图个明白 - 转基因玉米中的抗虫基因及抗性治理

      以下文章来源于南北学苑 ，作者郎志宏

      2020 年 10 月 29 日党的十九届五中全会提出，强化国家战略科技力量，生物育种作为战略科技力量首次提出，自此拉开了生物育种产业化的大幕，2024 年中央一号文件提出“推动生物育种产业化扩面提速”。转基因玉米大豆在完成云南、内蒙古、吉林、河北、四川 5 个省份的试点种植后开始示范应用，种植面积进一步扩大。转基因抗虫玉米对草地贪夜蛾等鳞翅目害虫的防治效果在 90% 以上，“减损增产”效果显著，实现了“虫口夺食”。抗虫玉米因其导入的基因不同，防治的玉米害虫有所差别，下面就抗虫基因、抗性产生及转基因抗虫玉米的抗性治理做简单介绍。

      一）抗虫基因

      目前在转基因抗虫作物上应用的抗虫基因是来源于苏云金芽胞杆菌（Bacillus thuringiensis，简称 Bt）的杀虫蛋白基因，这也是大家常说的 Bt 基因，但是 Bt 基因泛指来源于 Bt 菌的一类基因，不是单个基因的名称。Bt 产生两类杀虫蛋白，一类是与芽胞同时产生的伴胞晶体蛋白（Parasporal crystal proteins），编码基因称为 cry 基因，另一类是营养生长期产生的杀虫蛋白（Vegetative insecticidal proteins），编码基因为 vip 基因。基因的命名根据氨基酸序列的相似性来决定，共有四个等级，如Cry2Ab2。根据 Bt 基因命名委员会网站统计，目前克隆的命名基因超过 1000 种，我们在转基因作物上应用的只是很少的几类基因，不同基因对应的靶标害虫不同。

      1）cry1 类基因

      cry1 类基因中最有名的当属 cry1Ab 基因了，含有 cry1Ab 基因的抗虫转化体包括MON810、Bt11、DBN9936、浙大瑞丰8、ND207、BFL4-2、BBL2-2、LP026-2等，主要防治玉米螟、桃蛀螟、棉铃虫、黏虫等鳞翅目害虫。含有 cry1F 基因的抗虫转化体包括 TC1507（cry1Fa2）、BFL4-2、LP026-2，主要防治靶标害虫种类与 cry1Ab 类似，但 Cry1F 蛋白对玉米螟、桃蛀螟、东方黏虫等杀虫活性低于 Cry1Ab。另一类应用的 cry1 类基因通过结构域互换由多个基因融合而成，如 cry1A.105 由cry1Ac、cry1Ab 和 cry1F 的结构域组成，是转基因玉米 MON89034 转入的抗虫基因。

      2）cry2 类基因

      cry2 类基因的靶标害虫是鳞翅目和双翅目，在转基因玉米中主要应用的是 cry2Ab，如MON89034（cry2Ab2）、浙大瑞丰 8、ND207 和 LP026-2 转化体都含有该基因，对玉米螟、棉铃虫、东方黏虫等有杀虫活性。

      3）cry3 类基因

      Cry3 类蛋白防治的靶标害虫主要是鞘翅目，根萤叶甲是危害美洲玉米的主要鞘翅目害虫，cry3A、cry3Bb1 以及 cry34Ab1、cry35Ab1 主要防治该类害虫，含这些基因的国外玉米转化体有 MON863、59122、MON88017、MIR604 等。根萤叶甲是我国检疫性害虫，在我国尚无发生，但其危害之重、防治之难需要加以重视。我国转化体BBL2-2 含有 cry3B 基因。

      4）vip3A 基因

      Bt vip3A 最大的贡献是对草地贪夜蛾的杀虫活性，含有 vip3A 基因的转化体有 MIR162 和 DBN9501。Vip3A 蛋白是 Bt 菌在营养生长期表达的分泌蛋白，有活性的Vip 蛋白是四聚体结构，对 Vip3A 蛋白位点改造极易造成活性丧失。

      二）抗性及交互抗性

      转基因抗虫玉米可持续种植面临的最大威胁是抗性问题，抗性是指靶标害虫种群暴露于抗虫作物选择压下引起种群以遗传为基础的敏感性降低，抗性产生是由昆虫受体蛋白位点突变造成的，使 Bt 杀虫蛋白丧失了杀虫能力。交互抗性是指靶标害虫对一种 Bt 蛋白产生抗性的同时也对另一种 Bt 蛋白产生抗性的现象。

      1）Bt 蛋白杀虫作用机理

      目前对于 Cry 类蛋白的杀虫机理研究较多，一般认为 Cry 蛋白的杀虫机理是无活性的杀虫晶体前毒素被昆虫摄入后进入昆虫中肠，前毒素在昆虫中肠蛋白酶的作用下酶解并活化为有活性的毒素，活化的 Cry 毒素与昆虫中肠膜细胞上的特异受体结合引起 Cry 毒素构象的变化，从而导致膜插入或形成孔洞，引起细胞渗透压失衡最终导致昆虫死亡。与Cry 杀虫晶体蛋白相比，Vip 营养期杀虫蛋白的杀虫机制尚不明确，但目前关于 Vip 的杀虫机理有两种假说。① 细胞凋亡假说：Vip 蛋白进入昆虫的中肠后，可以不经过激活过程直接与中肠细胞表面的受体蛋白结合，然后在受体蛋白介导下以内吞作用进入细胞，从而诱导细胞凋亡。② 细胞穿孔假说：与 Cry 蛋白类似，Vip 原蛋白经过昆虫中肠蛋白酶的酶解和活化后，与昆虫中肠细胞表面的特异性受体结合，在细胞膜上形成孔洞，最终引起细胞死亡。

      2）抗性和交互抗性研究

      害虫对 Bt 蛋白产生抗性主要是由中肠上皮细胞中与 Bt 蛋白特异结合的受体发生突变造成的。1979 年首次报道在实验室汰选中获得对 Bt 产生 42 倍抗性的印度谷螟，经过 15 代的实验室选择抗性活性达到 100 倍。随后陆续在实验室筛选得到多个对 Bt 蛋白产生抗性的害虫种群。例如经过 Cry1Ab 蛋白汰选，亚洲玉米螟的抗性增加 100 倍（35 代后）；经过 Cry1F 蛋白汰选，亚洲玉米螟的抗性增加 1700 倍（49 代后）。除了在实验室汰选得到 Bt 抗性害虫种群外，近些年在田间也发现对 Bt 作物产生抗性的靶标害虫种群。例如，在美国东部发现对 Cry1Ac 棉花产生抗性的美洲棉铃虫种群，在南非发现对 Cry1Ab 玉米产生抗性的非洲二化螟，在波多黎各发现对 Cry1F 玉米产生抗性的草地贪夜蛾种群，在巴西发现对 Cry1Ab 玉米产生抗性的草地贪夜蛾种群。国内也监测到田间棉铃虫对 Cry1Ac 的抗性水平呈明显上升的趋势。

      Bt 蛋白与昆虫中肠上皮细胞的受体相互结合是一个非常复杂的过程，不同的 Bt 蛋白对应的特异受体可能是一种或多种，如果不同的 Bt 蛋白在昆虫体内存在相同的特异受体，那么它们之间就存在产生交互抗性的可能。例如 Cry1Ab 和 Cry1Ac 有交互抗性，在实验室中发现 Cry1F 抗性玉米螟种群（>1700 倍）对 Cry1Ab 蛋白产生交互抗性，抗性水平达 22.8 倍，这表明 Cry1F 和 Cry1Ab 蛋白存在相同的作用受体。

      三）抗性治理

      为了延缓害虫抗性产生和转基因抗虫玉米的可持续应用，需要抗性治理措施有效执行。抗性治理策略包括高剂量和庇护所，高剂量的标准以表达量高于杀死敏感幼虫浓度 25 倍的剂量作为可操作的高剂量标准，对于同一转化体针对不同靶标害虫都达到高剂量标准还是有一些难度的，例如 Cry1Ab 蛋白对玉米螟、桃蛀螟有较低的 LC50，但对夜蛾科害虫，如草地贪夜蛾的 LC50 值相差 8 倍；在具体实验中我们也发现表达过高的外源蛋白对宿主生长发育产生影响或者宿主的解毒功能使 Bt 蛋白的杀虫活性下降，高剂量策略作为抗性治理策略之一并需考虑其局限性。

      国内获批的转基因抗虫转化体含有两个或者三个抗虫基因，基因叠加对于延缓靶标害虫抗性产生具有积极作用，但需综合考量不同杀虫基因的靶标害虫是否重叠、不同杀虫基因是否存在交互抗性等问题。

      从美国抗性治理经验和中国棉铃虫对 Bt 棉花的天然庇护所抗性治理效果来看庇护所是一种行之有效的抗性治理措施。中国玉米种植面积大，抗虫玉米产业化种植后天然庇护所空间有限，结构庇护所和种子混合庇护所依据不同转化体和靶标害虫建立合理经济的庇护所应用形式。

      转基因玉米大豆从试点种植到示范应用，最终实现产业化是一种必然。转基因作为育种新技术会更广泛的应用于玉米育种，在转基因玉米推广之初，转化体研发者、育种家、种子经营者和农民的知识背景、认知程度存在差异，需要我们积极交流、互相学习、补齐短板，最终实现土地多打粮、农民多赚钱，共同保障国家粮食安全。