取食转Bt基因抗虫玉米后亚洲玉米螟幼虫中肠的组织病理变化

利用透射显微镜（TEM）观察亚洲玉米螟Ostrinia furnacalis (Guenée)幼虫取食了表达Cry1Ab杀虫蛋白的转Bt基因玉米心叶组织后中肠的组织病理变化, 以探讨转Bt基因玉米对亚洲玉米螟的致病机理, 为其合理、安全和持续利用提供理论依据。结果表明：亚洲玉米螟取食Bt玉米后中肠细胞及其细胞器发生了明显的病变。取食Bt玉米12 h后中肠细胞开始病变, 首先微绒毛脱落、内质网开始肿胀, 24 h后内质网肿胀、增多, 杯状细胞杯腔增大, 48 h后微绒毛大量脱落, 细胞开始空泡化, 随着取食时间的增加, 细胞空泡化程度加剧, 在感染前期细胞间的病变程度差异较大。微绒毛脱落、内质网肿胀断裂是在多数取食Bt玉米的亚洲玉米螟中肠细胞发生的普遍病变。由此表明, 人工修饰的Cry1Ab基因导入到玉米染色体组中所表达的杀虫蛋白可使玉米螟幼虫中肠细胞发生病变, 最终导致其死亡。     

转Bt基因抗虫玉米对亚洲玉米螟幼虫取食行为的影响

室内研究了转cry1Ab杀虫蛋白基因的Bt抗虫玉米MON81 0和Bt1 1对亚洲玉米螟Ostriniafurnacalis初孵幼虫和3龄幼虫的取食行为、取食选择性和存活率的影响。在48h的非选择性试验中玉米螟初孵幼虫在MON81 0和Bt1 1玉米心叶组织上的幼虫取食率随时间的增加而下降,在对照玉米上的幼虫取食率随时间的增加而上升,两者间差异极显著。初孵幼虫接虫到MON81 0和Bt1 1玉米叶片48h的累计死亡率分别为67 .5 %和47 .5 % ,而在对照玉米上死亡率均为0. 3龄幼虫在Bt和非Bt玉米穗轴组织上的幼虫取食率随时间的增加呈上升趋势,第48h时在Bt和非Bt玉米上的幼虫取食率分别达到77 5 %和1 0 0 % ,差异极显著。选择性试验中,第4～48h内,初孵幼虫在Bt玉米上的幼虫取食率呈下降趋势,第48h时MON81 0和Bt1 1与各自非Bt对照的组合中初孵幼虫的累计死亡率分别为2 5 .0 %和1 7. 5 % ,二者差异不显著。3龄幼虫在Bt玉米和非Bt玉米上的幼虫取食率均随时间的延长而增加,但在非Bt玉米的幼虫取食率增加速度快,与Bt玉米差异极显著。Bt玉米对玉米螟幼虫取食有抑制和忌避作用。     

取食Cry2Ab蛋白后棉铃虫幼虫中肠组织的病理变化

为了明确Cry2Ab杀虫蛋白的作用机制, 利用透射电镜观察了棉铃虫Helicoverpa armigera (Hübner)3龄末幼虫取食含Cry2Ab蛋白（8 μg/g）饲料后中肠的组织病理变化, 并与分别取食含Cry1Ac蛋白（0.97 μg/g）饲料和正常饲料的棉铃虫进行了比较。结果表明： 棉铃 虫取食Cry2Ab蛋白后中肠细胞及其细胞器均发生了明显的病变, 主要表现为： 中肠杯状细胞的杯腔肿胀或拉长, 部分柱状细胞被杯状细 胞挤压出来, 微绒毛脱落, 细胞核皱缩, 质膜和核膜不清晰, 染色质凝聚, 线粒体拉伸变形, 内质网肿胀断裂; 并且随着取食时间 的延长病变越来越明显。与取食Cry1Ac蛋白的棉铃虫相比, Cry2Ab引起棉铃虫中肠组织发生病变的速度较慢。本研究可为Cry2Ab作为转基 因棉花的重要杀虫蛋白在将来更好地发挥作用提供理论依据。     

Cry1Ac和Cry2Ab杀虫蛋白对粘虫幼虫生长发育的影响

【目的】为探究Bt杀虫蛋白对次要靶标害虫粘虫Mythimna separata (Walker)(鳞翅目:夜蛾科)的杀虫活性及对其生长发育的影响。【方法】本文通过浸叶法饲喂初孵及2龄末粘虫不同剂量的Cry1Ac及Cry2Ab杀虫蛋白后,观察其死亡率,称量幼虫重,并统计了幼虫历期、化蛹率、蛹重、蛹期、蛹的羽化率、畸形率等指标。【结果】初孵幼虫取食浸泡含16、64、128μg/mLCry1Ac及Cry2Ab的玉米叶片后,随着时间的延长及浓度的增加,死亡率逐渐增加,且Cry1Ac杀虫蛋白对粘虫的生物活性高于Cry2Ab蛋白,在128μg/mL浓度下,取食Cry1Ac和Cry2Ab蛋白13d时的死亡率分别达到了65%及60%。取食两种蛋白后,初孵幼虫和2龄末幼虫重量均受到显著抑制,短期取食两种蛋白对幼虫历期、化蛹率、蛹重、蛹期、蛹的羽化率、畸形率没有影响。【结论】取食Cry1Ac和Cry2Ab杀虫蛋白后,对初孵幼虫有很好的杀虫活性,且Cry1Ac杀虫活性高于Cry2Ab杀虫蛋白;短期饲喂两种杀虫蛋白时,对2龄粘虫后期生长影响不大。本文结果为转Bt基因作物更好的应用于粘虫的防治提供了理论基础。     

Bt水稻Cry1Ab杀虫蛋白表达的时间动态及其在水稻土中的降解

采用ELISA技术检测了Bt水稻克螟稻1号(KMD1)和克螟稻2号(KMD2)不同生育期茎和叶片中cry1Ab基因的表达水平,以及植株组织(茎和叶片)室内埋于不同稻田土壤中其Cry1Ab杀虫蛋白的降解动态。结果表明,不论是KMD1还是KMD2,茎和叶片中cry1Ab基因的表达量为3.7～9.1μg/g鲜重,均以拔节期和孕穗期相对较低,灌浆初期显著升高,黄熟期又明显下降(但仍然维持在较高的表达量)。KMD1茎和叶片中Cry1Ab蛋白在3种水稻土即青紫泥田、黄松田和黄筋泥田中的降解,均以前期(处理后12d内)较快,但中后期明显较慢;处理后42d,这两种组织中的Cry1Ab残留量均稳定在μg级水平,分别仅有0.20～0.85μg/g干重和0.35～1.81μg/g干重。KMD1茎和叶片中Cry1Ab蛋白降解动态与土壤类型密切相关,青紫泥田中降解最快,黄筋泥田中次之,黄松田中最慢。淹水可加快土壤中茎和叶的腐解,从而促进其中Cry1Ab蛋白的降解。KMD2粉碎叶中Cry1Ab蛋白在有菌水稻土中的降解快于无菌土中,表明土壤微生物存在可加快Cry1Ab蛋白的降解。在各种土壤淹水与非淹水、灭菌与非灭菌处理条件下的Cry1Ab蛋白降解过程均可用指数方程进行拟合,算得其消减半衰期为2.2～11.6d不等。讨论了土壤类型、淹水等影响Cry1Ab蛋白降解的可能机制,认为土壤微生物是其中起关键作用的一个因子。     

转cry1Ab/cry1Ac基因玉米Cry1Ab/Cry1Ac融合蛋白表达及对亚洲玉米螟的室内杀虫效果

【目的】室内抗螟性评价是转Bt基因抗虫玉米研发和安全性评价的重要环节。【方法】采用酶联免疫吸附测定法(ELISA)测定了转cry1Ab/cry1Ac基因玉米ZZM030心叶中Cry1Ab/Cry1Ac融合杀虫蛋白的表达量;采用室内生测法测定了分别取食转基因玉米ZZM030和非转基因玉米X249心叶后亚洲玉米螟Ostrinia furnacalis敏感品系ACB-BtS、Cry1Ab抗性品系ACB-AbR和Cry1Ac抗性品系ACB-AcR初孵幼虫的存活率。【结果】转基因抗虫玉米ZZM030 4叶期和8叶期心叶中Cry1Ab/Cry1Ac融合杀虫蛋白的表达量分别是10.62和2.94μg/g FW。敏感品系亚洲玉米螟初孵幼虫取食转基因玉米ZZM030心叶2 d的存活率仅为23.6%,4 d后存活率为0,而取食非转基因对照玉米X249心叶4 d的存活率高达93.1%。Cry1Ab抗性品系和Cry1Ac抗性品系初孵幼虫取食转基因玉米ZZM030心叶6 d后的存活率分别为11.1%和12.5%,而取食非转基因玉米X249心叶6 d后的存活率分别为81.9%和77.8%。【结论】转cry1Ab/...     

转cry1Ab/cry1Ac基因玉米Cry1Ab/Cry1Ac融合蛋白表达及对亚洲玉米螟的室内杀虫效果

【目的】室内抗螟性评价是转Bt基因抗虫玉米研发和安全性评价的重要环节。【方法】采用酶联免疫吸附测定法(ELISA)测定了转cry1Ab/cry1Ac基因玉米ZZM030心叶中Cry1Ab/Cry1Ac融合杀虫蛋白的表达量;采用室内生测法测定了分别取食转基因玉米ZZM030和非转基因玉米X249心叶后亚洲玉米螟Ostrinia furnacalis敏感品系ACB-BtS、Cry1Ab抗性品系ACB-AbR和Cry1Ac抗性品系ACB-AcR初孵幼虫的存活率。【结果】转基因抗虫玉米ZZM030 4叶期和8叶期心叶中Cry1Ab/Cry1Ac融合杀虫蛋白的表达量分别是10.62和2.94 μg/g FW。敏感品系亚洲玉米螟初孵幼虫取食转基因玉米ZZM030心叶2 d的存活率仅为23.6%,4 d后存活率为0,而取食非转基因对照玉米X249心叶4 d的存活率高达93.1%。Cry1Ab抗性品系和Cry1Ac抗性品系初孵幼虫取食转基因玉米ZZM030心叶6 d后的存活率分别为11.1%和12.5%,而取食非转基因玉米X249心叶6 d后的存活率分别为81.9%和77.8%。【结论】转cry1Ab/cry1Ac基因玉米ZZM030心叶中高表达的Cry1Ab/Cry1Ac融合蛋白对亚洲玉米螟初孵幼虫具有极高的杀虫效果。     

转Bt基因玉米根际土壤及秸秆残体中Cry1Ab蛋白含量动态

采用ELISA法研究了田间种植条件下转Bt基因玉米MON810生育期根际土壤及还田秸秆中Cry1Ab蛋白的田间残留降解动态,并分别用移动对数模型、指数模型和双指数模型对秸秆分解释放Cry1Ab蛋白的田间降解动态进行拟合,估算了DT5o和DT90值.结果表明:Bt玉米不同生育期根际土壤中Cry1 Ab蛋白含量差异较大,但总体随生育期的延长而显著降低.收获后地表覆盖和埋入土壤两种秸秆还田方式下,秸秆中Cry1Ab蛋白在土壤中的降解规律基本一致,均呈现前期大量快速降解,中后期极少量稳定降解两个阶段.秸秆还田7d内,地表覆盖处理的Cry1Ab蛋白降解率均极显著高于埋入土壤处理;10 d时两处理的降解率基本一致,分别为88.8％和88.6％;20 d后,两处理秸秆中Cry1Ab蛋白的降解日趋缓慢;至180 d时仍能检测到少量的Cry1Ab蛋白.3种模型均能较好地反映秸秆中Cry1Ab蛋白的田间降解规律,从相关系数(R)及DTgo值与实测值的吻合程度来看,双指数模型最优.     

草地贪夜蛾取食Cry1Ab和Cry1Fa蛋白后中肠转录组及ABC基因表达分析

【目的】为揭示草地贪夜蛾Spodoptera furgiperda幼虫取食Bt蛋白后与中肠上相关ATP结合盒转运子(ATP-binding cassette transporter, ABC)蛋白基因的表达量变化的关系。【方法】分别使用含活化晶体蛋白Cry1Ab (LC₇₀=240.2 μg/g)和Cry1Fa (LC₇₀=270.0 μg/g)蛋白的人工饲料饲喂草地贪夜蛾4龄幼虫48 h,利用高通量测序对中肠进行转录组测序并进行生物信息学分析,筛选处理后差异表达基因;利用RT-qPCR验证差异表达ABC基因的表达量。【结果】与饲喂正常人工饲料的对照相比,饲喂含240.2 μg/g Cry1Ab和270.0 μg/g Cry1Fa的人工饲料后草地贪夜蛾4龄幼虫中肠转录组中分别检测到1 305和1 202个差异表达基因。Cry1Ab和Cry1Fa处理组与对照组之间分别有994和912个差异表达基因被GO功能注释到生物学过程、分子功能和细胞组分三大类。在最终筛选到的9个差异表达的ABC家族基因中,Cry1Ab处理组与对照组之间有4个差异表达ABC基因,3个上调,1个下调; Cry1Fa处理组与对照组之间有5个差异表达ABC基因,2个上调,3个下调;Cry1Ab和Cry1Fa处理组与对照组之间有2个ABC基因(LOC118267200和LOC118267201)表达量均显著上调。RT-qPCR验证结果表明,与对照组相比,Cry1Ab处理组有3个ABC基因表达量极显著上调,2个ABC基因表达量下调;Cry1Fa处理组有5个ABC基因表达量上调,1个ABC基因表达量下调。【结论】Cry1Ab和Cry1Fa蛋白的摄入可以影响草地贪夜蛾幼虫中肠一些ABC家族基因的表达量变化,这些基因的表达量变化与昆虫抗性产生有关。经比对后发现,ABCC家族与ABCG8基因表达量变化显著。本研究为下一步明确草地贪夜蛾体内ABC转运蛋白在Bt蛋白杀虫机制中的作用,以及合理使用Bt蛋白防治草地贪夜蛾及延缓抗性提供了理论依据。     

转Bt基因水稻表达的毒蛋白Cry1Ab在害虫及其捕食者体内的积累动态

在室内对转基因水稻KMD1中的Cry1Ab毒蛋白经食物链在几种主要害虫及其捕食性天敌体内的积累进行了研究。结果表明： 无论是水稻孕穗期还是成熟期,二化螟Chilo suppressalis连续取食KMD1或取食KMD1.36 h后移至对照品种秀水11上取食不同时间后,幼虫体内的Cry1Ab含量均随取食时间延长逐渐下降。稻眼蝶 Mycalesis gotama幼虫连续取食KMD1或在KMD1上取食两天后移至秀水11上继续取食不同时间,体内的Cry1Ab含量也都随取食时间延长而下降,但下降速度较二化螟更快。取食KMD1的二化螟和稻眼蝶幼虫的粪便中均检测到较高浓度的Cry1Ab,对照组中均无Cry1Ab。取食KMD1的二化螟幼虫血淋巴中检测到Cry1Ab,含量为3.5 ng/g。取食KMD1的褐飞虱 Nilaparvata lugens、稻蚜Sitobion avenae以及饲喂取食过KMD1的二化螟或稻眼蝶幼虫的拟水狼蛛Pirata subpiraticus体内都含有一定浓度的Cry1Ab,其中,拟水狼蛛体内的CrylAb含量以饲喂取食KMD1稻眼蝶幼虫的含量最高,约为饲喂取食KMD1二化螟幼虫的60倍。这些结果表明Cry1Ab可以沿水稻害虫天敌食物链传递。     

Determination of baseline susceptibility to Cry1Ab protein for Asian corn borer (Lep., Crambidae)

Abstract: Although transgenic Bacillus thuringiensis (Bt) corn can provide a new tool for control of the Asian corn borer (ACB), Ostrinia furnacalis (Guenée), concern has been raised regarding the possibility of the target insect evolving resistance to the Bt protein under intensive selection pressure from Bt corn. Therefore, it is necessary to establish baseline data to enable detection of changes in susceptibility in field populations after prolonged exposure to Bt corn. Susceptibility to purified Cry1Ab protein from Bt was determined for 10 populations of ACB from the major corn‐growing regions of China, ranging geographically from Heilongjiang Province in the northeast to Shaanxi Province in the east‐central part. Neonate ACB were exposed to semi‐artificial diet incorporated with increasing Cry1Ab protein concentrations, and mortality and growth inhibition were evaluated after 7 days. The range of LC₅₀ (50% lethal concentration) among the populations was 0.10 to 0.81 μg/g (Cry1Ab protein/diet). Differences (P < 0.05) in susceptibility among the populations were significant. LC₅₀s generated from the Huanghuaihai Summer Corn Region were higher than those from the Spring Corn Regions. Bt was one of the significant natural biomortality factors of overwintering generation ACB. There was a significant correlation between percentage of the larvae infected with Bt and their LC₅₀ values to Cry1Ab protein in geographic distinct populations (r = 0.7350*, d.f. = 8, _r0.05 = 0.632). Based on the background of Bt formulations used for corn insect pests control in these areas, these differences were not caused by prior exposure to Bt insecticides. Instead, the small differences likely reflect natural Bt selection pressure. Because the variation in susceptibility to Cry1Ab was small (<10‐fold), the ACB apparently is susceptible to Cry1Ab across its range within China.     

Cry1Ab杀虫蛋白在水稻-褐飞虱-拟水狼蛛食物链中转移与富集

采用ELISA方法检测了2个转cry1Ab基因水稻（Bt水稻）品系KMD1和KMD2不同生育期叶鞘内Cry1Ab杀虫蛋白的含量及其通过褐飞虱和拟水狼蛛的转移和富集情况。结果表明,这2个品系中抽穗期和黄熟期叶鞘内Cry1Ab的含量均显著低于苗期、分蘖期和孕穗期,KMD1和KMD2中Cry1Ab杀虫蛋白可以通过食物链转移到Bt水稻非靶标害虫褐飞虱及其天敌拟水狼蛛体内。褐飞虱在KMD1或KMD2上取食2 d后,体内均含有Cry1Ab杀虫蛋白,但连续取食2、4、6、8和10 d后,其体内含量并未因取食时间的延长而呈现明显增加的趋势。当拟水狼蛛捕食以KMD1或KMD2为食的褐飞虱时,在捕食2、4、6、8和10 d后,其体内均可检测到Cry1Ab杀虫蛋白,其含量并未随捕食时间的延长而明显上升,但均显著高于相应时间褐飞虱体内的含量。可见,该蛋白可通过水稻转移至褐飞虱,再转移至拟水狼蛛,并存在明显的富集现象,而这种富集并不随蜘蛛捕食时间的延长而加强。拟水狼蛛捕食以KMD1或KMD2为食的褐飞虱时,其捕食量未受到显著影响,其中肠酶粗提物对Cry1Ab杀虫蛋白具有明显的降解作用。     

Cryptic endotoxic nature of Bacillus thuringiensis Cry1Ab insecticidal crystal protein

Cry1Ab is one of the most studied insecticidal proteins produced by Bacillus thuringiensis during sporulation. Structurally, this protoxin has been divided in two domains: the N-terminal toxin core and the C-terminal portion. Although many studies have addressed the biochemical characteristics of the active toxin that corresponds to the N-terminal portion, there are just few reports studying the importance of the C-terminal part of the protoxin. Herein, we show that Cry1Ab protoxin has a unique natural cryptic endotoxic property that is evident when their halves are expressed individually. This toxic effect of the separate protoxin domains was found against its original host B. thuringiensis, as well as to two other bacteria, Escherichia coli and Agrobacterium tumefaciens. Interestingly, either the fusion of the C-terminal portion with the insecticidal domain-III or the whole N-terminal region reduced or neutralized such a toxic effect, while a non-Cry1A peptide such as maltose binding protein did not neutralize the toxic effect. Furthermore, the C-terminal domain, in addition to being essential for crystal formation and solubility, plays a crucial role in neutralizing the toxicity caused by a separate expression of the insecticidal domain much like a dot/anti-dot system.