Bt基因及其在抗鞘翅目害蟲上的應用

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用最廣泛和最有發展潛力的抗蟲基因。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制，并對該基因在鞘翅目害蟲防治方面的研究進展進行了總結。

關鍵詞：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用了幾十年。蘇云金芽孢桿菌于1901年由日本學者Shigetanelshiwata在感病的家蠶幼蟲中首次發現，1915年，德國微生物學家Berliner也分離得到了該細菌，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大面積商業化生產，被廣泛用于農業、林業和衛生等領域害蟲的生物防治。

2 Bt蛋白的抗蟲機制

Bt蛋白通常是指蘇云金芽孢桿菌在芽孢形成過程中母細胞產生的殺蟲晶體蛋白cry和cyt，以及在營養生長期產生的營養期殺蟲蛋白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肢動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胞表面的特異性受體結合，插入細胞膜形成空洞，從而引起上皮細胞破裂，水分大量流入細胞，中腸功能紊亂，最終導致昆蟲死亡。

3鞘翅目害蟲及其危害

鞘翅目害蟲在農業、林業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30% - 50%，是馬鈴薯和蔬菜生產的最大威脅。近年來，隨著免耕技術的推廣，鞘翅目金龜甲科害蟲危害日趨嚴重，其幼蟲俗稱蠐螬，是在世界范圍內廣泛分布的地下害蟲之一，也是國內公認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，嚴重影響作物的產量和品質。有調查表明，植物地下部分受害的86%是由蠐螬危害造成的，全國每年蠐螬發生面積約1億畝，產量損失達20% -40 %【1】。4轉Bt基因抗鞘翅目昆蟲研究進展

目前國際上已有122個抗鞘翅目的轉基因玉米品系及其衍生系和30個抗馬鈴薯甲蟲的轉基因馬鈴薯品種進入商業化生產。對鞘翅表現抗性的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cry3類基因，其中cry3Aa基因12個。1993年，Perlak把cry3Aa基因轉入到馬鈴薯中，獲得的轉基因材料對馬鈴薯甲蟲有較強的抗性【3】。以上研究表明，cry3類基因對鞘翅目害蟲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等發現含有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基因對西方玉米根葉甲具有顯著殺蟲效果。郎志宏cry8Ca2轉入煙草中，證明其對蠐螬有毒殺作用【5】。劉艷菊cry8e轉化大豆，得到的轉Cry8e基因發狀根對蠐螬的殺蟲活性最高達到80%以上【6】。耿麗麗將Cry8Eal和Cry8Hal基因轉入花生，獲得了對暗黑鰓金龜表現抗性的轉基因材料。這些研究結果表明，cry8類基因對鞘翅目類害蟲蠐螬具有較強的生物活性，為下一步開發抗蠐螬轉基因植物奠定了基礎。

5結語

蘇云金芽孢桿菌以其殺蟲活性高、殺蟲譜較廣、不污染環境、對人畜安全等特點已成為目前害蟲生物防治中研究、應用最為廣泛的殺蟲劑，并且已經安全使用了幾十年。轉Bt基因的玉米、棉花、大豆等由于其具有良好的抗蟲性，已進入商業化生產。截至2018年，全球一共分離克隆了852個Bt基因，由于Bt基因與害蟲的結合位點有特異性，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重，隨著研究的深入，相信會有更多的對鞘翅目表現活性的新基因出現，對轉基因抗蟲育種及產業化生產具有重要意義。

參考文獻

【1】魏鴻均，中國地下害蟲[M】上海：上海科學技術出版社，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基因煙草中的表達【D】北京：中國農業科學院博士后研究工作報告，2005：39- 50

【6】劉艷菊發根農桿菌介導的Bt基因Cry8e轉化大豆抗蠐螬研究【D】河南師范大學，2010