Bt蛋白“双杀”进攻通道被发现

南京农业大学供应图

4月1日，南京农业大学植物保护学院吴一栋教授的团队发现了一种新的Bt杀虫蛋白对棉铃虫的“双通道”杀虫机制。

Bt毒素是一种对棉铃虫具有显著活性的杀虫蛋白。抗虫棉自1997年开始在中国种植。近年来，棉铃虫对Bt杀虫蛋白Cry1Ac的个体抗性频率在田间逐渐增加。通信作者吴一栋认为，明确棉铃虫的Bt杀虫机理和Bt抗性机理，是开展Bt抗性预警、制定抗性管理策略和开发克服抗性新技术的重要依据。

吴一栋说，棉铃虫幼虫摄入Bt毒素后，Bt毒素识别幼虫中肠上皮细胞微绒毛上的受体，并与一系列受体蛋白相互作用，在中肠细胞膜上形成通透性通道，导致中肠细胞受损脱落，幼虫停止进食死亡。棉铃虫处理Bt蛋白的重要机制之一是受体功能的丧失，这使得Bt毒素的穿孔效率降低或不能穿孔，导致Bt毒素杀虫活性的丧失。

该小组的最新研究发现棉铃虫的ABC转运蛋白ABCC2和ABCC3都是Bt受体。利用CRISPR基因编辑技术分别剔除这两个基因，无法获得抗Bt基因。然而，在同时敲除这两个基因后，他们获得了超过15000次的非常高水平的抗性。“这意味着同时敲除这两个基因将完全解除Bt毒素对棉铃虫的攻击。”吴一栋说道。

第一作者王静解释说，ABCC2和ABCC3是一对具有高度相似结构和重叠功能的Bt受体。当寻找受体发动进攻时，Bt毒素相当于获得了进入敌方阵营的“双渠道”。因此，棉铃虫ABC2和ABC3中没有任何受体并不影响Bt的杀虫效果，从而限制了棉铃虫在ABC2和ABC3途径中的抗性进化能力。

棉铃虫和Bt毒素的攻击和防御之间存在着复杂的相互适应和协同进化关系。在Bt毒素对棉铃虫“双通道”杀虫机制的抑制下，棉铃虫可以避开它的尖锐边缘，在Bt毒素攻击的薄弱环节进化出新的抗性机制。

吴一栋的团队在以前的研究中发现，棉铃虫进化出两种抗性机制来削弱Bt的杀虫能力:一种是棉铃虫Bt受体HaCad(一种钙粘蛋白)通过基因缺失突变，另一种是四跨膜蛋白TSPAN1通过L31S点突变。在这两种情况下，棉铃虫通过失去HaCad的受体功能或增强肠道修复能力而显著增强了对Bt的抗性。

该团队的研究还发现，中国棉铃虫田间抗性个体携带的抗性基因主要是2010年前的HaCad突变和2013年后的TSPAN1突变。该领域尚未检测到ABCC2和ABCC3突变。原因可能是本研究揭示了一对功能冗余的受体ABCC2和ABCC3为Bt毒素攻击提供了平行的“两个通道”，从而束缚了棉铃虫的“手脚”利用这对受体变异逃避攻击。

Bt毒素“双通道”杀虫机制的揭示，不仅为Bt作用机制和害虫抗性机制的研究提供了新的视角，也为开发新的抗性治理策略提供了启示，即新一代Bt棉可以通过聚合多种不同的Bt杀虫基因，形成对棉铃虫的“多通道”杀虫机制，从而有效延缓棉铃虫Bt抗性的进化速度。

相关论文信息:https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1008427