遗传搜索显示全球棉花害虫耐药性的关键

在最近的农民和缺陷之间的战斗在无休止的战争中,虫子咬回来的适应转基因作物杀死他们。一项新的研究发表在《美国国家科学院学报》上标识一个遗传突变居多,对工程产生了耐药性棉花棉铃虫幼虫的、世界上最破坏性的农作物害虫之一。基因组学和基因的研究的前沿使用编辑预示着一个新时代的到来,全球努力促进可持续的虫害控制。

转基因棉花、玉米和大豆生产蛋白质从广泛的土壤细菌苏云金杆菌杀灭虫害,对人类和野生动物或Bt。无毒包括蜜蜂,这些环保Bt蛋白质用于喷洒有机种植者超过50年,全球数以百万计的农民在转基因Bt作物种植在一个自1996年以来累计总数超过二十亿英亩。

在亚利桑那大学的昆虫学家,田纳西大学和南京农业大学中国合作由三部分组成的研究。他们的目标是确定突变赋予Bt抗性棉铃虫,精确编辑一个棉铃虫基因来证明这种突变导致阻力,发现电阻是如何蔓延在中国棉花田。

说:“这是一个非凡的侦探小说Bruce Tabashnik UA昆虫学部门的董事教授和这项研究的共同作者。“没有遗传技术的最新进展,它将不可能找到一个DNA碱基对之间的变化引起电阻数亿碱基对棉铃虫的基因组。”

多年来,科学家们已经知道,昆虫可以进化出抗药性Bt蛋白质,正如他们传统的杀虫剂。然而,Bt阻力是遗传的隐性在几乎所有先前研究情况。这意味着昆虫必须有两个副本的抗性基因一从每个父母使他们对Bt作物饲料和生存。

对抗阻力,农民non-Bt作物的植物避难所,敏感昆虫可以茁壮成长。这个想法是罕见的抗昆虫将从避难所与更丰富的敏感昆虫交配,产生后代,港口只有抗性基因的一个副本。等隐性遗传抗性的后代不生存在Bt作物。

尽管避难所不停止进化的阻力,他们可以推迟substantially-particularly当阻力是隐性的。但在中国,本文报告,主要对Bt棉铃虫耐药性呈上升趋势。只有一个副本的显性突变使棉铃虫抗性。

因为阻力占主导地位的英国电信的遗传基础是未知的,研究人员需要检查棉铃虫的整个基因组找到罪魁祸首。通过比较棉铃虫抗性和敏感的DNA,他们缩小了搜索从17000个基因的地区21个基因与电阻有关。

“但是只有17这些基因编码的蛋白质是由毛毛虫,“Tabashnik说,解释说只有棉铃虫幼虫取食棉花和可以被Bt蛋白质。

“在比较这些17基因的序列之间的紧张,只有一个一致的差异,“Tabashnik说。”有一个位置的所有抗性棉铃虫有一个DNA碱基对和所有的敏感棉铃虫有不同的DNA碱基对。”

这关键的一个新发现的基因的碱基对是名叫HaTSPAN1,编码一个tetraspanin-a跨细胞膜的蛋白质包含四个部分。尽管HaTSPAN1的正常功能,不知道其他许多tetraspanins在细胞间的沟通是很重要的。尽管近30000 Bt或tetraspanins先前的研究,这项新研究首次发现它们之间有着紧密联系。

确定突变碱基对,第二个挑战是确定如果这单突变引起的阻力。为了找到答案,研究小组使用了基因编辑工具CRISPR恰恰只有HaTSPAN1基因改变。在抗性棉铃虫基因中断时,他们变得完全容易Bt。相反,当易感棉铃虫的DNA的插入突变,他们成了resistant-proving这个单一碱基对仅能引起电阻变化。

最后一步是测试假设这种突变有助于抵抗Bt棉花。通过筛查突变的DNA保存数千棉铃虫蛾收集2006年至2016年,研究人员发现突变的频率增加了100倍,从1000年的1 1 10。

抗性棉铃虫尚未大量足以显著降低棉花生产在中国,但显性基因是蔓延的速度比其他抗性基因。Tabashnik的分析预测,如果目前的趋势继续下去,中国北方一半的棉花棉铃虫抗性授予了在五年内这种突变。

“如果事情继续在同一轨迹上,这种突变会导致问题的农民,“Tabashnik说。

足够早,然而,对于中国农民改变他们的策略和抵御Bt阻力。本文提到了他们可以切换从棉花生产只有一个Bt蛋白质的类型棉花生长在美国和澳大利亚,产生两个或三个不同的Bt蛋白质。Tabashnik希望新的研究将刺激增强可持续发展对农民。

“这给了他们做出建设性的信息,主动决定在为时已晚之前,“Tabashnik说。

通过从每年害虫种群抽样,农民和研究人员可以学习挫败哪种方法是最有效的抵抗。

理解棉铃虫抗性具有全球意义,因为它发生在超过150个国家,现在威胁入侵美国。

“这将是有趣的屏幕这种突变在棉铃虫来自澳大利亚,印度,和巴西,“Yidong Wu说,南京农业大学昆虫学教授领导了这项研究。

当然,基因组扫描的技术并不局限于一种作物的害虫。

“数据表明,基因组扫描将有助于监测耐药性进化不仅为英国电信,但是对于杀虫剂一般来说,”弗雷德·古尔德说,他并未参与此项研究,但北卡州立大学昆虫学教授,美国国家科学院的成员。