小菜蛾作為一種世界性為害的重大農(nóng)業(yè)害蟲，也是世界上第一個(gè)被報(bào)道在田間對(duì)Bt生物殺蟲劑產(chǎn)生高抗性的農(nóng)業(yè)害蟲。
小菜蛾能在不影響其自身生長(zhǎng)發(fā)育的前提下對(duì)Bt殺蟲劑進(jìn)化出完美的高抗性。
小菜蛾幼蟲。受訪者供圖
近日，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所（以下簡(jiǎn)稱蔬菜所）研究員張友軍團(tuán)隊(duì)解析了小菜蛾Bt抗性的適合度代價(jià)補(bǔ)償機(jī)制，首次明確了RNA甲基化修飾在小菜蛾彌補(bǔ)Bt抗性產(chǎn)生所帶來的適合度代價(jià)中的關(guān)鍵作用。
相關(guān)成果12月12日在線發(fā)表于《先進(jìn)科學(xué)》（Advanced Science）。
適合度代價(jià)：害蟲防治的關(guān)鍵利器
論文通訊作者張友軍告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，目前，害蟲防治主要依賴各類化學(xué)和生物殺蟲劑，殺蟲劑的大量使用極易導(dǎo)致害蟲的抗藥性進(jìn)化。
而害蟲的抗性進(jìn)化常常伴隨著嚴(yán)重的適合度代價(jià)，即昆蟲在受到外界某種壓力時(shí)，導(dǎo)致自身生長(zhǎng)發(fā)育延遲、生殖力下降和死亡率降低等現(xiàn)象。“通俗地說，就是活的不好了”。適合度代價(jià)成為延緩田間害蟲抗藥性進(jìn)化的天然屏障和關(guān)鍵利器。
因此，害蟲想要存活和繁殖下去，必須克服殺蟲劑抗藥性進(jìn)化所產(chǎn)生的適合度代價(jià)，而有些害蟲種群的確能在不影響生長(zhǎng)發(fā)育的前提下對(duì)殺蟲劑進(jìn)化出完美的高抗性。這對(duì)殺蟲劑的有效利用構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。
蘇云金芽胞桿菌，也就是Bt，能產(chǎn)生多種殺蟲蛋白，基于這些殺蟲蛋白研發(fā)的Bt生物殺蟲劑和轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲作物能高效特異的殺死不同農(nóng)業(yè)害蟲，而對(duì)人畜環(huán)境安全無害。
“小菜蛾是研究害蟲種群在不影響其自身生長(zhǎng)發(fā)育的前提下對(duì)殺蟲劑進(jìn)化出完美高抗性的良好實(shí)驗(yàn)材料。”張友軍說。
在之前的研究中，張友軍團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)昆蟲保幼激素含量升高可以調(diào)控不同中腸Bt非受體同源基因上調(diào)，從而彌補(bǔ)中腸Bt受體基因下調(diào)帶來的適合度代價(jià)，使得小菜蛾在維持正常生長(zhǎng)發(fā)育的前提下對(duì)Bt殺蟲劑進(jìn)化出完美的高抗性。
然而，調(diào)控小菜蛾體內(nèi)保幼激素含量升高的機(jī)制是不清楚的，于是他們接下來繼續(xù)探索保幼激素含量升高的原因。
RNA甲基化修飾：導(dǎo)致完美抗性的“元兇”
論文第一作者兼共同通訊作者、蔬菜所研究員郭兆將告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，他們關(guān)注到的RNA甲基化修飾是m6A修飾，它是指在RNA分子的腺嘌呤A上加一個(gè)甲基基團(tuán)，這種RNA甲基化修飾在生物體內(nèi)廣泛存在。“大量研究表明這種修飾在動(dòng)物免疫應(yīng)答、植物抵御病原體感染及病原微生物逃避宿主的免疫防御中發(fā)揮重要作用。”郭兆將說。
早在1975年，在人類肝腫瘤細(xì)胞中首次發(fā)現(xiàn)了m6A修飾。經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的研究，這種修飾的形成機(jī)制及生物學(xué)功能才慢慢被人們了解。
m6A修飾的甲基基團(tuán)是被一個(gè)稱為甲基轉(zhuǎn)移酶的蛋白復(fù)合體添加到RNA分子的腺嘌呤上的。同時(shí)，另一個(gè)被稱之為去甲基化酶的蛋白可以將這個(gè)甲基基團(tuán)去除。因此，可以說甲基基團(tuán)的添加與去除是一個(gè)可逆的過程。
添加的甲基基團(tuán)可以與m6A識(shí)別蛋白相結(jié)合后招募另一種功能性蛋白去調(diào)控RNA分子的各種命運(yùn)，進(jìn)而影響生物體內(nèi)的多種生物學(xué)功能。
該團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，這種RNA甲基化修飾可以通過調(diào)控保幼激素含量影響小菜蛾Bt抗性的適合度代價(jià)。
揭示“元兇”的調(diào)控機(jī)制
郭兆將員介紹，他們首先發(fā)現(xiàn)了m6A這種修飾在Bt抗性小菜蛾的中腸組織中是顯著升高的。而且，m6A修飾水平的升高源于兩個(gè)m6A修飾的甲基轉(zhuǎn)移酶的表達(dá)量升高。
為了驗(yàn)證這兩個(gè)甲基轉(zhuǎn)移酶基因表達(dá)水平的升高是否與Bt抗性相關(guān)，他們將這兩個(gè)基因在抗性群體中沉默，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Bt抗性小菜蛾的保幼激素含量顯著降低，且生長(zhǎng)發(fā)育受到嚴(yán)重影響。這表明兩個(gè)甲基轉(zhuǎn)移酶基因通過調(diào)控保幼激素含量調(diào)控了小菜蛾的適合度代價(jià)。
接下來，他們又篩選到小菜蛾保幼激素酯酶基因，即保幼激素降解基因。
論文共同第一作者、蔬菜所博士生白楊說：“我們利用詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)充分證明兩個(gè)甲基轉(zhuǎn)移酶基因通過m6A修飾負(fù)向調(diào)控保幼激素降解基因的表達(dá)”。并且，在m6A突變種群中，保幼激素降解基因的m6A水平顯著降低，保幼激素含量恢復(fù)至與敏感種群類似，且該種群出現(xiàn)嚴(yán)重的適合度代價(jià)。
“這進(jìn)一步在體內(nèi)證明了小菜蛾之所以可以彌補(bǔ)對(duì)Bt抗性所產(chǎn)生的適合度代價(jià)，是與保幼激素降解基因的m6A修飾水平升高密切相關(guān)的。”郭兆將說。
該研究在國(guó)際上首次明確了m6A修飾介導(dǎo)的Bt抗性小菜蛾保幼激素含量升高的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制：即兩個(gè)關(guān)鍵的m6A甲基轉(zhuǎn)移酶基因表達(dá)水平的升高促進(jìn)了保幼激素降解基因的m6A水平增加，從而抑制了保幼激素降解基因的表達(dá)，進(jìn)而誘導(dǎo)昆蟲體內(nèi)保幼激素含量顯著升高，使小菜蛾在維持其正常生長(zhǎng)發(fā)育的前提下進(jìn)化出完美的Bt殺蟲劑抗性表型。
張友軍說，該成果為田間害蟲對(duì)殺蟲劑進(jìn)化出的抗性適合度代價(jià)補(bǔ)償機(jī)制的研究提供了參考，對(duì)于田間害蟲Bt抗性監(jiān)測(cè)預(yù)警和綜合治理具有重要的理論和實(shí)踐意義。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1002/advs.202307650
本文鏈接：小小甲基化修飾讓小菜蛾“百毒不侵”http://m.lensthegame.com/show-11-1672-0.html
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