研究人員發(fā)現(xiàn)害蟲正在以一種意想不到的方式適應(yīng)轉(zhuǎn)基因作物(genetically modified crop)。這一發(fā)現(xiàn)特別強調(diào)了密切監(jiān)控和防范害蟲對生物技術(shù)作物產(chǎn)生抗性的重要性,。
根據(jù)一項于2012年6月11日在線發(fā)表在PNAS期刊上的新研究(在中國完成的),，來自中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)和美國亞利桑那大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn),，棉鈴蟲(cotton bollworm)對能夠殺死害蟲的轉(zhuǎn)基因棉花產(chǎn)生抗性涉及到的基因變化比人們想象中的更加多樣化,。
為了降低廣譜殺蟲劑的噴灑，其中廣譜殺蟲劑能夠傷害除目標(biāo)害蟲之外的動物,，棉花和玉米經(jīng)過基因改造后能夠產(chǎn)生源自蘇云金芽胞桿菌(Bacillus thuringiensis, Bt)的毒素,。Bt毒素殺死某些害蟲，而且對包括人在內(nèi)的大多數(shù)其他生物無害,。這種環(huán)境友好性的毒素幾十年來就被有機作物種植者在噴灑中使用,，而且自從1996年以來，大多數(shù)農(nóng)民就開始使用轉(zhuǎn)Bt基因作物,。
隨著時間的推移,，科學(xué)家們已了解到，最初罕見的賦予對Bt毒素產(chǎn)生抗性的基因突變正在變得越來越常見,，因而數(shù)量不斷增加的害蟲種群都能適應(yīng)轉(zhuǎn)Bt基因作物,。通過比較害蟲在實驗室和田間如何對轉(zhuǎn)Bt基因作物產(chǎn)生抗性，研究人員發(fā)現(xiàn)盡管在實驗室中篩選到的一些突變確實在野生害蟲種群中發(fā)生,，但是一些與在實驗室中觀察到的明顯不同的突變卻在田間發(fā)揮著重要的作用,。
棉鈴蟲(Helicoverpa armigera)的毛蟲在長成蛾之前，能夠咀嚼大多數(shù)植物,。這種物種是中國主要的棉花害蟲,。
美國亞利桑那大學(xué)農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)學(xué)院昆蟲學(xué)系主任Bruce Tabashnik說，“科學(xué)家們早就料想到這種昆蟲會產(chǎn)生適應(yīng)性,，但是我們剛好發(fā)現(xiàn)它們在田間中如何產(chǎn)生抗性,。”
為了避免意外，研究人員通過控制實驗室條件,，讓棉鈴蟲種群接觸Bt毒素,，從而研究這種昆蟲產(chǎn)生適應(yīng)性的遺傳機制。
他說,，“我們試圖保持領(lǐng)先,。我們想期待哪些基因參與其中，因此我們就能夠積極地開發(fā)出策略來維持Bt棉花的有效性和減少殺蟲劑噴灑,。這種隱含假定是我們了解到在實驗室里篩選到的對轉(zhuǎn)Bt基因棉花產(chǎn)生的抗性也將能應(yīng)用于田間,。”在對轉(zhuǎn)Bt基因棉花產(chǎn)生抗性之前,，這種假定從沒有接受過測試。
如今,，一個國際研究小組第一次在田間獲得遺傳證據(jù)而讓他們能夠直接比較在野外和實驗室培育的棉鈴蟲種群,。他們發(fā)現(xiàn)在田間棉鈴蟲中一些賦予抗性的突變與實驗室培養(yǎng)的棉鈴蟲中的一樣，但是也有一些突變存在顯著性的不同,。
Tabashnik說,，“我們精確地發(fā)現(xiàn)在田間中發(fā)現(xiàn)的突變也能夠在實驗室中被檢測到，但是我們也發(fā)現(xiàn)大量的其他突變：它們中大多數(shù)位于同一個基因,，還有一個突變位于一個完全不同的基因,。”
令人吃驚的是，研究人員在田間棉鈴蟲種群中鑒定出兩個不相關(guān)的顯性突變(dominant mutation),。顯性意味著一個拷貝的基因變異體(genetic variant)就足夠讓棉鈴蟲對Bt毒素產(chǎn)生抗性,。相反，之前在實驗室中篩選到的抗性突變(resistance mutation)都是隱性的,。隱性意味著它需要兩個拷貝的基因變異體(父代和母代各提供一個變異體)才能讓棉鈴蟲對Bt毒素產(chǎn)生抗性,。因而，顯性抗性更難控制,，而且不能通過種植非轉(zhuǎn)Bt基因棉花來延緩,，而對隱性抗性而言，種植非轉(zhuǎn)Bt基因棉花是非常有效地延緩抗性的產(chǎn)生,。
非轉(zhuǎn)基因作物(refuge)是由不含轉(zhuǎn)基因的作物組成的,，因而能夠允許對Bt毒素敏感的害蟲存活。非轉(zhuǎn)基因作物種植在轉(zhuǎn)Bt基因作物附近,，目的是產(chǎn)生數(shù)量充足的敏感性害蟲,，從而使得兩只對Bt毒素產(chǎn)生抗性的害蟲以較低的概率發(fā)生交配，因而也就不可能產(chǎn)生抗Bt毒素的后代,，這樣就可以稀釋Bt抗性的害蟲種群,。
在中國發(fā)現(xiàn)的這些顯性突變削弱了非轉(zhuǎn)基因作物種植策略的有效性，這是因為Bt敏感性害蟲和Bt抗性害蟲交配后產(chǎn)生的后代也能夠具有Bt抗性,。
他補充道,，這項研究將使得監(jiān)管機構(gòu)和種植者更好地管控目標(biāo)害蟲對轉(zhuǎn)Bt基因作物產(chǎn)生的抗性，而且發(fā)現(xiàn)顯性突變將促使科學(xué)家重新思考非轉(zhuǎn)基因作物種植策略,。
研究人員還報道,，賦予棉鈴蟲對Bt毒素產(chǎn)生抗性的突變在中國北方更為常見，是中國西北地區(qū)的3倍,。這是因為在中國西北地區(qū),，人們很少種植轉(zhuǎn)Bt基因棉花。然而,，即便在中國北方,，種植者還沒有注意到出現(xiàn)的Bt抗性，這是因為在那里,，只有大約2%的棉鈴蟲對Bt毒素產(chǎn)生抗性,。
作為種植者，如果轉(zhuǎn)Bt基因棉花能夠殺死98%的害蟲,，那么他們就不會注意到任何事情,。但是這項研究表明麻煩即將來臨。(生物谷：Bioon.com)
本文編譯自Trouble on the horizon for GM crops?
doi: 10.1073/pnas.1200156109
PMC:
PMID:
Diverse genetic basis of field-evolved resistance to Bt cotton in cotton bollworm from China
Haonan Zhanga,1, Wen Tiana,1, Jing Zhaoa,1, Lin Jina, Jun Yanga, Chunhui Liua, Yihua Yanga, Shuwen Wua, Kongming Wub, Jinjie Cuic, Bruce E. Tabashnikd, and Yidong Wu
Evolution of pest resistance reduces the efficacy of insecticidal proteins from Bacillus thuringiensis (Bt) used in sprays or in transgenic crops. Although several pests have evolved resistance to Bt crops in the field, information about the genetic basis of field-evolved resistance to Bt crops has been limited. In particular, laboratory-selected resistance to Bt toxin Cry1Ac based on recessive mutations in a gene encoding a toxin-binding cadherin protein has been identified in three major cotton pests, but previous work has not determined if such mutations are associated with field-selected resistance to Bt cotton. Here we show that the most common resistance alleles in field populations of cotton bollworm, Helicoverpa armigera, selected with Bt cotton in northern China, had recessive cadherin mutations, including the deletion mutation identified via laboratory selection. However, unlike all previously studied cadherin resistance alleles, one field-selected cadherin resistance allele conferred nonrecessive resistance. We also detected nonrecessive resistance that was not genetically linked with the cadherin locus. In field-selected populations, recessive cadherin alleles accounted for 75–84% of resistance alleles detected. However, most resistance alleles occurred in heterozygotes and 59–94% of resistant individuals carried at least one nonrecessive resistance allele. The results suggest that resistance management strategies must account for diverse resistance alleles in field-selected populations, including nonrecessive alleles.
