小菜蛾作為一種世界性為害的重大農業(yè)害蟲，也是世界上第一個被報道在田間對Bt生物殺蟲劑產生高抗性的農業(yè)害蟲。
小菜蛾能在不影響其自身生長發(fā)育的前提下對Bt殺蟲劑進化出完美的高抗性。
近日，中國農業(yè)科學院蔬菜花卉研究所（以下簡稱蔬菜所）研究員張友軍團隊解析了小菜蛾Bt抗性的適合度代價補償機制，首次明確了RNA甲基化修飾在小菜蛾彌補Bt抗性產生所帶來的適合度代價中的關鍵作用。
相關成果12月12日在線發(fā)表于《先進科學》（Advanced Science）。
適合度代價：害蟲防治的關鍵利器
論文通訊作者張友軍告訴《中國科學報》，目前，害蟲防治主要依賴各類化學和生物殺蟲劑，殺蟲劑的大量使用極易導致害蟲的抗藥性進化。
而害蟲的抗性進化常常伴隨著嚴重的適合度代價，即昆蟲在受到外界某種壓力時，導致自身生長發(fā)育延遲、生殖力下降和死亡率降低等現象。“通俗地說，就是活的不好了”。適合度代價成為延緩田間害蟲抗藥性進化的天然屏障和關鍵利器。
因此，害蟲想要存活和繁殖下去，必須克服殺蟲劑抗藥性進化所產生的適合度代價，而有些害蟲種群的確能在不影響生長發(fā)育的前提下對殺蟲劑進化出完美的高抗性。這對殺蟲劑的有效利用構成了嚴重的威脅。
蘇云金芽胞桿菌，也就是Bt，能產生多種殺蟲蛋白，基于這些殺蟲蛋白研發(fā)的Bt生物殺蟲劑和轉Bt基因抗蟲作物能高效特異的殺死不同農業(yè)害蟲，而對人畜環(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發(fā)育的前提下對殺蟲劑進化出完美高抗性的良好實驗材料。”張友軍說。
在之前的研究中，張友軍團隊發(fā)現昆蟲保幼激素含量升高可以調控不同中腸Bt非受體同源基因上調，從而彌補中腸Bt受體基因下調帶來的適合度代價，使得小菜蛾在維持正常生長發(fā)育的前提下對Bt殺蟲劑進化出完美的高抗性。
然而，調控小菜蛾體內保幼激素含量升高的機制是不清楚的，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《中國科學報》，他們關注到的RNA甲基化修飾是m6A修飾，它是指在RNA分子的腺嘌呤A上加一個甲基基團，這種RNA甲基化修飾在生物體內廣泛存在。“大量研究表明這種修飾在動物免疫應答、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，在人類肝腫瘤細胞中首次發(fā)現了m6A修飾。經過近半個世紀的研究，這種修飾的形成機制及生物學功能才慢慢被人們了解。
m6A修飾的甲基基團是被一個稱為甲基轉移酶的蛋白復合體添加到RNA分子的腺嘌呤上的。同時，另一個被稱之為去甲基化酶的蛋白可以將這個甲基基團去除。因此，可以說甲基基團的添加與去除是一個可逆的過程。
添加的甲基基團可以與m6A識別蛋白相結合后招募另一種功能性蛋白去調控RNA分子的各種命運，進而影響生物體內的多種生物學功能。
該團隊研究發(fā)現，這種RNA甲基化修飾可以通過調控保幼激素含量影響小菜蛾Bt抗性的適合度代價。
揭示“元兇”的調控機制
郭兆將員介紹，他們首先發(fā)現了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m6A修飾的甲基轉移酶的表達量升高。
為了驗證這兩個甲基轉移酶基因表達水平的升高是否與Bt抗性相關，他們將這兩個基因在抗性群體中沉默，結果發(fā)現Bt抗性小菜蛾的保幼激素含量顯著降低，且生長發(fā)育受到嚴重影響。這表明兩個甲基轉移酶基因通過調控保幼激素含量調控了小菜蛾的適合度代價。
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：“我們利用詳細的實驗充分證明兩個甲基轉移酶基因通過m6A修飾負向調控保幼激素降解基因的表達”。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，保幼激素含量恢復至與敏感種群類似，且該種群出現嚴重的適合度代價。
“這進一步在體內證明了小菜蛾之所以可以彌補對Bt抗性所產生的適合度代價，是與保幼激素降解基因的m6A修飾水平升高密切相關的。”郭兆將說。
該研究在國際上首次明確了m6A修飾介導的Bt抗性小菜蛾保幼激素含量升高的表觀遺傳調控機制：即兩個關鍵的m6A甲基轉移酶基因表達水平的升高促進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，進而誘導昆蟲體內保幼激素含量顯著升高，使小菜蛾在維持其正常生長發(fā)育的前提下進化出完美的Bt殺蟲劑抗性表型。
張友軍說，該成果為田間害蟲對殺蟲劑進化出的抗性適合度代價補償機制的研究提供了參考，對于田間害蟲Bt抗性監(jiān)測預警和綜合治理具有重要的理論和實踐意義。
小菜蛾作為一種世界性為害的重大農業(yè)害蟲，也是世界上第一個被報道在田間對Bt生物殺蟲劑產生高抗性的農業(yè)害蟲。
小菜蛾能在不影響其自身生長發(fā)育的前提下對Bt殺蟲劑進化出完美的高抗性。
近日，中國農業(yè)科學院蔬菜花卉研究所（以下簡稱蔬菜所）研究員張友軍團隊解析了小菜蛾Bt抗性的適合度代價補償機制，首次明確了RNA甲基化修飾在小菜蛾彌補Bt抗性產生所帶來的適合度代價中的關鍵作用。
相關成果12月12日在線發(fā)表于《先進科學》（Advanced Science）。
適合度代價：害蟲防治的關鍵利器
論文通訊作者張友軍告訴《中國科學報》，目前，害蟲防治主要依賴各類化學和生物殺蟲劑，殺蟲劑的大量使用極易導致害蟲的抗藥性進化。
而害蟲的抗性進化常常伴隨著嚴重的適合度代價，即昆蟲在受到外界某種壓力時，導致自身生長發(fā)育延遲、生殖力下降和死亡率降低等現象。“通俗地說，就是活的不好了”。適合度代價成為延緩田間害蟲抗藥性進化的天然屏障和關鍵利器。
因此，害蟲想要存活和繁殖下去，必須克服殺蟲劑抗藥性進化所產生的適合度代價，而有些害蟲種群的確能在不影響生長發(fā)育的前提下對殺蟲劑進化出完美的高抗性。這對殺蟲劑的有效利用構成了嚴重的威脅。
蘇云金芽胞桿菌，也就是Bt，能產生多種殺蟲蛋白，基于這些殺蟲蛋白研發(fā)的Bt生物殺蟲劑和轉Bt基因抗蟲作物能高效特異的殺死不同農業(yè)害蟲，而對人畜環(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發(fā)育的前提下對殺蟲劑進化出完美高抗性的良好實驗材料。”張友軍說。
在之前的研究中，張友軍團隊發(fā)現昆蟲保幼激素含量升高可以調控不同中腸Bt非受體同源基因上調，從而彌補中腸Bt受體基因下調帶來的適合度代價，使得小菜蛾在維持正常生長發(fā)育的前提下對Bt殺蟲劑進化出完美的高抗性。
然而，調控小菜蛾體內保幼激素含量升高的機制是不清楚的，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《中國科學報》，他們關注到的RNA甲基化修飾是m6A修飾，它是指在RNA分子的腺嘌呤A上加一個甲基基團，這種RNA甲基化修飾在生物體內廣泛存在。“大量研究表明這種修飾在動物免疫應答、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，在人類肝腫瘤細胞中首次發(fā)現了m6A修飾。經過近半個世紀的研究，這種修飾的形成機制及生物學功能才慢慢被人們了解。
m6A修飾的甲基基團是被一個稱為甲基轉移酶的蛋白復合體添加到RNA分子的腺嘌呤上的。同時，另一個被稱之為去甲基化酶的蛋白可以將這個甲基基團去除。因此，可以說甲基基團的添加與去除是一個可逆的過程。
添加的甲基基團可以與m6A識別蛋白相結合后招募另一種功能性蛋白去調控RNA分子的各種命運，進而影響生物體內的多種生物學功能。
該團隊研究發(fā)現，這種RNA甲基化修飾可以通過調控保幼激素含量影響小菜蛾Bt抗性的適合度代價。
揭示“元兇”的調控機制
郭兆將員介紹，他們首先發(fā)現了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m6A修飾的甲基轉移酶的表達量升高。
為了驗證這兩個甲基轉移酶基因表達水平的升高是否與Bt抗性相關，他們將這兩個基因在抗性群體中沉默，結果發(fā)現Bt抗性小菜蛾的保幼激素含量顯著降低，且生長發(fā)育受到嚴重影響。這表明兩個甲基轉移酶基因通過調控保幼激素含量調控了小菜蛾的適合度代價。
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：“我們利用詳細的實驗充分證明兩個甲基轉移酶基因通過m6A修飾負向調控保幼激素降解基因的表達”。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，保幼激素含量恢復至與敏感種群類似，且該種群出現嚴重的適合度代價。
“這進一步在體內證明了小菜蛾之所以可以彌補對Bt抗性所產生的適合度代價，是與保幼激素降解基因的m6A修飾水平升高密切相關的。”郭兆將說。
該研究在國際上首次明確了m6A修飾介導的Bt抗性小菜蛾保幼激素含量升高的表觀遺傳調控機制：即兩個關鍵的m6A甲基轉移酶基因表達水平的升高促進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，進而誘導昆蟲體內保幼激素含量顯著升高，使小菜蛾在維持其正常生長發(fā)育的前提下進化出完美的Bt殺蟲劑抗性表型。
張友軍說，該成果為田間害蟲對殺蟲劑進化出的抗性適合度代價補償機制的研究提供了參考，對于田間害蟲Bt抗性監(jiān)測預警和綜合治理具有重要的理論和實踐意義。
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