小菜蛾幼虫和成虫 蔬菜花卉所供图
小菜蛾Bt抗性分子机制的模式图 蔬菜花卉所供图
6月12日，《自然—通讯》创刊10年以来首次在线发表昆虫Bt抗性研究领域的论文。中国农业科学院蔬菜花卉研究所研究员张友军团队发现，昆虫激素水平升高可以激活MAPK信号途径，反式调控多个中肠受体基因差异表达，从而导致小菜蛾对苏云金芽胞杆菌（Bt）杀虫蛋白Cry1Ac产生高抗性。
该研究在国际上首次揭示了经典的昆虫激素可以参与昆虫Bt抗性的新功能及其分子调控网络，研究结果对于我国田间重大农业害虫Bt抗性进化的监测预警和综合治理，以及新型Bt生物杀虫剂/转Bt基因抗虫作物的研发推广和可持续应用，均具有重要的理论和实践意义。
《自然》旗下生态和进化学术论坛邀请作者同步分享了研究背后的故事。
论文通讯作者张友军介绍，小菜蛾是一种世界性危害的十字花科蔬菜作物重大害虫，每年小菜蛾在全球造成的经济损失高达40~50亿美元，在我国造成的经济损失也达到7.7亿美元每年。
苏云金芽胞杆菌是一种革兰氏阳性细菌，它能产生多种杀虫蛋白，可高效特异的杀死不同害虫，而对人畜环境安全无害。目前，基于Bt杀虫蛋白研发的Bt生物杀虫剂和转Bt基因抗虫作物，为全世界化学杀虫剂的减施、害虫绿色防控和农产品质量安全做出了极大贡献，并取得了空前巨大的经济、社会和环境效益。
然而，昆虫对Bt的快速抗性进化，严重威胁着Bt生物杀虫剂和转Bt基因抗虫作物的研发推广和可持续应用。
目前，至少已有9种重要农业害虫在田间对 Bt产生了高抗性。其中，小菜蛾是最早也是目前唯一被报道在田间对Bt生物杀虫剂产生高抗性的农业害虫，而其基因组的解析使其成为研究昆虫对Bt抗性分子机制的理想材料。
过去10余年间，张友军团队先后建立了Bt敏感和多个Bt抗性的小菜蛾种群，包括对Bt杀虫蛋白Cry1Ac 抗性5000倍的近等基因系种群。
前期，利用这些特异的实验材料，通过生物化学、分子生物学和细胞生物学等技术手段，该团队在国际上首次揭示了小菜蛾对Bt杀虫蛋白Cry1Ac的高抗性与BtR-1抗性基因座内一个丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号途径有关。
他们发现，MARK信号途径中的关键基因MAP4K4，反式调控多个中肠受体基因差异表达，引起小菜蛾对Bt杀虫蛋白的抗性。相关研究于2015年发表于《美国公共科学图书馆—遗传学》（PLoS Genetics）。
在最新研究中，张友军团队在此基础上进一步证实，MAPK信号途径的确是反式调控小菜蛾不同中肠受体基因差异表达的“通用开关”。
论文第一作者兼共同通讯作者、蔬菜花卉所副研究员郭兆将说，在Bt蛋白高抗的小菜蛾中，蜕皮激素（20E）和保幼激素（JH）含量均显著升高。它们之间的串扰可以激活MAPK信号途径反式调控机制，使小菜蛾在维持正常生长发育的前提下对Bt杀虫蛋白完美进化，从而产生高抗性。
张友军研究员总结到，当昆虫幼虫进食Bt病原菌后，其中肠上皮细胞中保幼激素/蜕皮激素结合各自Met-Tai和EcR-USP异源二聚体受体复合物，启动下游应答基因转录。保幼激素和蜕皮激素含量升高会激活下游MAPK信号途径，进而操纵不同转录因子来调控多个中肠受体基因的差异表达，最终导致寄主昆虫在不影响生长发育的前提下对Bt 杀虫蛋白进化产生高抗性。
该项研究揭示了经典昆虫激素迄今为止尚未发现的新功能，阐明了激素信号可塑性是生物抵御外界病原菌入侵的跨界通用策略。在该昆虫激素串扰调控的“生长发育—免疫防御权衡”模型中，保幼激素和蜕皮激素相互拮抗，共同控制昆虫生长发育和免疫防御等生理过程。
该研究得到了国家自然科学基金重点项目和青年科学基金项目以及中国农业科学院科技创新工程等项目资助。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-020-16608-8
https://natureecoevocommunity.nature.com/users/387087-zhaojiang-guo/posts/hormonal-regulation-of-bt-resistance-in-the-diamondback-moth
