棉铃虫HaTSPAN1基因通过点突变对Bt杀虫蛋白产生显性抗性

——吴益东教授团队破译棉铃虫Bt显性抗性的分子遗传基础

南京农业大学植物保护学院吴益东教授团队发现一种四跨膜蛋白编码基因（HaTSPAN1）通过点突变（L31S）导致棉铃虫对Bt杀虫蛋白Cry1Ac产生显性抗性。该项重要研究成果于2018年11月1日在线发表于美国科学院院报（PNAS），金琳副教授和博士生王敬为共同第一作者，吴益东教授为通讯作者。

棉铃虫是一种全球性重大害虫，为害棉花、玉米、大豆等多种农作物，种植表达Cry1Ac蛋白的Bt棉可以有效控制棉铃虫种群。但在Bt棉长期选择压力下，棉铃虫能进化出多种类型的抗性基因，使其抗虫效率显著下降甚至完全丧失。吴益东教授团队针对我国棉铃虫对Bt棉抗性的发生和发展规律开展了系统的研究和探索，取得了多项标志性成果。通过遗传筛查揭示了我国棉铃虫田间种群存Bt抗性遗传多样性（PNAS，2012）；通过系统监测及计算机模拟明确了天然庇护所抗性治理策略可以有效延缓隐性抗性，但显性抗性将加速进化（Nature Biotechnology，2015）；这次的研究成果则是发现了导致棉铃虫Bt显性抗性产生的一种全新基因突变。吴益东教授介绍说，“这是我们团队历时十年完成的棉铃虫Bt抗性研究三部曲”。

棉铃虫HaTSPAN1基因点突变导致对Bt产生显性抗性

利用全基因组关联分析和基因精细定位，将棉铃虫Bt显性抗性基因定位于棉铃虫第10号染色体上250 kb长的特定区域，对该区域21个功能基因进行碱基序列和表达水平的比对，发现一种四跨膜蛋白编码基因HaTSPAN1发生了T92C点突变，导致第31位亮氨酸突变为丝氨酸，该基因突变与Bt显性抗性紧密连锁。利用CRISPR/Cas9基因编辑技术敲除抗性品系HaTSPAN1基因导致其Cry1Ac抗性完全消失，将T92C点突变敲入敏感品系则获得125倍抗性。上述正向和反向遗传学证据明确了棉铃虫HaTSPAN1基因T92C点突变与Bt显性抗性之间的因果关系。

通常认为害虫可以通过Bt毒素受体基因（如钙粘蛋白和ABC转运蛋白）的功能丧失性突变产生抗性，这种抗性为隐性遗传，抗性等位基因必须纯合才能表现出抗性。而本研究发现的功能获得性突变产生的抗性为显性遗传，抗性等位基因在杂合下就会产生抗性，因此显性抗性发展速度快于隐性抗性。本研究发现我国华北棉区田间棉铃虫HaTSPAN1基因T92C突变频率正在快速上升，在近十年间提高了100倍，从2006年的0.1%上升至2016年10%。

目前有14个国家种植Bt棉防控棉铃虫等害虫，面临靶标害虫Bt抗性的共同威胁，明确Bt抗性基因及其时空动态是治理抗性的前提条件。本文的研究结果可望为我国乃至其他国家棉铃虫Bt显性抗性的监测与预警提供技术支撑，为制订针对性的抗性治理策略提供重要依据。

论文链接

http://www.pnas.org/content/early/2018/10/30/1812138115