南京农业大学最新《PNAS》

4月17日，南京农业大学植物保护学院吴益东教授团队在《美国国家科学院院刊》（PNAS）发表了题为“Functional redundancy in the toxic pathway of Bt protein Cry1Ab, but not Cry1Fa, against the Asian corn borer”的研究论文，揭示了玉米螟对Bt蛋白Cry1Ab抗性风险低而对Cry1Fa抗性风险高的分子遗传机理，为Bt玉米的可持续利用提供了关键科学依据。南京农业大学王兴亮教授为论文第一作者，吴益东教授与美国亚利桑那大学Bruce Tabashnik教授为共同通讯作者。

为了解析Bt毒素Cry1Ab和Cry1Fa与亚洲玉米螟体内三种不同受体（Cadherin，ABCC2，ABCC3）的互作模式，研究团队首先采用CRISPR基因编辑技术构建了六个不同组合的基因敲除品系，包括3个单基因KO品系和3个双基因KO品系。然后，通过遗传连锁、Sf9细胞毒力、非洲爪蟾卵母细胞离子通道等研究，揭示了两种Bt蛋白截然不同的杀虫机制：Cry1Ab具有ABCC2和Cadherin+ABCC3两条功能冗余的杀虫通路，而Cry1Fa仅依赖其中的ABCC2通路发挥杀虫作用。

田间抗性监测数据显示，表达Cry1Fa的Bt玉米在加拿大种植12年后，欧洲玉米螟就产生了抗性；而表达Cry1Ab的Bt玉米在种植21年后仍对欧洲玉米螟保持优异防效。室内抗性筛选研究表明，玉米螟对Cry1Fa的抗性演化速度明显快于对Cry1Ab的抗性。本研究揭示了这一现象的奥秘：Cry1Fa因依赖单一杀虫通路，抗性风险较高；而Cry1Ab则具有两条冗余的杀虫通路，需要两种不同的受体同时突变才能产生抗性，从而显著降低了抗性风险。

吴益东教授指出，“基因聚合”（Pyramid）是目前最常用的抗性治理对策之一，将两种或多种不同杀虫机制的Bt杀虫蛋白进行聚合使用，使得多个受体只有在同时突变的情况下才能导致抗性，从而延缓抗性演化的过程。对于亚洲玉米螟来说，Cry1Ab因其独特的受体功能冗余特性，相当于一种“天然基因聚合体”，提高了害虫产生抗性的难度。

玉米是我国第一大作物。近年来，我国转基因Bt玉米产业化试点种植取得显著成效，2024年应用面积已突破1000万亩，预计在未来几年将持续快速增长。因此，如何应对玉米螟等害虫的适应性进化，成为我国玉米产业可持续发展中的一项新课题。该研究成果不仅为我国玉米螟Bt抗性监测预警体系的建立提供理论基础，还为制定庇护所、基因聚合等抗性治理策略提供科学依据。

该研究得到国家重点研发计划项目“重要病虫害抗药性机制与治理技术研发”（2022YFD1400900）和国家自然科学基金项目（32372587）的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2503674122

来源：南京农业大学