基因搜索揭示全球棉花抗虫关键

在农民和昆虫之间无休止的战争的最新战役中，这些昆虫正在适应通过基因工程杀死它们的庄稼。

发表在《美国国家科学院院刊》上的一项新研究发现了一种显性基因突变，这种突变使棉铃虫幼虫对工程棉花产生了抗性，棉铃虫是世界上最具破坏性的农作物害虫之一。基因组学和基因编辑在这项研究中的前沿应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、玉米和大豆已经被基因工程改造，从广泛存在的土壤细菌苏云金杆菌或Bt中产生杀虫蛋白。这些环保的Bt蛋白对人类和野生动物(包括蜜蜂)无毒，50多年来一直被有机种植者用作喷雾剂，也是全球数百万农民种植的工程Bt作物，1996年累计总面积超过20亿亩。

来自亚利桑那大学、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。他们的目标是确定使Bt对棉铃虫产生抗性的突变，并精确编辑一个棉铃虫基因，以证明这种突变导致了抗性，并找出这种抗性是如何在中国的棉田中传播的。

“这是一个非凡的侦探故事，”UA昆虫学系Regents教授、该研究的合著者布鲁斯塔巴什尼克(Bruce Tabashnik)说。“没有基因技术的最新发展，就不可能发现单个DNA碱基对的变化，这将导致棉铃虫基因组上亿个碱基对的抗性。”

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，就像它们对传统杀虫剂的抗性一样。但是，在之前几乎所有的情况下，Bt抗性都是隐性遗传。这意味着昆虫必须有两个拷贝的抗性基因——每个父母一个——这样它们才能吃Bt作物并在上面生存。

为了抵抗抗性，农民为非Bt作物种植庇护所，在那里易受感染的昆虫可以茁壮成长。这个想法是，稀有的抗性昆虫将与避难所中更敏感的昆虫交配，产生只有一个抗性基因拷贝的后代。由于隐性遗传抗性，这个后代不能在Bt作物上生存。

虽然避难所不能完全阻止抵抗的进化，但它们可以被大大推迟——尤其是当抵抗是隐性的时候。

然而，在中国，报告称对主要棉铃虫Bt的抗性正在上升。显性突变只有一个拷贝使棉铃虫产生抗性。

由于显性抗Bt的遗传基础此前未知，研究人员不得不仔细检查棉铃虫的全基因组，以找到罪魁祸首。通过比较抗性和敏感棉铃虫的DNA，他们将搜索范围从17000个基因缩小到只有21个与抗性相关的基因区域。

“但是这些基因中只有17个可以编码毛毛虫产生的蛋白质，”塔巴斯尼克说，他解释说只有棉铃虫毛毛虫才能被Bt蛋白杀死。

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

这个关键碱基对位于一个新发现的名为HaTSPAN1的基因中，该基因编码一种四跨膜蛋白——一种有四个跨细胞膜片段的蛋白。虽然HaTSPAN1的正常功能尚不清楚，但许多其他跨膜蛋白在细胞间通讯中很重要。尽管之前已经有近3万个关于Bt或四膜蛋白的研究，但这项新研究首次发现了它们之间的密切关系。

鉴定突变碱基对的第二个挑战是确定这种单一突变是否导致抗性。为了找到答案，研究团队使用基因编辑工具CRISPR来精确改变HaTSPAN1基因。当抗性棉铃虫的基因被破坏时，它们对Bt变得完全敏感。相反，当突变插入敏感棉铃虫的DNA时，它们会产生抗性——证明仅这一个碱基对的改变就会导致抗性。

最后一步是在田间验证这种突变有助于抗虫棉抗性的假设。通过对2006年至2016年收集的数千份保存的棉铃虫DNA突变进行筛选，研究人员发现突变频率增加了100倍，从千分之一增加到十分之一。

对棉铃虫的抗性不足以显著降低我国棉花产量，但显性基因传播速度快于其他抗性基因。Tabashnik的分析预测，如果目前的趋势继续下去，中国北方一半的棉铃虫将在五年内产生这种突变引起的抗性。

尼克说：“如果事情继续沿着同样的轨迹发展，那么这种突变会给这个领域的农民带来问题。”

然而，中国农民改变策略，抵制Bt抵抗还为时过早。该报提到，他们可以从只生产一种Bt蛋白的棉花，变成美国和澳大利亚种植的棉花，生产两种或三种不同的Bt蛋白。Tabashnik希望这项新研究能够促进农民的可持续发展。

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和积极的决定。”

通过每年对害虫种群进行采样，农民和研究人员可以知道哪种方法在预防抗药性方面最有效。

了解棉铃虫的抗药性具有全球意义，因为它发生在150多个国家，现在可能入侵美国。

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。