Nature Plants | 中棉所李付广团队发现棉花源新型高效广谱杀虫蛋白

责编 | 王一

2024年4月29日，中国农业科学院棉花研究所李付广研究员团队在Nature Plants发表了题为iJAZ-based approach to engineer lepidopteran pest resistance in multiple crop species的研究论文。该研究在棉花中发现了具有广谱应用价值的新型高效杀虫蛋白，并揭示了相关的分子机制。

多年来，研究团队长期从事棉花转基因研究工作，在转基因过程中发现来自同一批次转化体的基因工程棉花材料均为不育株，且表现为雌雄不育，同时还发现不育株对棉铃虫具有抗性，虫测结果表现为高抗水平。草地贪夜蛾于2018年入侵我国，是联合国粮农组织认定的全球十大农业害虫之一，危害76科350多种植物，对农业生产构成重大威胁。草地贪夜蛾与棉铃虫一样同为鳞翅目害虫。研究团队利用获得的不育棉花植株叶片饲喂草地贪夜蛾幼虫，同样表现出良好的杀虫效果。进一步研究发现，转基因棉花的不育表型及其抗虫性状都是因GhJAZ24蛋白过表达引起的，而GhJAZ24为棉花源天然蛋白。

GhJAZ24蛋白对棉铃虫和草地贪夜蛾均表现出显著抗虫性，预示着该天然蛋白在防治鳞翅目害虫方面可能具有潜在应用价值。因过表达GhJAZ24蛋白会导致棉花植株不育，成为其育种应用的重要障碍。为此，团队设计了GhJAZ24蛋白的损伤诱导分泌型表达载体并命名为iJAZ。当害虫取食转iJAZ基因工程植物时，大约1小时，GhJAZ24蛋白即在害虫损伤的叶片组织周边细胞被诱导表达，5小时左右表达水平达到高峰，高效表达的GhJAZ24蛋白则被分泌到细胞间储存。研究团队利用iJAZ载体获得的转基因棉花育性恢复正常，且具有显著抗虫性。

草地贪夜蛾分为水稻型和玉米型。研究团队利用iJAZ载体进行转基因，获得了iJAZ基因工程水稻和基因工程玉米，iJAZ水稻和iJAZ玉米均保持良好育性。GFP报告蛋白的体内荧光成像显示，GhJAZ24蛋白在iJAZ玉米叶片中受损伤诱导表达，虫测结果表明，iJAZ水稻和iJAZ玉米对草地贪夜蛾均表现出显著杀虫效果。利用获得的iJAZ水稻和iJAZ玉米分别饲喂稻纵卷叶螟和玉米螟，同样表现为高抗水平。

JAZ蛋白为植物特有的转录抑制蛋白。深入研究发现，GhJAZ24蛋白含有的NGR基序，可以特异性识别害虫肠道中大量存在的APN受体。研究表明含有NGR基序的JAZ蛋白的高度同源序列仅存在于棉花、南瓜、榴莲等少数植物中。NGR基序通过特异识别并结合SfAPN4受体，使GhJAZ24进入草地贪夜蛾肠道细胞并移位到细胞核，在细胞核中靶向SfHDAC3的活性，致使细胞中组蛋白乙酰化重编程，导致肠道表层细胞出现炎症，并可能进一步引发表层细胞内的干细胞有丝分裂出现紊乱，草地贪夜蛾最终死亡。同源分析表明，GhJAZ24靶向的SfAPN4的NHP结构域和SfHDAC3的Zn结合位点结构域在其它食草昆虫中是保守的，尤其是鳞翅目害虫，包括Helicoverpa armigera棉铃虫，Ostrinia nubilalis玉米螟，Plutella xylostella小菜蛾，Manduca sexta烟草天蛾，Danaus plexippus黑脉金斑蝶，Galleria mellonella大蜡螟，Spodoptera exigua甜菜夜蛾，Chilo suppressalis二化螟，Spodoptera litura斜纹夜蛾等，提示棉花天然蛋白GhJAZ24对鳞翅目害虫可能具有广谱杀虫性，对其它具有NHP结构域和Zn结合位点高度保守的昆虫也可能具有抗虫性。

GhJAZ24蛋白的杀虫机制与苏云金芽孢杆菌Bt Cry1Ac蛋白的杀虫机制完全不同。含有NGR的GhJAZ24蛋白通过与APN受体的NHP结构域（345N-472Y）结合进入草地贪夜蛾细胞，而Cry1Ac蛋白则与棉铃虫APN1的949T-970T区域结合。据报道，草地贪夜蛾等部分鳞翅目害虫已对Cry1Ac蛋白产生抗性。该研究结果表明GhJAZ24蛋白与Cry1Ac蛋白具有良好互补性，其杀虫谱更广。

iJAZ为损伤诱导分泌型表达载体，iJAZ基因工程植物的GhJAZ24蛋白只在害虫取食叶片区域周边细胞诱导表达，而收获的农作物种子或果实因基因未表达则不含GhJAZ24蛋白。

研究团队认为iJAZ载体在农作物重大鳞翅目害虫防控方面具有广阔的应用前景，在林草、果蔬等植物的鳞翅目害虫防控方面也可能发挥重要作用。GhJAZ24蛋白由119个氨基酸组成（Cry1Ac含1178个氨基酸），而发挥作用的有效多肽约40个氨基酸，分子量小，容易合成，方便储运，预计可作为生物杀虫剂喷洒到农作物上对环境友好无残留，可作为绿色生物农药用于防控多种类型的鳞翅目害虫，也可能具有重要应用前景。

中国农业科学院棉花研究所默辉娟副研究员为第一作者，博士研究生常会敏、郑州大学农学院赵阁博士、胡冠菁研究员为论文的共同第一作者，李付广研究员为论文通讯作者，中国农业科学院都市农业研究所任茂智教授、上海辰山植物园陈晓亚院士、美国爱荷华州立大学Jonathan F. Wendel院士为论文共同通讯作者。研究工作得到了国家重点研发计划项目和国家自然科学基金等项目的资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41477-024-01682-3