棉铃虫对Bt毒素Cry2Ab抗性的生化与分子机理

Large scale planting of Bt cotton (expressing Cry1Ac) has effectively supressed a key target insect pest,Helicoverpa armigera.Evolution of resistance to Bt cotton by the target pest is the major challenge for the sustainable use of Bt cotton, the dual-Bt cotton (expressing both Cry1Ac and Cry2Ab) provides an effective choice to delay resistance evolution.Cry2Ab is a kind of Cry toxin with different structure from Cry1Ac, and mechanisms of resistance to Cry2Ab is far from clear. A Cry2Ab-resistant strain of H. armigera selected in laboratory has more than 500-fold resistance to Cry2Ab compared with a susceptible strain. We will determine the cross-resistance spectrum of the Cry2Ab-resistant strain to other Bt toxins, and inheritance mode of the resistance. Midgut proteinase activities, zymography,Cry2Ab activation and degradation will be compared between the susceptible and resistant strains. Interaction between Cry2Ab toxin and BBMV proteins will be examined to identify resistance-related toxin-binding proteins. We will clone candidate resistance genes (altered proteinases or receptors) and express them for functional verification. Resistance detection method will be developed if the resistance gene is identified. Our project will be expected to elucidate biochemical and molecular mechanisms of Cry2Ab resistance, and thus provide an important basis for resistance monitoring,resistance management and sustainable use of Bt cotton in China.

Bt棉花(表达Cry1Ac)的大规模推广应用有效控制了重要靶标害虫-棉铃虫。而靶标害虫对Bt棉花产生抗性是Bt棉花推广应用中面临的最大挑战，双价Bt棉花（表达Cry1Ac和Cry2Ab）的应用则是延缓靶标害虫产生抗性的重要举措。Cry2Ab是一类在结构上与Cry1Ac有差异的Bt毒素蛋白，目前靶标害虫对其产生抗性的机制不清楚。本项目拟利用实验室培育的对Cry2Ab具有500倍抗性的棉铃虫品系，测定棉铃虫对Cry2Ab产生抗性后对其它Bt毒素的交互抗性情况和Cry2Ab抗性的遗传方式，从中肠蛋白酶的变化（包括酶活性、酶谱、Cry2Ab毒素活化和降解）和中肠BBMV受体与毒素结合的变化等方面鉴定与抗性相关的蛋白和基因，并进行抗性基因功能验证、建立分子检测技术。本项目将阐明棉铃虫对Cry2Ab抗性的生化和分子机理，为开展棉铃虫Bt抗性的监测和治理、保障Bt棉花在我国可持续应用提供重要理论依据。

Bt棉花(表达Cry1Ac)的大规模推广应用有效控制了重要靶标害虫-棉铃虫，但棉铃虫对其产生抗性也成为了转基因抗虫Bt棉推广应用中面临的最大挑战，双价Bt抗虫棉（表达Cry1Ac和Cry2Ab）的应用被认为可以有效延缓棉铃虫产生抗性。Cry2Ab是一种在结构上与Cry1Ac有差异的Bt毒素蛋白，目前靶标害虫对其产生抗性的机制还不清楚。本项目利用实验室培育的对Cry2Ab产生抗性的棉铃虫品系An2Ab，测定其对Cry2Ab产生抗性后对其它Bt毒素的交互抗性情况和抗性的遗传方式，并试图从An2Ab品系中肠蛋白酶和中肠BBMV受体的变化等方面开展抗性机理研究。通过四年的研究发现，An2Ab品系表现出独特的抗性特性，对Cry2Aa有明显的交互抗性(81倍)，对Cry1A类毒素有一定的交互抗性(18-22倍)，抗性遗传方式表现为常染色体、多因子显性遗传，适合度研究的结果表明双价Bt基因抗虫棉的饱和杀死策略对Cry2Ab抗性棉铃虫不能实现有效的控制作用。依据上述研究结果，在我国如果想单纯依靠推广应用双价Bt基因抗虫棉延缓棉铃虫抗性发展可能不会起到很好的作用，必须考虑在转基因抗虫棉中增加其它有效抗虫基因，以实现更好的抗性治理。本项目通过一系列抗性的生化和分子机理研究，明确了An2Ab抗性品系中中肠蛋白酶、BBMV上的受体Cadherin和APN等都没有变化，抗性品系An2Ab对Cry2Ab毒素抗性机理也与澳洲抗性品系表现出隐性抗性的ABCA2基因截短突变抗性机理完全不同。通过抗性基因的遗传定位和分析验证研究，证实棉铃虫An2Ab品系对Cry2Ab的抗性与GPCR/G蛋白信号通路有关。当然这一研究结论还有待进一步的深入研究和解析，但可以说明棉铃虫对Cry2Ab显性抗性的机理与其它隐性抗性品系表现出的单个受体改变完全不同，丰富了人们对害虫对Bt毒素产生抗性机制多样性的认识。