研究破解了提高转基因作物中杀虫蛋白可持续性的密码

几十个国家的农民已经接受了转基因作物，这些作物可以从苏云金芽孢杆菌（Bt）细菌中生产蛋白质，杀死一些关键害虫，但对人类和野生动物是安全的。尽管这种生物技术方法减少了对杀虫剂喷雾的依赖，从而提供了经济和环境效益，但至少有11种害虫对Bt作物的抗性已经进化。因此，迫切需要有效的方法来对抗这种害虫抗性

发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究确定了一种阻止害虫对Bt蛋白产生抗性的自然策略。亚利桑那大学和南京农业大学的研究人员发现，Bt蛋白通过两种不同的途径杀死世界上最具破坏性的作物害虫之一

该研究的作者之一、亚利桑那大学昆虫学系主任布鲁斯·塔巴什尼克说：“因此，这种蛋白质的功效更持久，因为即使害虫阻断了一条途径，另一条途径仍然是致命的，除非这两条途径都被解除武装，否则害虫就没有抵抗力。”

禁用亚洲玉米螟Bt受体的见解

为了杀死害虫，必须摄入Bt蛋白并与肠道内壁的特定受体结合。因为人类和其他动物缺乏这种受体，所以它们不会受到Bt蛋白的伤害。但与致病细菌和抗生素一样，害虫可以进化出对Bt蛋白的抗性

Bt抗性最常见、最有效的机制是受体的变化，这些变化会减少或消除它们与Bt蛋白的结合。许多Bt抗性病例中涉及的三种受体是称为ABCC2、ABCC3和钙粘蛋白的肠道蛋白。

科学家团队使用基因编辑技术使亚洲玉米螟（Ostrinia furnacalis）毛虫中的ABCC2、ABC C3和钙粘蛋白失活，亚洲玉米螟是中国和亚洲其他地区玉米的主要害虫

他们确定了单独和成对禁用三种受体如何影响害虫对Bt蛋白Cry1Ab和Cry1Fa的反应，这两种蛋白广泛用于针对玉米螟和其他鳞翅目害虫的Bt玉米

研究人员发现，Cry1Ab通过两种不同的毒性途径杀死毛虫。一种途径需要ABCC2，而另一种途径则需要钙粘蛋白和ABCC3。这意味着，如果害虫中的突变阻断了一条途径，另一条途径仍然可以带来致命的打击。只有当这两种途径都被阻断时，害虫才会产生抗药性

Cry1Ab的这种“备份系统”使抗性更难进化，因为害虫需要突变同时灭活两条独立的途径才能生存

另一方面，Cry1Fa只使用一条通路，即ABCC2通路。如果被阻断，害虫在暴露于Cry1Fa中会存活下来。因此，破坏ABCC2的害虫中的一个突变可以使其对Cry1Fa具有高度抗性

为了验证上述结果的预测，科学家们通过修改另一种鳞翅目害虫（秋粘虫）的细胞系来产生亚洲玉米螟的受体，从而进行了相反的实验

改良细胞的结果支持了受体受损的毛毛虫的结论。例如，虽然未经修饰的细胞没有被Cry1Ab或Cry1Fa杀死，但经修饰产生ABCC2的细胞被两种Bt蛋白杀死，这证实了ABCC2促进了两者的毒性途径的结论

此外，经修饰产生钙粘蛋白和ABCC3的细胞对Cry1Ab敏感，但对Cry1Fa不敏感。正如预期的那样，这种修饰为Cry1Ab提供了第二条通路，而Cry1Fa则不存在

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关于北美和欧洲一种主要害虫的谜团的潜在解决方案

亚洲玉米螟的新结果可以阐明其近亲欧洲玉米螟（Ostrinia nubilalis）中观察到的一种以前无法解释的模式

在实验室和田间，欧洲玉米螟对Cry1Ab的抗性比Cry1Fa慢。例如，在加拿大，在接触生产Cry1Ab的Bt玉米21年后，降低Bt玉米在田间对这种害虫的有效性的实际抗性并不明显，而在接触生产Cry1Fa的Bt谷物仅12年后，首次记录了实际抗性

一个合理的解释是，与亚洲玉米螟一样，欧洲玉米螟对Cry1Ab有两种毒性途径，但对Cry1Fa只有一种。这一想法可以通过对欧洲玉米螟进行与分析亚洲玉米螟相同的实验来直接测试

Tabashnik指出，“功能冗余，即单个Bt蛋白使用多种毒性途径，不仅限于Cry1Ab和亚洲玉米螟，它也发生在其他Bt蛋白和其他主要鳞翅目害虫身上。”这种延缓害虫抗性的自然策略可以通过寻找天然Bt蛋白或设计通过多种途径攻击害虫的新型Bt蛋白来提高可持续性。p