荧光增白剂对Cry1Ac抗感棉铃虫围食膜的影响及增效作用

为了提高Bt的杀虫活性,运用扫描电镜、SDS-PAGE电泳和生物测定技术,研究了荧光增白剂FB28对棉铃虫Cry1Ac抗性和敏感品系围食膜的影响及对Cry1Ac杀虫蛋白的增效作用。结果表明,正常棉铃虫围食膜表面光滑致密,没有空洞和缝隙。用含1%FB28的人工饲料饲喂刚蜕皮的5龄棉铃虫幼虫2 h后,抗感棉铃虫围食膜表面均出现许多空洞,且敏感棉铃虫的空洞明显大于抗性棉铃虫;随着处理时间的延长,围食膜上的空洞逐渐变小,13 h后恢复正常。用1%FB28离体或活体处理抗、感品系棉铃虫,均可造成围食膜蛋白被降解。用1%FB28与Cry1Ac杀虫蛋白混合饲喂抗、感棉铃虫初孵幼虫,可明显提高棉铃虫的死亡率,且对抗性品系的增效作用明显大于敏感品系,对敏感和抗性品系棉铃虫的增效比分别为2.23和9.34;1%FB28还可以明显增加对抗、感品系3龄棉铃虫幼虫的生长抑制作用。     

棉铃虫围食膜中Bt抗性相关蛋白的分离与鉴定

棉铃虫是世界性的重要农业害虫。围食膜作为昆虫抵御病原微生物入侵及有害物质的第一道天然保护性屏障,其上可能存在与Bt抗性相关的受体蛋白。本研究以Bt Cry1Ac抗性和敏感品系的棉铃虫围食膜为对象,采用NuPAGE电泳技术、配体杂交、质谱鉴定和生物信息学分析等技术,测定了围食膜蛋白含量,鉴定了蛋白质的组成及与Bt Cry1Ac毒素的结合能力。结果表明敏感品系围食膜中蛋白含量为22.19%,抗性品系围食膜中蛋白含量为26.99%。抗、感品系棉铃虫围食膜上存在与Cry1Ac毒素结合的6个差异蛋白,推测其中棉铃虫羧酸酯酶蛋白和血影蛋白是2个有意义的抗性相关蛋白,2个新蛋白可能参与Bt抗性。研究证明棉铃虫围食膜上存在Bt结合蛋白且与抗性相关,为进一步明确Bt抗性机制、制定合理的Bt抗性治理策略提供了理论依据。     

V-ATPase H表达量下调增强棉铃虫对Cry1Ac的抗性

棉铃虫Helicoverpa armigera是世界性重要农业害虫。目前防治棉铃虫的主要手段是种植转苏云金芽胞杆菌Bacillus thuringiensis(Bt)杀虫蛋白的转基因作物。本文旨在研究棉铃虫V-ATPase H在Cry1Ac蛋白毒力和抗性中的作用。利用实时荧光定量qRT-PCR技术分析V-ATPase H在Cry1Ac抗、感品系棉铃虫幼虫中肠及敏感品系棉铃虫幼虫受Cry1Ac诱导后的表达情况;在昆虫Sf9细胞中过表达V-ATPase H对其进行细胞定位,通过细胞毒力试验验证其对Cry1Ac毒力的影响。结果发现棉铃虫V-ATPase H基因在抗性品系中低表达,并且V-ATPase H在受到Cry1Ac诱导时也低表达;在Sf9细胞内表达V-ATPase H蛋白发现其在整个细胞中都有分布,过表达该蛋白后增强了细胞对Cry1Ac蛋白的敏感性。结果表明V-ATPase H参与Cry1Ac蛋白的毒力。     

棉铃虫V-ATPase亚基B是Cry1Ac的功能受体

目前对转苏云金芽胞杆菌Bacillus thuringiensis（Bt）的研究发现,液泡型ATP酶（Vacuolar-type proton ATPase,V-ATPase）可能是Bt的一类新型受体。我们前期通过构建棉铃虫的中肠酵母文库筛选Cry1Ac的结合蛋白发现棉铃虫V-ATPase亚基B（V-ATPase B）可以与Cry1Ac结合。为明确V-ATPase B在Cry1Ac毒力和昆虫对Cry1Ac抗性机制中的作用,本研究首先采用实时荧光定量PCR技术分析了该基因在抗感Cry1Ac棉铃虫幼虫中及其受到Cry1Ac诱导时的基因表达情况;通过Ligand blot进一步地证实了其与Cry1Ac的结合特性;并通过在Sf9细胞中表达V-ATPase B的试验验证了其功能。结果表明V-ATPase B在抗性品系及受到Cry1Ac诱导时均下调表达,Ligand blot证实了V-ATPase B与Cry1Ac特异性结合;并且在昆虫细胞内过表达该基因,会增强Cry1Ac的细胞毒力。研究结果表明棉铃虫V-ATPase B是Cry1Ac的功能受体,并有可能通过降低基因表达来参与棉铃虫对Cry1Ac的抗性形成。     

棉铃虫小分子热激蛋白sHSP22.0基因的克隆及表达谱分析

棉铃虫Helicoverpa armigera是一种重要的农业害虫,本文旨在研究小分子热激蛋白在其生长发育过程、抵御高温及Cry1Ac杀虫蛋白中的功能。利用PCR结合RACE技术克隆了棉铃虫sHSP22.0(small heat shock protein 22.0)基因,通过生物信息学软件分析了棉铃虫sHSP22.0基因序列,利用实时荧光定量qRT-PCR分析了该基因在棉铃虫不同生长发育阶段和组织中的表达模式;并分析了该基因受高温及Cry1Ac全长蛋白的诱导效应。获得了棉铃虫sHSP22.0(GenBank登录号: XP_021196802.1) 761 bp cDNA片段,其开放阅读框576 bp,编码191个氨基酸,具有小分子热激蛋白典型的α-晶体结构域(α-crystallin domain,ACD)。sHSP22.0在棉铃虫4龄和5龄期特异性表达,尤其在5龄幼虫的表皮、中肠和后肠内特异性表达。该小分子热激蛋白受温度和Cry1Ac全长蛋白的诱导后显著高表达。sHSP22.0不仅在暴食期及肠道内特异性表达,而且响应Cry1Ac全长蛋白的诱导,表明它在棉铃虫消化吸收及抵御外源物的活动中可能起到重要的作用。     

棉铃虫APN基因家族系统进化与功能分析

氨肽酶N（APN）是锌金属蛋白酶M1家族的成员,鳞翅目昆虫中肠刷状缘膜囊泡（brush border membrane vesicles,BBMV）细胞膜上的APN不仅在蛋白消化吸收过程中起着重要的作用,而且是Bt的重要受体蛋白。本研究通过PCR技术克隆得到7条棉铃虫APN基因全长序列,HaAPN1～7（Genbank登录号为MT002819～MT002825）。经生物信息学分析,HaAPN1～7全长为2592～3099 bp,编码863～1032个氨基酸,分子量为110～115 kDa,等电点为4.7～6.4,N端信号肽为15～20 aa。系统进化分析结果表明,HaAPN1～7分属于Class 1～7类别。RT-qPCR结果表明,在敏感棉铃虫5龄幼虫中肠中APN2的表达量最高,APN7的表达量最低;Cry1Ac抗性品系棉铃虫中各类APN的表达趋势与敏感品系一致。取食Cry1Ac、Cry2Ab和Vip3Aa蛋白后棉铃虫中肠APN活性显著降低,取食Cry1Ac和Vip3Aa蛋白后中肠液和BBMV中APN活性都显著降低,而取食Cry2Ab蛋白后只有BBMV上APN活性显著降低;棉铃虫对Cry1Ac、Cry2Ab和Vip3Aa产生耐受性后,中肠液和BBMV中APN活性也都发生显著变化。因此,不同类别的棉铃虫APN在Bt的杀虫机制中可能起到不同的作用,APN活性变化可能与Bt蛋白的降解及抗性演化相关。     

APN1的原核表达及其与Cry1Ac蛋白体外结合

本研究分析了Cry1Ac蛋白与棉铃虫BBMVs的结合情况;并将棉铃虫apn1基因的全长和片段在大肠杆菌Rosetta(DE3)中进行表达,利用Ligand blotting技术分析原核表达的APN1全长及4个片段与Cry1Ac蛋白的结合情况。结果表明:Cry1Ac蛋白可以与棉铃虫的BBMVs结合;在大肠杆菌中表达的棉铃虫受体蛋白APN1的全长、片段H1(33~257)、H2(258~547)和H3(548~798)可以与Cry1Ac蛋白结合,其中片段H3是首次发现可以与Cry1Ac蛋白结合。本研究的结果也为其他Bt蛋白受体的体外功能研究提供新的借鉴。     

Cry2Ab杀虫蛋白对小地老虎幼虫致死效果及体内酶活性的影响

为治理小地老虎的危害,研究了Bt杀虫蛋白对小地老虎幼虫的控制作用.室内生物测定结果表明,Cry2Ab杀虫蛋白对小地老虎初孵幼虫的致死效果高于Cry1Ac杀虫蛋白.取食含有Cry2Ab杀虫蛋白人工饲料的小地老虎幼虫体内的中肠总蛋白酶和类胰凝乳蛋白酶活性高于对照,当人工饲料中Cry2Ab杀虫蛋白含量达到12μg/g时,小地老虎幼虫中肠氨肽酶活性显著升高;而取食含有Cry1Ac杀虫蛋白人工饲料的小地老虎幼虫中肠蛋白酶活性无显著变化.此外,小地老虎幼虫取食含有Cry2Ab杀虫蛋白的人工饲料后,体内谷胱甘肽-S-转移酶活性显著升高,而取食合有Cry1Ac杀虫蛋白的人工饲料后其变化不明显.     

转Cry1Ac/1Ab基因棉花对棉铃虫的控制效果及对甜菜夜蛾和斜纹夜蛾生长发育的影响

为评估转Cry1Ac/1Ab基因棉花对棉铃虫Helicoverpa armigera的抗性及对非靶标害虫甜菜夜蛾Spodoptera exigua和斜纹夜蛾S.litura生长发育的影响,采用室内生测法测定其对棉铃虫的抗性及对甜菜夜蛾和斜纹夜蛾不同龄期幼虫存活率、营养代谢及中肠酶活性的影响。结果表明,转Cry1Ac/1Ab基因棉花对棉铃虫第2代幼虫的抗性程度最高,幼虫校正死亡率达91.33%,但对甜菜夜蛾和斜纹夜蛾的抗性程度较低,幼虫校正死亡率分别为15.33%和13.33%。甜菜夜蛾和斜纹夜蛾各龄期幼虫取食转Cry1Ac/1Ab基因棉花后,其存活率与取食常规棉花对照无显著差异;甜菜夜蛾对转Cry1Ac/1Ab基因棉花叶片的相对取食量、近似消化率分别为16.68和93.12%,均高于取食常规棉花对照的10.72和92.00%,但差异不显著,而斜纹夜蛾取食转Cry1Ac/1Ab基因棉花后的各项营养指标均低于取食常规棉花对照,差异也不显著。取食转Cry1Ac/1Ab基因棉花后,甜菜夜蛾的过氧化物酶活性为0.02 U/mg prot,显著低于取食常规棉花的0.05 U/mg prot;斜纹夜蛾的酸性磷酸酶活性为0.15 U/mg prot,高于取食常规棉花的0.10 U/mg prot,但差异不显著,其它中肠酶活性均低于对照,亦无显著差异。     

不同Bt杀虫蛋白通过食物链对大草蛉的影响

为了明确目前转基因抗虫植物中表达的Bt蛋白对农田重要捕食性天敌大草蛉的生态安全性，采用三级营养食物链评价体系，分别以对供试Bt蛋白Cry1Ac、Cry1F和Cry2Ab具有抗性的靶标害虫或不敏感的非靶标害虫作为大草蛉的猎物，研究了供试3种蛋白对大草蛉的影响。结果表明，当大草蛉以抗性棉铃虫（抗Cry1Ac或Cry2Ab）或抗性玉米螟（抗Cry1F）为猎物时，供试3种Bt蛋白通过食物链对大草蛉幼虫（4龄幼虫重量和幼虫发育至蛹历期）、蛹（化蛹率、蛹重和蛹发育历期）及成虫（羽化率、雌虫重量、雄虫重量和单雌产卵量）的生长发育及产卵量均无显著影响；同样地，当大草蛉以对3种Bt蛋白不敏感的非靶标昆虫——绿盲蝽作为猎物时，通过食物链传递的Bt蛋白对大草蛉生长发育及繁殖也无显著影响。因此，目前转基因棉花、玉米或水稻中广泛表达的Cry1Ac、Cry1F和Cry2Ab蛋白，通过三级营养食物链，对大草蛉生长发育及繁殖均无潜在毒性。     

四种Bt毒素蛋白对二点委夜蛾幼虫毒力测定及中肠组织病理学变化

为更好地了解苏云金芽胞杆菌Bacillus thuringiensis毒素蛋白对二点委夜蛾Athetis lepigone的毒力以及作用机理,通过饲喂含有Cry1Ac、Cry1Ab、Cry2Ab和Vip3Aa四种不同Bt毒素蛋白饲料,测定Bt毒素蛋白对二点委夜蛾幼虫的毒力,并观察取食4种毒素蛋白后幼虫中肠组织的病理学变化。结果显示,二点委夜蛾幼虫取食毒素蛋白后72 h,Cry1Ab和Cry1Ac毒素蛋白对二点委夜蛾幼虫的杀虫活性较高,校正死亡率为84.7%和76.4%;Vip3Aa和Cry2Ab毒素蛋白的毒力较弱。二点委夜蛾幼虫取食4种Bt毒素蛋白后,中肠柱状细胞微绒毛脱落,杂乱地分散在肠腔内,杯状细胞变形和腔内微绒毛脱落,线粒体和内质网等变形破裂,细胞核的核膜消失、核质凝聚和形状发生变化,经Cry1Ab和Cry1Ac毒素蛋白处理后中肠细胞的病变症状和速度明显高于Cry2Ab和Vip3Aa毒素蛋白处理。表明Cry1Ab和Cry1Ac毒素蛋白对二点委夜蛾幼虫杀虫活性较高,显著高于Cry2Ab和Vip3Aa毒素蛋白,且对其中肠细胞的破坏作用也较强。     

Prohibitin,an essential protein for Colorado potato beetle larval viability,is relevant to Bacillus thuringiensis Cry3Aa toxicity

Bacillus thuringienesis (Bt) Cry toxins constitute the most extensively used environmentally safe biopesticide and their mode of action relies on the interaction of the toxins with membrane proteins in the midgut of susceptible insects that mediate toxicity and insect specificity. Therefore, identification of Bt Cry toxin interacting proteins in the midgut of target insects and understanding their role in toxicity is of great interest to exploit their insecticidal action. Using ligand blot, we demonstrated that Bt Cry3Aa toxin bound to a 30 kDa protein in Colorado potato beetle (CPB) larval midgut membrane, identified by sequence homology as prohibitin-1 protein. Prohibitins comprise a highly conserved family of proteins implicated in important cellular processes. We obtained the complete CPB prohibitin-1 DNA coding sequence of 828 pb, in silico translated into a 276-amino acid protein. The analysis at the amino acid level showed that the protein contains a prohibitin-homology domain (Band7_prohibitin, cd03401) conserved among prohibitin proteins. A striking feature of the CPB identified prohibitin-1 is the predicted presence of cadherin elements, potential binding sites for Cry toxins described in other Bt susceptible insects. We also showed that CPB prohibitin-1 protein partitioned into both, detergent soluble and insoluble membrane fractions, as well as a prohibitin-2 homologous protein, previously reported to form functional complexes with prohibitin-1 in other organisms. Prohibitin complexes act as membrane scaffolds ensuring the recruitment of membrane proteases to facilitate substrate processing. Accordingly, sequestration of prohibitin-1 by an anti-prohibitin-1 antibody impaired the Cry3Aa toxin inhibition of the proteolytic cleavage of a fluorogenic synthetic substrate of an ADAM-like metalloprotease previously reported to proteolize this toxin. In this work, we also demonstrated that prohibitin-1 RNAi silencing in CPB larvae produced deleterious effects and together with a LD50 Cry3Aa toxin treatment resulted in a highly efficient short term response since 100% larval mortality was achieved just 5 days after toxin challenge. Therefore, the combination of prohibitin RNAi and Cry toxin reveals as an effective strategy to improve crop protection.     

羧肽酶在Bt抗性棉铃虫中肠的表达分析

本研究利用实时定量PCR技术检测了对Bt(Bacillus thuringiensis)Cry1Ac敏感和抗性品系棉铃虫Helicov-erpa armigera中肠羧肽酶(carboxypeptidase)的mRNA表达,发现在抗性品系中羧肽酶表达量明显下降(约2.6倍);中肠汁液中羧肽酶酶活测定结果表明,抗性品系羧肽酶酶活性同样显著下降约2.2倍。羧肽酶作为重要的消化性外切酶(exopeptidase),能够消化摄取食物中的大量可吸收的蛋白质,抗性品系羧肽酶表达量显著下降表明该种群消化食物的能力降低,这可能会导致与抗性适合度相关的多种生理指标的下降。另外,体外成功表达棉铃虫羧肽酶,为从蛋白和抗体水品进一步研究羧肽酶在棉铃虫抗性适合度中的作用奠定基础。     

棉铃虫对Cry1Ac抗性的稳定性及其对适合度的影响

为明确棉铃虫Helicoverpa armigera（Hübner）对苏云金芽胞杆菌Bacillus thuringiensis（Bt）Cry1Ac毒蛋白抗性的稳定性及其适合度变化,利用生物测定的方法研究了Cry1Ac抗性品系棉铃虫转到正常饲料饲养后的抗性衰退及再次筛选后抗性的恢复情况,并比较了敏感、抗性和抗性衰退后各品系间的适合度差异。在失去选择压的情况下,高抗品系棉铃虫对Cry1Ac的抗性迅速衰退,经过4代后抗性水平由最初的3626.67倍下降到1436.67倍;到第12代时抗性水平已低于10倍,随后品系保持较稳定的低抗水平;当重新进行抗性再筛选时,其抗性水平可快速恢复,抗性倍数快速回升,5代后恢复到1123.33倍。与敏感品系相比,高抗棉铃虫品系的适合度明显降低,相对适合度仅为0.33,但转到正常饲料连续饲养14代后,棉铃虫适合度明显上升,相对适合度为0.87,主要表现为卵孵化率和幼虫存活率等显著提高。     

沉默cadherin基因对小菜蛾敏感性的影响

钙粘蛋白(cadherin)是许多鳞翅目昆虫中苏云金芽孢杆菌(Bt)毒素的受体。利用RNAi技术对小菜蛾中肠cadherin基因进行沉默处理,明确了cadherin基因沉默对小菜蛾对Cry1Ac毒素敏感性的影响。结果表明,注射目标dsRNA后的第1天至第5天,Cry1Ac敏感及抗性小菜蛾品系cadherin的基因表达量均显著减少,尤以第2天的减少量最为明显;Cry1Ac毒力测定结果表明,沉默cadherin基因能在一定程度上提高幼虫的成活率,即可使小菜蛾对Cry1Ac毒素的敏感性降低。研究初步表明,cadherin基因的功能与小菜蛾对Cry1Ac毒素的抗性有关。     

Cry1Ac和Cry2Ab蛋白对大草蛉生长发育及酶活力的影响

为明确转Cry1Ac和Cry2Ab基因棉花对大草蛉的影响,运用Bt蛋白与人工饲料混合的方法,以大于转基因棉花叶片中蛋白含量20倍的剂量饲喂大草蛉初孵幼虫,初步研究了Cry1Ac和Cry2Ab对大草蛉生物学参数和消化酶、解毒酶活性的影响。结果表明：取食含Bt蛋白饲料的大草蛉幼虫的发育历期、体重、蛹重、成虫体重、羽化率等生物学参数与对照相比均没有显著差异;在大草蛉幼虫体内可以检测到含量较高的Cry1Ac和Cry2Ab蛋白,分别为974.92~1 282.39 ng/g鲜重和5 592.62~6 082.92 ng/g鲜重,而在大草蛉成虫体内检测到的Cry1Ac和Cry2Ab蛋白含量非常低,分别为0.29~0.39 ng/g鲜重和50.34~56.71 ng/g鲜重;取食含Bt蛋白的饲料对大草蛉幼虫的类胰蛋白酶、类胰凝乳蛋白酶、氨肽酶和谷胱甘肽-S-转移酶活性有一定的影响,但对大草蛉成虫影响与对照差异不显著。表明大草蛉取食含Bt蛋白的人工饲料后,虽然体内可以检测到一定含量的Bt蛋白,但对大草蛉的生长发育并没有显著的直接不利影响。