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昆虫对转Bt基因作物的抗性及对策


《生命的化学》2008年28卷3期
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CHEMISTRY OF LIFE 2008,28(3)

●Current Topic

文章编号:1000—1336(2008)03—0358—04

昆虫对转Bt基因作物的抗性及对策
金有智 郭淑元

(北京理1I二大学生命科学与技术学院,北京100081)

摘要:本文。£要总结了近年来害虫对表达苏云金芽胞杆菌(Bacillus

f^“,f,lgfe,lsfj,Bt)杀虫毒素的转基因作物在实验

室和自然田野环境下产牛抗性的现状,及研究表明害虫产生抗性可能的机理,简单地讨论了昆虫抗性遗传机制对 转基因作物持续性应用可能造成的影响和目前延缓昆虫产牛抗性的策略。最后探讨了未来新的转基冈技术的发展 前景和延缓昆虫抗性策略的发展方向。 关键词:转Bt基因作物;C ry蛋白;抗性机制;延缓抗性策略 中图分类号:Q939.9

转Bt基因抗虫作物对环境友好,能很好地保护 作物抵御害虫,得到了大规模的商业种植,在中国 即有710万公顷的转Bt抗虫棉…。然而,囚为野生 环境中的昆虫携载抗性等位基因,人们担心转Bt基 因作物表达的毒素会像化学杀虫剂一样,最终引起 昆虫抗性的产生。 1.昆虫针对转Bt基因作物产生抗性的现状 目前已有数十例报道表明在实验室条件下昆虫 演化出了对转Bt作物的耐受性。一些危害严重的昆 虫,如玉米夜蛾(Plodia interpunctella),欧洲玉米螟
(Ostrinia nubflalis),棉红铃虫(Pectinophol'a

基因频率增/JH(对CrylAb,Bt毒素的一个种类)口】。在 中国,报道表明2002—2005年问河北省和III东地区抗 虫棉田中棉铃虫(Helicoverpa armigera)抗性荩因频率 只有很小幅度的上升【4】。 目前只有为数不多的几种昆虫住自然环境中产 生r抗性(且多数抗性很低)。但是,尽管因为生态环境 不同,实验中模拟的结果与现实差距很大,在遗传 和基因本质上,自然环境巾的种群和实验室中的种 群却是柑同的。所以预防昆虫抗性产生十分重要。 2.昆虫产生抗性的机理及遗传机制 2.1昆虫产生抗性的机理 现在的研表明,抗性产生

gossypiella)都表现出了对晶体蛋白(crystallin,Cry)很 高的耐受性。但是在实验室中喂食昆虫的毒素剂量 通常低于自然条件,所以表明实验室条件下模拟的 结果不能直接用来反映日前自然环境中的情况。 在自然田野中,世界上绝人部分地区也没有发 现大面积昆虫抗性产生。美国一个为期8年(1997~201M) 的转基因抗虫棉田监视项目显示在棉田中棉红铃虫种 群内抗性基因频率没有显著性增JJtlt 21。在西班牙一 个8年(1998—2005)的种植监测项目中也没有发现玉米 螟(Sesamia nonagrioides和0.nubilalis)种群中抗性
收稿日期:2008.02.28 作者简介:金有智(1 9 8 5-),男,本科生,E-mail: corleone@bit.edu.cn;郭淑元,女。博士,副教授,联系作者,
E—mail:guosy@bit.edu.cn

应是源于多基因、多机制的综合效果:包括基因突 变、相关蛋白质糖荩修饰(蛋白质受体的定位,信号 传导途径)、蛋白质表达量的调节f5】。以下是昆虫抗 性的有关机理和假说。 (1)使中肠内壁细胞表面受体结合位点发生改 变。改变肠壁细胞Cry蛋白受体结合位点足昆虫中 普遍存住的一种抗性机制。它可使细胞对Cry蛋白 亲和力下降,昆虫因此抗性增强。抗性鳞翅目昆虫 烟芽夜蛾(Heliothis virescens)与非抗性昆虫对比,发 现抗性昆虫巾这种蛋白在结合位点发生了修饰[61。 当敲除{E抗性昆虫的相关基因后,昆虫表现了较高 的抗性,这便进一步证明该基因突变与昆虫抗性相 关。最近研究表明,特定基因位点的改变会影响Cry
蛋白结合口】。

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●知识介绍

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(2)肠壁细胞表面受体的数目下调。有些抗性昆 虫中钙粘蛋白(Cry蛋白受体)转录过程被终止,所以 受体位点数目下降【81。这样则导致对Cry蛋白的结合 量减少,最终耐受性相应提高。而且有报道推测,昆 虫细胞周期中的分裂期(M期)是形成细胞膜表面Cry 蛋白受体的关键时期。在对草地夜蛾(Spodoptera frugiperda)组织细胞进行检测时发现,由于药物处理 停滞在G:-M期的细胞,重新恢复分裂后,膜受体结 构对Cry蛋白的亲和力降低,而且无法被分离。这 与正常细胞明显不同,所以M期可能是细胞膜上形 成CrylC蛋白受体结构的关键时期一1。在其它时期 内,Cry受体蛋白表达受到抑制,如果植物表达昆虫 M期细胞周期因子,则可达到变相提高Cry蛋白剂
量的目的。

表达量也开始上调。但在观测中发现,当昆虫被处 置以不同剂量时(0.2、1、10、20、35 ng),仅在毒素 含量较高的状态下(?0 ng),解毒蛋白(如P450)的表 达量才会提高,这表明只有高毒素剂量才能引起这 类解毒基因的表达。 另外,一些酯酶也可能加速Cry蛋白降解。抗 性烟草天蛾(Manduca sexta)幼虫在食入Cry蛋白后, 在其体内观察到了三个基因表达量上调。其中产物 之一即为羧基/胆碱酯酶。它被认为参与解毒的具体 过程(表达量上调,无活性Cry短片段的增加)。同时 还观测到另一些酶含量发生了变化,如一些脂肪酶、 羧肽酶、金属蛋白酶、丝氨酸蛋白酶、仅一淀粉酶等, 这些酶也被认为与解毒过程相关1101。 (5)昆虫基因自发突变。基因突变是昆虫产生抗 性基因的本质来源。目前基因突变的主要方式是表 达Cry受体结合部位基因的缺失。这种缺失引起受 体蛋白亲和力下降,最终导致Cry蛋白无法结合。 根据报道,无抗性的甘蓝银纹夜蛾对于Cry 1 Ab 和CrylAc最大结合率分别为22%和18.1%;而抗性 昆虫的最大结合率仅为3%和1.6%。研究发现抗性 昆虫受体蛋白的基因序列中Cry蛋白结合区减短【9】。 在抗性棉红铃虫中,就已经报道了三种钙黏蛋白的 突变基因(71,24个碱荩缺失;v2,202碱基缺失;怕, 126个碱基缺失),这些荩因的表达产物在其Cry蛋白 结合位点处都存在受体结合部位氨基酸序列的缺失
1141。

(3)蛋白酶失活或含量下降导致原毒素不能被激 活为成熟毒素。Cry原毒素对受体的亲和性远远不 如成熟毒素,所以Cry原毒素必须经蛋白酶水解成 为小的活性片段后才能高效结合受体,完全发挥毒 性。而昆虫中肠内蛋白酶活性降低将影响Cry毒素 的水解,从而提高对毒素的耐受性。 鳞翅目昆虫云杉色卷蛾(Choristoneurafu,,liferana) 幼虫在食入CrylAb原毒素2 ̄5小时内,一些蛋白酶 和磷脂酶表达量下调,酶活性受到抑制。其中,丝 氨酸蛋白酶在原毒素激活过程发挥重要作用【1 01,它 能直接将Cry原毒素大片段分解为具有活性的小片 段。在磷脂酶中特别发现一种碱性磷脂酶蛋白
(Heliothis
virescens alkaline

phosphatase,HvALP,GPI

2.2抗性的遗传机制

抗性基因的遗传机制对昆虫抗

锚定)对昆虫抗性起重要作用。抗性昆虫的碱性磷酸 酶活性较非抗性昆虫减少了三成以上,另有一些磷 酸酯酶活性则减少达50%t11,12]。由于磷脂酶在昆虫 中普遍存在,因此可以推测减少相关水解酶活性这 种抗性机制可能足普遍存在的。 (4)中肠内_柑关解毒酶表达量增加导致毒素的降 解。抗性昆虫也会通过提高体内氧化酶和裂觎酶的 表达水平以加速对Cry蛋白的降解,从而提高对毒 素的抗性。目前认为过氧化物酶在Cry蛋白的降解 过程中起了关键作用。玉米夜蛾会利用从植物中食 取的茉莉酮酸酯和水杨酸盐作为信号分子诱导自身 4个细胞色素P450基冈的表达量上调,这是过氧化 物酶加速Cry蛋白降解的明显例证¨31。云杉色卷蛾 食入Cry蛋白后,一些解毒基因、免疫调控基因的

性演化起着重要的作用。大量的测交和回交实验证 明,多数昆虫的抗性基因是隐性的,即含有抗性基 因和易感基因的杂合子昆虫不会表现出抗性。这个 结果f分重要,因为这是庇护所策略有效的前提保 证。从目前的情况来看,多数害虫的抗性等位基因 是隐性基因。同时,实验室中通常用人造混合物或 含有Cry蛋白的落叶碎屑(垭致死剂量)喂养昆虫,而 在自然环境下昆虫直接取食表达高剂量Cry蛋白的 植株却不能存活。这说明害虫抗性的增加是一个渐 近积累的过程。‘ 也有报道表明一些地区的玉米螟抗性基因足不 完全显性【”】。这种不完全显性只在一定毒素剂量范 围表现(低剂量和中度剂量范围),当毒蛋白的剂量 超过一定域值,所有的害虫个体都会死亡。对于在

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遗传表型上不是隐性的害虫,有研究表明庇护所在 整个田野中的比例需要进一步加大,其中在庇护所 范围为20%的田地中,昆虫抗性显出了大幅的增加, 而庇护所为50%的田野中昆虫抗性的变化才接近不 变【16】。 同时还有报道指出昆虫抗性基因表现出伴性遗 传规律。具体表现为有抗性的雌性棉铃虫
(Helicoverpa armigera)与非抗性雄虫杂交后,子一代

4.小结 从现在的研究报道来看,由于Cry蛋白本身的 毒性、庇护所防治策略的实施和其它多种因素的综 合作用,昆虫对转Bt作物产生抗性依然很困难。在 笔者实验室中主要进行关于对Cry蛋白的突变实验, 以研究其对受体蛋白的结合和对穿膜作用的影响。 相关实验表明,对Cry蛋白关键区域的删除和突变 会影响Cry受体的结合反应。这从侧面说明,昆虫 对自身受体蛋白的突变会对蛋白结合和最终穿膜作 用的发挥产生重要的影响。 不同的抗性等位基因表现出了交叉抗性、显性 遗传及母系遗传的多种特征,人们根据这些义素设 计了多种毒素结合,高剂量或超高剂量表达,在不

具有较高抗性。反之将非抗性雌虫与抗性雄虫杂交 后,子一代抗性很低。这说明了抗性遗传过程中存 在母系遗传效应,其原因这很可能与卵子中包含较 多的线粒体有关H71。 3.目前延缓昆虫产生抗性的手段 3.1高剂量/庇护所(high dose/refuge)策略 目前延缓昆

同时间和空I.日J使用庇护所等防治策略。目前加拿大 食品监督局(Canadian
Food Inspection

虫抗性的主要栽种策略足高剂量/庇护所策略。设 置庇护的目的在于保持一定比例非抗性的等位基因, 以延缓耐受高剂量毒素昆虫的产生。目前庇护所策 略已经在美国、加拿大、西班牙采用。从以上三国 的监测结果来看,这一策略比较奏效。新近的研究 也显示了庇护所策略在自然田野中延缓抗性昆虫产 生的效果与实验室预测的延缓抗性模型基本符合
【22】。

Agency)已经决

定采用综合性的昆虫抗性管理方案来延缓昆虫抗性 的发生。其中包括在植物体内联合表达蛋白酶抑制 剂,几丁质内毒素和以真菌为基础的杀虫蛋白。在 未来,Bt蛋白抗虫的范围将扩人到“目”这一级别, 其特异性过强,抗虫谱过窄的现象将得到改变;而 且Cry毒素住未来将被改造成为不需经原毒素激活 过程的速效杀虫剂。希望能有更为先进的策略使抗

-3.2将不同Cry蛋白组合表达

植株表达单基因的缺

虫效果费效比达到最高,相信转Bt作物会有良好的 发展前景。 参考文献
【l】Global Status of Commercialized 37 【2】Tabashnik BE甜a1.Proc Natl Acad 15389.15393

点是抗虫范围比较小,且容易引起昆虫抗性。将不 同Cry蛋白组合表达会使作物具有更广的抗虫谱和 更强的杀虫效力。在实验室中小菜蛾虽然表现出对 几种同源关系较近的毒素(CrylC,CrylAb、CrylAc) 的交叉抗性,但对同源关系较远的蛋白质CrylCa则 没有表现出显著的抗性【19】。欧洲玉米螟(D.nubilalis) 在经过35代抗性选育之后可以达到针对CryIF比第 一代高3000倍的抗性,但是对CryIAb和Cry9C的抗 性和野生型昆虫并无不同心01。
3.3

Biotech/GM Crops.2007,

Sci£,跗,2005,102:

【3】Manuel GB

Pf

a1.Sustainability

in

Agriculture,Food and

Henlth Unit。Spain。2007

【4】Guo PL口f 【5】Heckel DG

a1.Ec01.砌tomol,2007,32(4):366—375
et

a1.J Invertebr P口f^ol,2007。95(3):192—197

Cry蛋白的结构域互换

将不同来源的Cry蛋白

16】Tsuda [71

Y et

a1.J Biochem,2003,369:697—703
et a1.Insect

结构域(domain I,II,III)互换可以获得具有更大抗虫 范围或更强毒性的蛋白。比如将CrylIa的结构域II 与CrylBa的结构域I和结构域III基因片段拼接后导 人马铃薯,其成熟植株能同时杀灭鞘翅目和鳞翅目 昆虫,显示了更大的杀虫范围。玉米螟食用了结构 域II经过修饰(选择了植物偏好的密码子)的植株后, 致死率是100%,对甲虫类的致死率高于80%t211。这 也充分说明了新型Cry蛋白的有效性。

Fabrick JA
et D

Biochem

Mol Biol。2007,37(2):97—106

【8】Xu X

a1.Appl Environ
et

Microbiol,2005,7 l:948—954

【9】Avisar

a1.J CPff Sci,2005,1 18:3163—3171

【10】Munster MV甜a1.Insect Mol Biol,2007,16(1):25—35

[1l】Jurat—Fuentes儿£f

a1.Eur J Biochem,2004,27l:3127—3135

【121 Jurat-Fuentes JL“4Z.J invertebr Pathol。2006,92:166—17l 【13】Li XC
ef

a1.Nature,2002。419:712-715
et et

【14】Morin S
【1 5】Huang


a1.Proc Natl Acad

Sci嬲A.2003,100:5004—5009

a1.Science。1999,284:965?967

【16】Cerda H el aL,Appl Entomol,2006,130(8):421-425

万   方数据

●知识介绍
【17】Ma G
et

《生命的化学》2008年28卷3期
CHEMISTRY OF LIFE 2008,28(3) Mol Biol,2005,35:729-739
3219

?36l?

a1.Insect Biochem
et

【1 8】Tabashnik BE
【19】Liu YB
et

a1.Nat

Biotechnol,2008。26(2):199?202 Microbiol。2001,67(57):3216-

【20】Pereira EJG 【21】Naimov

et

et

a1.Ent Exp App,2008,126(2):1 15—121

a1.App Environ

a1.Plant Biotechnol^2003,l:51-57

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昆虫对转Bt基因作物的抗性及对策
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 金有智, 郭淑元, JIN You-Zhi, GUO Shu-Yuan 北京理工大学生命科学与技术学院,北京,100081 生命的化学 CHEMISTRY OF LIFE 2008,28(3) 1次

参考文献(21条) 1.Global Status of Commercialized Biotech/GM Crops 2007 2.Tabashnik BE 查看详情 2005 3.Manuel GB Sustainability in Agriculture 2007 4.Guo PL 查看详情 2007(04) 5.Heckel DG 查看详情 2007(03) 6.Tsuda Y 查看详情 2003 7.Fabrick JA 查看详情 2007(02) 8.Xu X 查看详情 2005 9.Avisar D 查看详情 2005 10.Munster MV 查看详情 2007(01) 11.Jurat-Fuentes JL 查看详情 2004 12.Jurat-Fuentes JL 查看详情 2006 13.Li XC 查看详情 2002 14.Morin S 查看详情 2003 15.Huang F 查看详情 1999 16.Cerda H 查看详情 2006(08) 17.Ma G 查看详情 2005 18.Tabashnik BE 查看详情 2008(02) 19.Liu YB 查看详情 2001(57) 20.Pereira EJG 查看详情 2008(02) 21.Naimov S 查看详情 2003

引证文献(1条) 1.李玉刚.孙晓东.张再兴 我国淡色库蚊和中华按蚊抗性研究历史及现状[期刊论文]-医学动物防制 2010(2)

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