美国和印度科学家证实害虫抗Bt棉花的遗传机制

2014-06-28 | 作者: 基因农业网 | 标签: 棉花

A field planted with Bt cotton in Southern Arizona. (Photo: Photo: Timothy Dennehy)
亚利桑那南部一块种植Bt棉花的农田 (摄影: Timothy Dennehy)

来源:seedquest.com,校对:基因农业网(沈文荷)

全球关注害虫抗Bt问题,如今新研究发现了该问题的遗传机制。

来自亚利桑那大学和美国农业部科学家领导的一个国际研究小组发现这个昆虫进化出抗Bt棉花的分子基础。

该成果发表在5月19日的PLoS ONE(PLoS ONE是PLoS出版集团下属的一个电子学术期刊)上,这项研究成果阐明了一种毛毛虫红铃虫抵抗转基因棉花的过程。转基因棉花含有Bt毒素,这种细菌蛋白本该可以杀死昆虫,但红铃虫这种全球性毛毛虫却出人意料进化出抵抗Bt的物质。该研究成果将对管理抗Bt作物害虫有重大影响。

A caterpillar of pink bollworm, a global pest that evolved resistance to Bt cotton in India but the not in the U.S., emerges after devouring a boll of cotton. (Photo: Alex Yelich)棉红铃虫幼虫

从全世界范围来讲,棉红铃虫幼虫对棉花的生产影响都是最有危害的害虫之一。1917年美国首次检测到该虫,这一入侵昆虫对亚利桑那州的棉花种植业造成了巨大损失。以幼虫为害,一般每两个棉铃(含有纤维的果囊)中就有就有一个受损 。

1996年,为防治棉红铃虫幼虫的危害引进了转基因Bt棉花。Bt 棉花含有来自细菌(苏云金芽孢杆菌)的基因,这个基因会使植物产生一种蛋白质,这种蛋白质可以杀死一些特定昆虫(会对棉花造成危害的昆虫),但并非杀死所有昆虫。几十年来,有机种植者对棉花喷施Bt蛋白喷雾,它们可以杀死某些特定的害虫,但对人类和大多数其它生物体无害。用Bt蛋白控制虫害(无论是喷施Bt 蛋白还是使用转基因作物)有效减少了对化学杀虫剂的依赖。Bt蛋白的使用促进了环境效益和经济效益,但当害虫对Bt蛋白产生抗性时这些优势就不复存在。

“Bt作物会产生众多的社会效益,” Jeffrey Fabrick是位于亚利桑那州马里科帕的美国农业部农业研究局的昆虫学家和该研究的主要作者,他说,“通过了解昆虫如何适应Bt作物,我们可以制定出更好的策略,以延缓抗性的演化从而维系这些效益。”

“此前已经在实验室提出了抗Bt蛋白的许多机制,但这是首次对田间Bt 作物的害虫抗性的分子遗传基础分析。” 论文作者之一和亚利桑那大学农业和生命科学学院昆虫系的主任Bruce Tabashnik说,他也是亚利桑那大学BIO5研究所的成员。

因为实验室实验的目的是确定产生抗Bt蛋白的分子机制,科学家们知道红铃虫可以演化出对Bt毒素的抗性,他们必须到印度观察田间的实际情形。

美国农民采取了旨在减缓红铃虫演化出抗性的策略。来自亚利桑那大学和美国农业部的科学家与亚利桑那州的棉农密切合作,以制定和实施抗性管理策略,如提供普通的无Bt棉花植株作为“避难所”和释放不育红铃虫飞蛾。在Bt作物附近种植避难所可以让没有抗性的害虫存活并繁殖,从而降低两个抗性昆虫交配而产生抗性后代的机率。同样,大量释放不育蛾也使得两个抗性害虫交配的机率降低。

因此,所有的红铃虫已在美国西南部根除掉了。用Bt棉花抑制这种害虫是综合虫害管理计划的基石,使亚利桑那州的棉花种植者少用了80%的广谱杀虫剂,每年节省超过1,000万美元。在美国,红铃虫群体在田间没有进化出Bt抗性。
Adult pink bollworm moth (Photo: Alex Yelich)红铃虫成虫

但是,在印度,具有抗性的红铃虫群体已经出现。

在印度出现抗性红铃虫为研究人员提供了一个验证理论的机会,以验证这种害虫在田间进化出的Bt毒素抗性和先前在实验室发现的抗Bt毒素的遗传机制是否相同。在实验室发现的具有抗性的害虫中,科学家们已经确定了一种编码名叫钙粘蛋白的基因发生了突变。 Bt毒素结合钙粘蛋白是使昆虫中毒的重要一步。突变破坏了钙粘蛋白,阻断了这样的结合,让Bt毒素不能伤害这种突变的棉红铃虫。

“我们想看看印度有抗性红铃虫的钙粘蛋白基因是否有这些变化, ” Fabrick说,与印度科学家合作, “我们发现,实验室发现和印度田间与红铃虫抗性相关的发现均是钙粘蛋白基因变化,但突变是不同的,且比我们在实验室亚利桑那红铃虫上发现的突变要多得多。 ”

Tabashnik补充说: “对来自亚利桑那州的超过10,000个个体进行17年的研究和筛选,我们确定了4个钙粘蛋白为基础的抗性突变,而从印度的8个个体中,我们发现了19种不同钙粘蛋白变种,实在是难以想象。”

通过对从世界上种植Bt棉最多的国家印度田间收集的具有抗性的红铃虫DNA测序发现,害虫产生了多种失去功能的钙粘蛋白变种。研究人员发现,来自印度红铃虫的钙粘蛋白惊人多样性是选择性剪接导致的,这是一种新型的抗性机制,允许一个单一的DNA序列编码多种蛋白质变体。 “我们的发现表明选择性剪切与在田间演化出的Bt抗性相关,这是第一例, ” 亚利桑那大学昆虫系的兼职科学家Fabrick说。

库埃纳瓦卡墨西哥国立自治大学的Bt专家Mario Soberón并非该研究报告的作者,他评论说:“这是一个很好的例子,表明昆虫具有进化出不同抗性机制能力。它的一个重要含义是 DNA筛选不能有效地检测出红铃虫对Bt毒素的抗性。”

除了Fabrick和Tabashnik ,如下作者也参加了研究: 印度海得拉巴植物卫生管理研究所的Jeyakumar Ponnuraj,他作为访问学者在Tabashnik的实验室研究红铃虫抗性; 在新德里的印度农业研究所国家综合虫害管理中心的Amar Singh和Raj Tanwar;和亚利桑那大学昆虫系的Gopalan Unnithan,Alex Yelich,Xianchun Li和Yve Carriere。(注:本文参考了世界种业网的翻译)

来源:基因农业网

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