近日，中國農科院張友軍研究員團隊在Cell旗下國際著名綜合性學術期刊The Innovation（IF=33.2）發(fā)表了最新研究成果“A midgut transcriptional regulatory loop favors an insect host to withstand a bacterial pathogen”。該研究在國際上首次報道了一個中腸轉錄調控環(huán)作為關鍵“調控護盾”協(xié)助小菜蛾對Bt殺蟲蛋白進化產生高抗性的分子機制。研究結果為昆蟲Bt抗性分子機制闡明提供全新的視角，對田間Bt抗性分子監(jiān)測和抗性治理具有重要的理論和實踐指導意義。

 

　　蘇云金芽胞桿菌（Bacillus thuringiensis, 簡稱Bt）是一種革蘭氏陽性昆蟲病原細菌，它能產生多種Cry和Vip類殺蟲蛋白，從而高效特異的殺死多種農業(yè)害蟲而對人畜環(huán)境安全無害?；贐t殺蟲蛋白的殺蟲活性研發(fā)的Bt生物殺蟲劑已經成為全球用量最大的微生物殺蟲劑，而轉Bt殺蟲蛋白基因的抗蟲作物也已經在全球30多個國家廣泛種植，并取得了空前巨大的經濟、社會和環(huán)境效益。小菜蛾（Plutella xylostella）是一種世界性的十字花科蔬菜重大害蟲，每年危害導致世界經濟損失高達40-50億美元。同時，小菜蛾也是第一個被報道在田間對Bt生物殺蟲劑進化產生高抗性的農業(yè)害蟲，是研究害蟲Bt抗性機制的理想材料。張友軍團隊長期從事小菜蛾對Bt生物殺蟲劑進化產生抗藥性的分子機制研究，在該研究領域做出了重要學術貢獻。團隊前期研究發(fā)現(xiàn)昆蟲保幼激素（Juvenile hormone, JH）和蛻皮激素（20-hydroxyecdysone, 20E）含量協(xié)同升高可以激活MAPK信號途徑反式調控不同中腸基因差異表達，使小菜蛾在維持正常生長發(fā)育的前提下對Bt進化產生完美的高抗性。相關研究成果相繼發(fā)表于Nature Communications（2020，2022）、PNAS（2023）、Advanced Science（2024）、PLoS Pathogens（2021）、BMC Biology（2022）和PLoS Genetics（2015，2022）等國際著名SCI期刊上，研究成果相繼入選了農業(yè)農村部評選的“2021年中國農業(yè)科學十大進展”，并榮獲了“國際無脊椎動物病理學會2023年度最佳影響力獎（2023 SIP Impact Award）”。

 

　　本研究在上述研究基礎上，進一步通過轉錄組學和分子生物學鑒定到在小菜蛾Bt抗性種群中顯著高表達的功能miRNA （miR-8545）。而且，miR-8545靶向一個全新的小菜蛾中腸20E降解酶基因—葡萄糖脫氫酶（Glucose dehydrogenase, PxGLD）基因，它通過降低PxGLD基因mRNA的穩(wěn)定性抑制該基因表達。進一步研究發(fā)現(xiàn)，miR-8545基因啟動子區(qū)能夠與一個轉錄抑制子PxDfd結合，PxDfd表達水平的降低導致miR-8545表達量增加，從而抑制PxGLD基因的表達，進而引起昆蟲體內20E含量顯著升高。更有趣的是，為了避免20E的過度生產，Bt抗性小菜蛾20E含量升高可以通過反饋調節(jié)抑制PxDfd基因表達，使20E含量不過量升高，從而確保小菜蛾中腸細胞中20E的內穩(wěn)態(tài)，最終形成了一個由前饋調節(jié)和反饋調節(jié)組成的中腸轉錄調控環(huán)作為“免疫護盾”誘導20E含量適度升高，從而激活下游MAPK信號途徑介導到中腸基因差異表達的反式調控機制，最終使小菜蛾在維持正常生長發(fā)育的前提下進化產生完美的Bt抗性表型。本研究在國際上首次明確了表觀遺傳聯(lián)合轉錄調控形成的中腸轉錄調控環(huán)介導小菜蛾Bt抗性的分子機制。研究結果對于田間害蟲Bt抗性監(jiān)測預警和綜合治理具有重要的理論和實踐意義。

 

　　本所郭兆將研究員、朱流紅博士后、程周強博士、董麗娜博士、郭樂博士后（已出站，現(xiàn)為華中農業(yè)大學副教授）、白楊博士后為本論文共同第一作者，郭兆將研究員和張友軍研究員為論文的通訊作者。該研究得到國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體項目和中國農業(yè)科學院科技創(chuàng)新工程項目等資助。

 

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　　https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758（24）00113-9#%20