Bt基因及其在抗鞘翅目害蟲上的應(yīng)用

楊佳　姚瑤

摘要：蘇云金芽孢桿菌是目前研究最深入的殺蟲微生物，其殺蟲蛋白基因也是應(yīng)用最廣泛和最有發(fā)展?jié)摿Φ目瓜x基因。近年來，鞘翅目害蟲尤其是金龜甲科害蟲對作物的危害日趨嚴(yán)重，是作物生長中最主要的害蟲之一。本文介紹了蘇云金芽孢桿菌及其抗蟲機(jī)制，并對該基因在鞘翅目害蟲防治方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：蘇云金芽孢桿菌;鞘翅目;Bt基因

1蘇云金芽孢桿菌

蘇云金芽孢桿菌（Bacillus thuringjensjs，簡稱Bt）是一種分布廣泛的革蘭氏陽性細(xì)菌，主要生活在土壤中，也可從植物、昆蟲或水中分離獲得。天然存在的蘇云金芽孢桿菌已在害蟲防治中應(yīng)用了幾十年。蘇云金芽孢桿菌于1901年由日本學(xué)者Shigetanelshiwata在感病的家蠶幼蟲中首次發(fā)現(xiàn)，1915年，德國微生物學(xué)家Berliner也分離得到了該細(xì)菌，并將其命名為蘇云金芽孢桿菌。由于其具有良好的抗蟲活性，1938年，法國開始將蘇云金芽孢桿菌進(jìn)行商品化，用于防治地中海粉螟，并由此開始了以蘇云金芽孢桿菌作為微生物殺蟲劑在世界范圍內(nèi)大面積商業(yè)化生產(chǎn)，被廣泛用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)和衛(wèi)生等領(lǐng)域害蟲的生物防治。

2 Bt蛋白的抗蟲機(jī)制

Bt蛋白通常是指蘇云金芽孢桿菌在芽孢形成過程中母細(xì)胞產(chǎn)生的殺蟲晶體蛋白cry和cyt，以及在營養(yǎng)生長期產(chǎn)生的營養(yǎng)期殺蟲蛋白VIPs。這些蛋白對鱗翅目、鞘翅目、膜翅目、雙翅目等多種昆蟲以及線蟲和螨類節(jié)肢動(dòng)物具有特異性殺滅作用。

Bt抗蟲蛋白中目前研究較多的主要是Cry蛋白，其抗蟲的主要機(jī)制可由“孔洞形成”模型說明：Cry蛋白被敏感昆蟲攝取后，由于昆蟲中腸內(nèi)為堿性條件，蛋白被溶解被酶消化，形成小分子的活化片段即核心毒素，這些核心毒素與昆蟲中腸部位上皮細(xì)胞表面的特異性受體結(jié)合，插入細(xì)胞膜形成空洞，從而引起上皮細(xì)胞破裂，水分大量流入細(xì)胞，中腸功能紊亂，最終導(dǎo)致昆蟲死亡。

3鞘翅目害蟲及其危害

鞘翅目害蟲在農(nóng)業(yè)、林業(yè)上的重要性不亞于鱗翅目，例如葉甲科馬鈴薯甲蟲分布廣泛，可造成馬鈴薯減產(chǎn)30% - 50%，是馬鈴薯和蔬菜生產(chǎn)的最大威脅。近年來，隨著免耕技術(shù)的推廣，鞘翅目金龜甲科害蟲危害日趨嚴(yán)重，其幼蟲俗稱蠐螬，是在世界范圍內(nèi)廣泛分布的地下害蟲之一，也是國內(nèi)公認(rèn)的難防治的土棲性害蟲。蠐螬主要以作物地下部分為食，其中以萌發(fā)的種子、幼苗的根、莖為主，造成作物苗期缺苗、斷壟或使幼苗生長不良，嚴(yán)重影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。有調(diào)查表明，植物地下部分受害的86%是由蠐螬危害造成的，全國每年蠐螬發(fā)生面積約1億畝，產(chǎn)量損失達(dá)20% -40 %【1】。4轉(zhuǎn)Bt基因抗鞘翅目昆蟲研究進(jìn)展

目前國際上已有122個(gè)抗鞘翅目的轉(zhuǎn)基因玉米品系及其衍生系和30個(gè)抗馬鈴薯甲蟲的轉(zhuǎn)基因馬鈴薯品種進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)。對鞘翅表現(xiàn)抗性的cry類基因主要有crylBa、cry3、cry7、cry8、cry18、cry23、cry34、cry37、cry43等，其中，研究較多的主要是cry3類、cry8類。

4.1 cry3類基因

1987年Herrnstadt克隆了第一個(gè)對鞘翅目害蟲有效的cry3Aa基因【2】，到目前為止，全球共克隆得到了17個(gè)cry3類基因，其中cry3Aa基因12個(gè)。1993年，Perlak把cry3Aa基因轉(zhuǎn)入到馬鈴薯中，獲得的轉(zhuǎn)基因材料對馬鈴薯甲蟲有較強(qiáng)的抗性【3】。以上研究表明，cry3類基因?qū)η食崮亢οx的抗性效果非常顯著，在今后培育抗鞘翅目害蟲植物方面，該類基因必將發(fā)揮重要作用。

4.2 cry8類基因

截至2018年底，全球共克隆獲得了60個(gè)cry8類基因，它們對金龜子科、象甲科、葉甲科等多種鞘翅目害蟲具有殺蟲活性。2003年，Asano等發(fā)現(xiàn)含有cry8Da基因的Bt菌株對銅綠異麗金龜有高殺蟲活性【4】，美國杜邦公司克隆的cry8Bbl和cry8Bcl基因?qū)ξ鞣接衩赘~甲具有顯著殺蟲效果。郎志宏cry8Ca2轉(zhuǎn)入煙草中，證明其對蠐螬有毒殺作用【5】。劉艷菊cry8e轉(zhuǎn)化大豆，得到的轉(zhuǎn)Cry8e基因發(fā)狀根對蠐螬的殺蟲活性最高達(dá)到80%以上【6】。耿麗麗將Cry8Eal和Cry8Hal基因轉(zhuǎn)入花生，獲得了對暗黑鰓金龜表現(xiàn)抗性的轉(zhuǎn)基因材料。這些研究結(jié)果表明，cry8類基因?qū)η食崮款惡οx蠐螬具有較強(qiáng)的生物活性，為下一步開發(fā)抗蠐螬轉(zhuǎn)基因植物奠定了基礎(chǔ)。

5結(jié)語

蘇云金芽孢桿菌以其殺蟲活性高、殺蟲譜較廣、不污染環(huán)境、對人畜安全等特點(diǎn)已成為目前害蟲生物防治中研究、應(yīng)用最為廣泛的殺蟲劑，并且已經(jīng)安全使用了幾十年。轉(zhuǎn)Bt基因的玉米、棉花、大豆等由于其具有良好的抗蟲性，已進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)。截至2018年，全球一共分離克隆了852個(gè)Bt基因，由于Bt基因與害蟲的結(jié)合位點(diǎn)有特異性，因此不同的Bt基因殺蟲譜不同。近年來，鞘翅目害蟲對作物的危害日趨嚴(yán)重，隨著研究的深入，相信會(huì)有更多的對鞘翅目表現(xiàn)活性的新基因出現(xiàn)，對轉(zhuǎn)基因抗蟲育種及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

【1】魏鴻均，中國地下害蟲[M】上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1985

【2】Herrnstadt C，Gilroy T E，Sobie D A，Bennett B D，GaertnerF .Anovelcrygene from the strain ofBacillusthuringiensiswithactive against coleopteran insects Gene，1987， 57（1）： 37 - 46

【3】F.J. Perlak. T.B. Stone .Y. M Muskopf，et al Geneticallyimproved potatoes： protection from damage by Colorado potatobeetles Pla ntM01 Bi01.1993， 22： 313 - 321

【4】Asano S，Yamashita C，Lizuka T，et al A strain ofBacillus thuringiensis subsp. galleriae containing a novel cry8 genehighly toxic to Anomalacuprea（Coleoptera：Scarabaeidae）Biological Control. 2003， 28： 191-196

【5】郎志宏蘇云金芽孢桿菌cry8Ca基因的活性分析及在轉(zhuǎn)基因煙草中的表達(dá)【D】北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院博士后研究工作報(bào)告，2005：39- 50

【6】劉艷菊發(fā)根農(nóng)桿菌介導(dǎo)的Bt基因Cry8e轉(zhuǎn)化大豆抗蠐螬研究【D】河南師范大學(xué)，2010