近日，中国农业科学院蔬菜花卉研究所张友军研究员领衔的蔬菜虫害防控创新团队在小菜蛾Bt抗性中肠受体基因转录调控机制研究领域取得新进展。该研究发现MAPK信号途径调控的转录因子GATAd通过与Bt Cry1Ac杀虫蛋白受体基因PxmALP的启动子不同靶标位点结合，调控抗性小菜蛾PxmALP基因表达下调，从而参与小菜蛾Bt Cry1Ac杀虫蛋白抗性的形成。研究结果为昆虫Bt抗性转录调控机制研究提供了全新视角。相关内容以“MAPK-mediated transcription factor GATAd contributes to Cry1Ac resistance in diamondback moth by reducing PxmALP expression”为题发表于国际著名期刊PLoS Genetics上。
苏云金芽胞杆菌（Bacillus thuringiensis, Bt）属革兰氏阳性细菌，产生的多种杀虫蛋白可以杀死多种农业害虫，具有靶标特异、环境友好的特点，基于Bt杀虫蛋白的生物杀虫剂及转基因作物已广泛应用于全球农业生产。然而，随着Bt生物杀虫剂和转Bt基因抗虫作物的大面积使用与推广，害虫对Bt快速进化产生抗药性，严重制约了Bt生物技术产品的发展。目前，全世界至少已经有9种重大农业害虫在田间对Bt生物杀虫剂和转Bt基因抗虫作物产生了高抗性。小菜蛾是为害十字花科蔬菜和作物的重要害虫，每年在全球造成的经济损失高达40-50亿美元。目前，小菜蛾已对多种化学和生物杀虫剂产生了抗药性，是最早在田间被报道对Bt生物杀虫剂产生抗药性的农业害虫。
张友军团队前期研究已表明，小菜蛾昆虫激素含量升高及其串扰激活的MAPK信号途径反式调控中肠受体和非受体同源基因差异表达，从而使小菜蛾在维持正常生长发育的前提下对Bt Cry1Ac杀虫蛋白产生完美的高抗性。相关研究结果相继发表于PLoS Genetics （2015）、Nature Communications （2020）和PLoS Pathogens （2021） 等国际著名期刊。然而，MAPK信号途径调控中肠基因差异表达的转录调控机制仍不清楚。
在本研究中，张友军团队在前期研究的基础上成功解析了小菜蛾Bt Cry1Ac杀虫蛋白受体基因PxmALP的转录调控机制。研究发现，该基因的启动子序列在Cry1Ac敏感和抗性种群中虽然存在多个SNP位点，但这些位点并不影响PxmALP的启动子活性。进一步分析表明，PxmALP启动子区存在多个转录因子结合位点，其中转录因子GATAd在敏感种群中表达量显著高于抗性种群，且可差异调控敏感和抗性小菜蛾启动子活性变化。随后，通过定点突变、EMSA及酵母单杂等实验技术验证了GATAd可与敏感和抗性小菜蛾启动子中不同的结合位点特异性结合。此外，在抗性启动子中GATAd结合位点附近，连续六个核苷酸的插入显著抑制了GATAd的调控活性。抗性小菜蛾种群中利用RNAi沉默MAPK信号途径上游的MAP4K4基因后，GATAd和PxmALP基因的表达量显著上调，说明MAPK信号途径通过反式调控GATAd从而调控PxmALP基因的表达，导致小菜蛾对Bt杀虫蛋白Cry1Ac产生高抗性。本研究为昆虫Bt抗性相关基因的转录调控机制研究提供了重要借鉴，并为揭示害虫Bt抗性进化机制提供了理论支撑。
图1. MAPK信号途径通过GATAd调控PxmALP表达下调的转录调控机制
张友军团队的博士生郭乐为论文第一作者，硕士生程周强、博士生覃舰莹和博士后孙丹为共同第一作者，郭兆将研究员与张友军研究员为论文的共同通讯作者。该研究得到了岭南现代农业实验室科研项目、国家自然科学基金优青和面上项目以及中国农业科学院科技创新工程等项目资助。
原文链接：https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1010037
