護(hù)盾”協(xié)助小菜蛾對Bt殺蟲蛋白進(jìn)化產(chǎn)生高抗性的分子機(jī)制。研究結(jié)果為昆蟲Bt抗性分子機(jī)制闡明提供全新的視角，對田間Bt抗性分子監(jiān)測和抗性治理具有重要的理論和實踐指導(dǎo)意義。

      蘇云金芽胞桿菌(Bacillus thuringiensis, 簡稱Bt)是一種革蘭氏陽性昆蟲病原細(xì)菌，它能產(chǎn)生多種Cry和Vip類殺蟲蛋白，從而高效特異的殺死多種農(nóng)業(yè)害蟲而對人畜環(huán)境安全無害。基于Bt殺蟲蛋白的殺蟲活性研發(fā)的Bt生物殺蟲劑已經(jīng)成為全球用量最大的微生物殺蟲劑，而轉(zhuǎn)Bt殺蟲蛋白基因的抗蟲作物也已經(jīng)在全球30多個國家廣泛種植，并取得了空前巨大的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境效益。小菜蛾（Plutella xylostella）是一種世界性的十字花科蔬菜重大害蟲，每年危害導(dǎo)致世界經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)40-50億美元。同時，小菜蛾也是第一個被報道在田間對Bt生物殺蟲劑進(jìn)化產(chǎn)生高抗性的農(nóng)業(yè)害蟲，是研究害蟲Bt抗性機(jī)制的理想材料。張友軍團(tuán)隊長期從事小菜蛾對Bt生物殺蟲劑進(jìn)化產(chǎn)生抗藥性的分子機(jī)制研究，在該研究領(lǐng)域做出了重要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)。團(tuán)隊前期研究發(fā)現(xiàn)昆蟲保幼激素(Juvenile hormone, JH)和蛻皮激素(20-hydroxyecdysone, 20E)含量協(xié)同升高可以激活MAPK信號途徑反式調(diào)控不同中腸基因差異表達(dá)，使小菜蛾在維持正常生長發(fā)育的前提下對Bt進(jìn)化產(chǎn)生完美的高抗性。相關(guān)研究成果相繼發(fā)表于Nature Communications（2020，2022）、PNAS（2023）、Advanced Science（2024）、PLoS Pathogens（2021）、BMC Biology（2022）和PLoS Genetics（2015，2022）等國際著名SCI期刊上，研究成果相繼入選了農(nóng)業(yè)農(nóng)村部評選的“2021年中國農(nóng)業(yè)科學(xué)十大進(jìn)展”，并榮獲了“國際無脊椎動物病理學(xué)會2023年度最佳影響力獎（2023 SIP Impact Award）”。

       本研究在上述研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)和分子生物學(xué)鑒定到在小菜蛾Bt抗性種群中顯著高表達(dá)的功能miRNA (miR-8545)。而且，miR-8545靶向一個全新的小菜蛾中腸20E降解酶基因—葡萄糖脫氫酶（Glucose dehydrogenase, PxGLD）基因，它通過降低PxGLD基因mRNA的穩(wěn)定性抑制該基因表達(dá)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，miR-8545基因啟動子區(qū)能夠與一個轉(zhuǎn)錄抑制子PxDfd結(jié)合，PxDfd表達(dá)水平的降低導(dǎo)致miR-8545表達(dá)量增加，從而抑制PxGLD基因的表達(dá)，進(jìn)而引起昆蟲體內(nèi)20E含量顯著升高。更有趣的是，為了避免20E的過度生產(chǎn)，Bt抗性小菜蛾20E含量升高可以通過反饋調(diào)節(jié)抑制PxDfd基因表達(dá)，使20E含量不過量升高，從而確保小菜蛾中腸細(xì)胞中20E的內(nèi)穩(wěn)態(tài)，最終形成了一個由前饋調(diào)節(jié)和反饋調(diào)節(jié)組成的中腸轉(zhuǎn)錄調(diào)控環(huán)作為“免疫護(hù)盾”誘導(dǎo)20E含量適度升高，從而激活下游MAPK信號途徑介導(dǎo)到中腸基因差異表達(dá)的反式調(diào)控機(jī)制，最終使小菜蛾在維持正常生長發(fā)育的前提下進(jìn)化產(chǎn)生完美的Bt抗性表型（圖1）。本研究在國際上首次明確了表觀遺傳聯(lián)合轉(zhuǎn)錄調(diào)控形成的中腸轉(zhuǎn)錄調(diào)控環(huán)介導(dǎo)小菜蛾Bt抗性的分子機(jī)制。研究結(jié)果對于田間害蟲Bt抗性監(jiān)測預(yù)警和綜合治理具有重要的理論和實踐意義。

圖1. 中腸轉(zhuǎn)錄調(diào)控環(huán)介導(dǎo)小菜蛾Bt抗性的分子機(jī)制

      本所郭兆將研究員、朱流紅博士后、程周強(qiáng)博士、董麗娜博士、郭樂博士后（已出站，現(xiàn)為華中農(nóng)業(yè)大學(xué)副教授）、白楊博士后為本論文共同第一作者，郭兆將研究員和張友軍研究員為論文的通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項目和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程項目等資助。

原文鏈接：

https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(24)00113-9#%20