近日，中国农业科学院蔬菜花卉研究所张友军研究员领衔的蔬菜虫害防控创新团队在小菜蛾Bt抗性遗传调控机制研究领域取得新进展。该研究发现了介导小菜蛾Bt抗性的关键自然变异为抗性关键基因MAP4K4上游非编码区一个逆转座子SE2的插入突变，并阐明以SE2为枢纽的Bt抗性调控网络机制。相关内容以“Retrotransposon-mediated evolutionary rewiring of a pathogen response orchestrates a resistance phenotype in an insect host”为题在线发表于发表在《美国科学院院刊（PNAS）》上。
小菜蛾是一种为害十字花科蔬菜作物的世界性重大农业害虫，取食为害后的蔬菜品质和产量急剧下降，为农业生产带了巨大的经济损失。目前，田间防治小菜蛾主要靠使用杀虫剂，而小菜蛾又十分容易对各种杀虫剂产生抗药性，因此，小菜蛾的有效防治成为了农业生产中老大难的问题。苏云金芽胞杆菌（Bt）是一种土壤中常见的细菌，对许多害虫具有毒杀作用，基于Bt菌研发的杀虫剂或转基因作物对环境友好且靶标特异，被广泛应用于害虫防治。然而，随着Bt杀虫剂的不合理使用及Bt转基因作物大面积的推广，害虫很快对这种生物防治产品产生了抗药性。小菜蛾是第一个在田间被报道对Bt制剂产生高水平抗性的农业害虫，科学家们以小菜蛾为研究对象，对害虫Bt抗药性的机制展开了深入研究，取得了丰硕的研究成果。然而，关于小菜蛾对Bt杀虫剂产生抗性的分子机制研究中，仍有许多悬而未决的科学问题。
张友军团队前期研究发现，昆虫保幼激素（JH）和蜕皮激素（20E）含量升高及其串扰可以转录激活小菜蛾BtR-1抗性基因座内丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号途径，介导转录因子调控下游中肠基因差异表达，使小菜蛾既可以对Bt杀虫剂产生高水平抗性，又不影响种群的生长发育。相关研究成果先后发表于PLoS Genetics（2015，2022）、Nature Communications（2020，2022）、PLoS Pathogens（2021）和BMC Biology（2022）等国际著名期刊。
在本研究中，张友军团队进一步利用基因定位等技术，鉴定了与小菜蛾Bt抗性显著相关的自然遗传变异。MAP4K4基因启动区中一个逆转座子SE2的插入突变显著调控了MAP4K4基因的转录活性，且与小菜蛾Bt抗性紧密连锁。研究表明，SE2的核苷酸序列中存在一个转录因子FOXO的结合位点，FOXO在昆虫激素的调控下与SE2中的结合位点结合，二者协同调控靶标基因MAP4K4表达量组成性升高，从而激活MAPK信号途径调控下游中肠基因差异表达，使小菜蛾对Bt产生稳定可遗传的高抗性表型。
研究结果系统阐明了以逆转座子SE2这一关键遗传变异介导的Bt抗性分子遗传调控网络，为害虫杀虫剂抗性分子机制研究提供了全新的思路。该研究中鉴定的SE2遗传变异可以用于田间小菜蛾Bt抗性水平的实时快速监测，为田间指导Bt杀虫剂的合理使用提供了重要依据。
我所郭兆将研究员、郭乐博士后、白杨博士为本论文共同第一作者。郭兆将研究员和张友军研究员为论文的共同通讯作者。该研究得到国家基金优青、创新研究群体以及中国农科院科技创新工程等项目资助。
相关论文信息：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2300439120
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