近日，我所張友軍研究員領(lǐng)銜的蔬菜蟲害防控創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在小菜蛾Bt抗性中腸受體基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展。該研究發(fā)現(xiàn)MAPK信號(hào)途徑調(diào)控的轉(zhuǎn)錄因子GATAd通過(guò)與Bt Cry1Ac殺蟲蛋白受體基因PxmALP的啟動(dòng)子不同靶標(biāo)位點(diǎn)結(jié)合，調(diào)控抗性小菜蛾PxmALP基因表達(dá)下調(diào)，從而參與小菜蛾Bt Cry1Ac殺蟲蛋白抗性的形成。研究結(jié)果為昆蟲Bt抗性轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制研究提供了全新視角。相關(guān)內(nèi)容以“MAPK-mediated transcription factor GATAd contributes to Cry1Ac resistance in diamondback moth by reducing PxmALP expression”為題發(fā)表于國(guó)際著名期刊PLoS Genetics上。

      蘇云金芽胞桿菌（Bacillus thuringiensis, Bt）屬革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌，產(chǎn)生的多種殺蟲蛋白可以殺死多種農(nóng)業(yè)害蟲，具有靶標(biāo)特異、環(huán)境友好的特點(diǎn)，基于Bt殺蟲蛋白的生物殺蟲劑及轉(zhuǎn)基因作物已廣泛應(yīng)用于全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。然而，隨著Bt生物殺蟲劑和轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲作物的大面積使用與推廣，害蟲對(duì)Bt快速進(jìn)化產(chǎn)生抗藥性，嚴(yán)重制約了Bt生物技術(shù)產(chǎn)品的發(fā)展。目前，全世界至少已經(jīng)有9種重大農(nóng)業(yè)害蟲在田間對(duì)Bt生物殺蟲劑和轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲作物產(chǎn)生了高抗性。小菜蛾是為害十字花科蔬菜和作物的重要害蟲，每年在全球造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)40-50億美元。目前，小菜蛾已對(duì)多種化學(xué)和生物殺蟲劑產(chǎn)生了抗藥性，是最早在田間被報(bào)道對(duì)Bt生物殺蟲劑產(chǎn)生抗藥性的農(nóng)業(yè)害蟲。

      張友軍團(tuán)隊(duì)前期研究已表明，小菜蛾昆蟲激素含量升高及其串?dāng)_激活的MAPK信號(hào)途徑反式調(diào)控中腸受體和非受體同源基因差異表達(dá)，從而使小菜蛾在維持正常生長(zhǎng)發(fā)育的前提下對(duì)Bt Cry1Ac殺蟲蛋白產(chǎn)生完美的高抗性。相關(guān)研究結(jié)果相繼發(fā)表于PLoS Genetics (2015)、Nature Communications (2020)和PLoS Pathogens (2021) 等國(guó)際著名期刊。然而，MAPK信號(hào)途徑調(diào)控中腸基因差異表達(dá)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制仍不清楚。

      在本研究中，張友軍團(tuán)隊(duì)在前期研究的基礎(chǔ)上成功解析了小菜蛾Bt Cry1Ac殺蟲蛋白受體基因PxmALP的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，該基因的啟動(dòng)子序列在Cry1Ac敏感和抗性種群中雖然存在多個(gè)SNP位點(diǎn)，但這些位點(diǎn)并不影響PxmALP的啟動(dòng)子活性。進(jìn)一步分析表明，PxmALP啟動(dòng)子區(qū)存在多個(gè)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)，其中轉(zhuǎn)錄因子GATAd在敏感種群中表達(dá)量顯著高于抗性種群，且可差異調(diào)控敏感和抗性小菜蛾啟動(dòng)子活性變化。隨后，通過(guò)定點(diǎn)突變、EMSA及酵母單雜等實(shí)驗(yàn)技術(shù)驗(yàn)證了GATAd可與敏感和抗性小菜蛾啟動(dòng)子中不同的結(jié)合位點(diǎn)特異性結(jié)合。此外，在抗性啟動(dòng)子中GATAd結(jié)合位點(diǎn)附近，連續(xù)六個(gè)核苷酸的插入顯著抑制了GATAd的調(diào)控活性。抗性小菜蛾種群中利用RNAi沉默MAPK信號(hào)途徑上游的MAP4K4基因后，GATAd和PxmALP基因的表達(dá)量顯著上調(diào)，說(shuō)明MAPK信號(hào)途徑通過(guò)反式調(diào)控GATAd從而調(diào)控PxmALP基因的表達(dá)，導(dǎo)致小菜蛾對(duì)Bt殺蟲蛋白Cry1Ac產(chǎn)生高抗性。本研究為昆蟲Bt抗性相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制研究提供了重要借鑒，并為揭示害蟲Bt抗性進(jìn)化機(jī)制提供了理論支撐。

圖1. MAPK信號(hào)途徑通過(guò)GATAd調(diào)控PxmALP表達(dá)下調(diào)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制

      張友軍團(tuán)隊(duì)的博士生郭樂(lè)為論文第一作者，碩士生程周強(qiáng)、博士生覃艦瑩和博士后孫丹為共同第一作者，郭兆將研究員與張友軍研究員為論文的共同通訊作者。該研究得到了嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)室科研項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)青和面上項(xiàng)目以及中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程等項(xiàng)目資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1010037

宣傳信息員郭兆將