基于Bt毒素的杀虫蛋白理性设计与创新应用策略

Bt毒素是源于苏云金芽孢杆菌(Bacillusthuringiensis)的具有特殊杀虫功能的大分子蛋白,其制剂和转基因作物已广泛用于害虫防治,产生了巨大的经济和社会生态效益。围绕Bt毒素挖掘和提升其应用价值是持续研究的热点,特别是随着Bt毒素结构功能和作用机制日趋明晰,为其功能修饰和创新应用创造了条件,相关研究蓬勃发展,成效显著。大量研究表明,采用定点突变、结构域替换或融合以及抗独特型抗体模拟等策略,是理性设计活性更高、稳定性更强、杀虫谱更广、非靶标生物安全性更高甚至是可用于害虫抗药性治理的有别于母体Bt毒素的突变体、结构杂合体乃至功能效应物抗体等新型杀虫蛋白的有效手段;此外,采用催化毒素活化、驱动毒素靶向受体结合、促进毒素表达以及同源或异源杀虫材料复配或共表达的协同促效等创新增效策略,也是助推Bt毒素应用价值的重要手段。本文总结了Bt毒素结构功能和作用机制,梳理了基于Bt毒素功能修饰的突变体、结构杂合体以及功能效应物抗体等新型杀虫蛋白理性设计和基于Bt毒素功能增效的创新应用策略等相关研究进展,并结合作者团队在模拟Bt毒素杀虫功能效应物抗体靶向设计研发方面的最新成果,探讨了基于Bt毒素的杀虫蛋白理性设计与创新应用策略未来发展动向及潜在可行捷径,为相关研究提供较为全面的最新有价值的文献资料和启发思路。

土壤真菌群落和潜在功能对施加外源Bt毒素的响应

转Bt(Bacillus thuringiensis)基因植物和Bt重组菌生物农药释放的Bt毒素是一类具有生物毒性的潜在环境外源污染物,Bt毒素环境行为和生态效应是转基因植物和植物用转基因微生物安全风险评价的重要内容,但是外源Bt毒素对土壤真菌群落和潜在功能的影响还不清楚。以施加不同浓度Bt毒素处理土壤和未施加Bt毒素对照土壤为研究对象,分析Bt毒素在土壤中的持留动态;同时采用真菌18S rRNA基因高通量测序技术,分析施加Bt毒素对土壤真菌群落和功能多样性的影响。结果表明,Bt毒素施加量和培养时间均可以显著影响土壤真菌群落组成,且随着Bt毒素施加量增加和土壤培养时间延长,土壤真菌群落差异性逐渐变大。施加Bt毒素提高了土壤真菌群落香农指数和关联网络的负相关性比例及模块数,因而没有对土壤真菌群落的多样性和稳定性产生负面影响。上述结果表明,评估Bt毒素的环境行为及微生态效应要关注Bt毒素施加量及其长期影响。随着Bt毒素施加量增加,Phymatotrichopsis、Homalogastra、Geosmithia和Apiotrichum等真菌以及参与蛋白质降解、碳素代谢和磷素代谢的功能基因编码酶相对丰度显著升高,推测上述真菌物种和潜在功能参与了Bt毒素在土壤中的降解和转化过程。研究结果为转Bt基因植物、Bt重组菌生物农药以及Bt毒素的生态安全风险评价提供了科学参考和理论依据。

Bt毒素诱导下小菜蛾实时定量PCR内参基因的筛选

【目的】筛选出Bt毒素诱导后的小菜蛾Plutella xylostella(L.)的实时定量PCR最适内参基因。【方法】选取核糖体18S rRNA(18S rRNA)、肌动蛋白(ACTB)、延伸因子(EF1)、3-磷酸甘油醛脱氢酶(GAPDH)、核糖体蛋白L32(RPL32)、核糖体蛋白S13(RPS13)、核糖体蛋白S20(RPS20)和β-微管蛋白(TUB)基因作为候选内参基因,以geNorm、Normfinder和BestKeeper软件分析这8个基因在Bt毒素诱导后的小菜蛾不同品系中肠组织中的表达稳定性。并应用筛选出来的内参基因分析小菜蛾氨肽酶2(aminopeptidase N2,APN2)基因的表达水平。【结果】geNorm软件以RPS13和EF1为最稳定内参基因,NormFinder和BestKeeper软件均以RPS13和RPL32为最稳定基因。使用3种不同内参基因分析Bt毒素诱导后的小菜蛾Bt抗性和敏感品系中ANP2表达水平时,新的内参基因EF1和传统内参基因RPL32表现了良好的稳定性,二者作为标准化因子,ANP2表达量结果基本一致,而使用18S rRNA作为内参基因,却导致部分表达量分析结果有所误差。【结论】筛选出PRS13,RPL32和EF1可以作为小菜蛾某些试验条件下的内参基因,对小菜蛾基因表达研究奠定了一定基础,也对其他昆虫内参基因的筛选具有参考价值。

小菜蛾对Bt毒素Cry1Ac和Bt制剂抗性的选育及其抗性种群的生物学适应性

用Bt制剂和Bt毒素Cry1Ac分别对源自深圳田间的小菜蛾Plutellaxylostella在室内进行抗性种群选育,获得相对抗性倍数分别为24.36、38.16倍的抗性种群DBM.1Ac_R30和DBM.Bt_R46。对这2个抗性种群及其敏感种群(DBM.Bt_S)的生长发育、存活及繁殖特征进行了详细地观察与比较,并以甘蓝为饲喂材料构建了2个抗性实验种群的生命表。结果表明,DBM.1Ac_R30和DBM.Bt_R46种群较DBM.Bt_S种群的产卵量和孵化率下降,幼虫发育历期延长,雌雄比显著降低,雌成虫数量、寿命减少。DBM.1Ac_R30和DBM.Bt_R46种群相对于DBM.Bt_S种群的相对适合度分别为0.75和0.65,抗性种群在繁殖能力上存在明显的生存劣势。

Bt毒素蛋白基因的PCR鉴定及定位

利用合成的cryI、cryIII和cryV基因专一性引物 ,检测了从土壤中分离到的 56株苏云金芽孢杆菌菌株所含的晶体毒素蛋白基因。含有cryI基因的有 7株 ,含有cryIII基因的有 2株 ,同时含有cryI和cryV基因的有 2 1株。斑点杂交及Southern杂交分析表明 ,cryV基因定位于 1 50MD的大质粒上。

转Bt基因作物Bt毒素在土壤中的环境去向及其生态效应

综述了转 Bt基因作物的 Bt毒素在土壤中的环境去向及其生态效应的研究进展。重点阐述了 :1 Bt毒素与土壤表面活性颗粒结合及其与土壤理化性质的关系 ;2 Bt毒素微生物利用与降解 ;3Bt毒素的杀虫活性 ;4后茬作物和土壤动物对 Bt毒素的吸收与利用 ;5 Bt毒素的垂直运移 ;6 Bt毒素对土壤生物和生态过程的影响。转 Bt基因作物的 Bt毒素对土壤生态系统的影响急需在生态系统水平进行深入细致的长期定位研究。

转基因植物释放Bt毒素的土壤环境行为与生物学效应

Bt(Bacillus thuringiensis)杀虫晶体蛋白基因是植物抗虫基因工程中应用最广泛的基因,随着大批转Bt基因作物的商品化,Bt毒素对土壤生态系统的影响已引起了人们的高度关注。本文对转基因植物释放Bt毒素的土壤环境行为与生物效应进行了综述,包括Bt毒素蛋白进入土壤的途径、在土壤中的运动、与土壤颗粒的结合与存留及其对土壤生物和土壤酶的影响。

Bt毒素在转基因棉花与土壤系统中的分布

研究了转Bt基因棉花与土壤系统中Bt毒素的分布.结果表明,两种转Bt基因棉花地上部(叶片、茎秆)的毒素表达量(103.5～134.1 ng·g-1)显著高于地下部分(根系)(44.7～21.2ng·g-1),土壤中Bt毒素总量可通过转基因棉花地上部分秸秆的处理得到控制;Bt毒素在转Bt基因棉花根系分泌物中的含量极低,如果控制Bt毒素的其它导入来源,将显著降低转Bt基因作物释放中因Bt毒素导入而引发的对土壤生态系统的扰动.

昆虫对Bt毒素的抗性与中肠蛋白酶、解毒酶及保护酶系活性的关系

昆虫对苏云金杆菌(Bacillus thuringiensis,Bt)毒素产生抗性的机理很多,其中Bt毒素与中肠细胞膜上受体结合能力的变化、Bt毒蛋白在中肠中水解作用的变化是抗性产生的两个主要环节。本文综述了昆虫取食Bt毒素后其体内中肠蛋白酶、解毒酶及保护酶活性的变化及这些变化与抗性之间的关系。结果表明,室内及田间对Bt毒素产生抗性的昆虫品系,可能与这三大酶系存在一定的关系。研究分析昆虫对Bt毒素的抗性机理,将有助于建立早期的抗性监测技术、实施抗性治理方案,实现Bt农药与转Bt基因作物的可持续利用。

棉铃虫对Bt毒素抗性遗传方式的研究

在室内条件下,采用对Bt毒素产生253倍的抗性棉铃虫种群,研究其对Cry1Ac的抗性遗传方式。结果表明,互交后代(抗性雄蛾×敏感雌蛾和抗性雌蛾×敏感雄蛾)的效应显性值DML分别为0.14和0.11,二者差异不显著,表明抗性为常染色体,不完全隐性遗传;对正反交F1代的回交后代、正反交F1代的自交后代生长发育期望值与实际值进行χ2分析,表明抗性由单基因控制。

Bt毒素对棉铃虫雄蛾感受雌蛾性信息素EAG反应的影响

用含Bt毒素的人工饲料饲养棉铃虫Helicoverpaarmigera3龄幼虫至成虫(死亡率为40%～50%),采用触角电位(electroantennogram,EAG)技术,测定了雄蛾对雌蛾性信息素2种组分顺9十六碳烯醛(Z916:Ald)、顺11十六碳烯醛(Z1116:Ald)及其混合物(Z1116:Ald∶Z916:Ald=97∶3)的EAG反应。结果表明,Bt毒素对雄蛾感受性信息素单一组分和混合物的EAG反应均具促进作用;且随信息素剂量的增加,这种促进作用也随之增强。这一结果对于评价和实施延缓棉铃虫对Bt棉抗性的“庇护所”策略,具有一定的参考意义。

有效防治甜菜夜蛾的Bt毒素种类及其应用前景

甜菜夜蛾对不同种类Bt毒素的敏感性存在差异。归纳总结了可有效防治甜菜夜蛾的Bt毒素种类、作用效果,并简述其应用前景,以期为提高Bt毒素对甜菜夜蛾控制力度提供依据。

昆虫对Bt毒素抗性监测和治理策略研究进展

随着Bt制剂的长期使用和转Bt基因作物广泛种植,昆虫对Bt毒素的抗性随之产生。本文就Bt毒素的杀虫机理、昆虫对转Bt基因作物的抗性表现形式及抗性监测的方法进行系统的综述,并就昆虫对Bt毒素抗性的治理策略进行必要的总结。

Cry1Ie毒素胁迫下亚洲玉米螟的抗性发展及汰选种群对其他Bt毒素的交互抗性

亚洲玉米螟Ostrinia furnacalis(Guenée)是危害玉米的重要害虫之一,转Bt基因抗虫玉米为其防治提供了新的途径。然而,靶标害虫产生抗性将严重阻碍Bt制剂及转Bt基因抗虫玉米的持续应用。明确害虫对转Bt基因玉米表达的毒素蛋白的抗性演化,对于制定科学有效的抗性治理策略具有重要的理论和实际意义。本实验通过人工饲料汰选法研究了Bt Cry1Ie毒素胁迫下亚洲玉米螟的抗性发展及汰选14代的种群对其他Bt毒素(Cry1Ab,Cry1Ac和Cry1Fa)的交互抗性,并观察了Cry1Ie蛋白胁迫对亚洲玉米螟生物学的影响。结果表明:随着汰选压不断提高,亚洲玉米螟种群对Cry1Ie毒素的敏感性逐渐下降。汰选14代后,种群对Cry1Ie毒素的抗性水平提高了23倍。然而,Cry1Ab,Cry1Ac和Cry1Fa对所获Cry1Ie汰选种群的毒力与对敏感种群的毒力相比没有显著差异,说明Cry1Ie汰选没有引起亚洲玉米螟对Cry1Ab,Cry1Ac和Cry1Fa毒素产生交互抗性。同时,与敏感种群相比,Cry1Ie汰选14代的种群幼虫平均发育历期延长5.7 d,蛹重减轻13.7%,单雌产卵量下降40.0%。本研究结果说明,大面积单一种植转cry1Ie基因抗虫玉米,可能引起亚洲玉米螟产生抗性;亚洲玉米螟Cry1Ie抗性种群对Cry1Ab,Cry1Ac和Cry1Fa没有交互抗性,含有cry1Ie和cry1Ab,cry1Ac或cry1F双/多基因抗虫玉米,可作为靶标害虫抗性治理的重要策略。

昆虫对Bt毒素抗性研究进展

从Bt毒素杀虫机理、受体类型、昆虫对Bt毒素抗性机理及遗传特性等方面进行了综述,总结了近年来关于昆虫对Bt毒素抗性的研究进展情况,并对其研究前景进行了展望。

棉铃虫田间种群Bt毒素Cry1Ac抗性基因频率的估算

采用改进的F1筛查法检测了2005年采自华北地区的棉铃虫Helicoverpaarmigera(H櫣bner)田间种群对Bt毒素Cry1Ac的抗性基因频率。2005年从河南安阳和河北沧县转Bt基因抗虫棉上采集二代棉铃虫卵,在室内用人工饲料饲养至2龄幼虫,用1μg/cm2的Cry1Ac活化毒素进行初筛,将初筛存活成虫与室内筛选的GYBT抗性品系成虫进行单对杂交,并用区分剂量(2·5μg/cm2)对F1代进行检测。经检测,2005年河南安阳棉铃虫种群和河北沧县棉铃虫种群对Cry1Ac抗性基因频率基本一致,分别为1·4×10-3和1·5×10-3。用毒素涂表法测定了2004、2005年采自河南安阳、河北高阳、河北沧县、新疆阿克苏和新疆沙湾棉铃虫田间种群对Cry1Ac活化毒素的敏感性水平,结果表明华北棉区与新疆内陆棉区棉铃虫种群对Cry1Ac的敏感性存在一定的地区性差异(<8倍)。总体上,我国华北棉区棉铃虫种群对Cry1Ac还未产生明显抗性,抗性基因频率处于正常水平。棉铃虫对转Bt基因抗虫棉的抗性风险依然存在,需要尽快启动全国性的早期抗性检测和预警工作。

大气CO_2浓度升高对转基因玉米Bt毒素表达量的影响

大气CO_2浓度升高不仅影响植物营养化学成分的变化,还能够引起植物次生抗虫物质表达量的改变,进而影响作物-害虫的互作关系。本试验利用开顶式气室(OTC)和室内动态气室模拟当前和未来大气CO_2浓度(约390、550、750μL/L)环境,测定了不同大气CO_2浓度下普通玉米‘郑58’和转cry1Ac-m基因玉米的营养物质成分、转cry1Ac-m基因玉米Cry1Ac杀虫蛋白的含量,以及取食不同大气CO_2浓度环境下生长的‘郑58’或转cry1Ac-m基因玉米叶片的亚洲玉米螟Ostrinia furnacalis(Guenée)初孵幼虫死亡率。结果表明,与对照相比,高大气CO_2浓度(750μL/L)环境下生长的转基因和对照玉米叶片中淀粉、可溶性糖、非结构性碳(TNC)含量及TNC∶N都明显增加,而N含量差异不显著。对照玉米叶片的N含量显著高于转基因玉米,其他营养成分没有显著变化。随着大气CO_2浓度的升高,转基因玉米的Cry1Ac蛋白表达量有下降的趋势,但各处理间差异不显著。亚洲玉米螟取食生长在不同大气CO_2浓度环境下的‘郑58’或转cry1Ac-m基因玉米叶片48h后,死亡率没有显著差异;转cry1Ac-m基因玉米具有显著的杀虫效果。

RNAi与Bt毒素协同抗虫技术的应用与展望

Bt(Bacillus thuringiensis)毒素优异的抗虫性能和其环境友好性,使其代替了多种化学杀虫剂,在世界范围内得以广泛应用。但同时,过度依赖Bt毒素让许多害虫产生抗性,严重威胁转Bt基因作物和Bt杀虫剂的长期效能;而多种Bt毒素结合应用能产生协同作用或拮抗作用,有不确定性,稳定性较低,无法得到广泛应用。RNAi(RNA interference)技术能沉默特定基因的表达,且特异性强,不会造成环境污染,在害虫防治方面有巨大潜力。Bt毒素和RNAi技术的结合有望在害虫防治方面及抗虫育种的方面开辟一条新道路。为了研究Bt毒素与RNAi技术结合应用的优越性,就Bt毒素和RNAi技术在各自领域的应用及两者相结合应用的最新研究成果等方面进行了综述,总结了近年来RNAi技术与Bt毒素相结合在防控靶标害虫中的应用现状,并对该技术的研究前景提出展望。