吴孔明院士团队综述：营养期杀虫蛋白Vip3类转基因抗虫作物的研发进展

中国农科院植保所吴孔明院士团队在《浙江大学学报（农业与生命科学版）》第48卷第6期发文《营养期杀虫蛋白Vip3类转基因抗虫作物的研发进展》，文章综述了Vip3的结构和功能、杀虫机制、抗性治理及其在转基因作物上的应用情况。

基金项目：国家转基因重大专项(2019ZX08012004)

中文摘要

苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis）产生的营养期杀虫蛋白Vip3是由5个结构域组成的四聚体，其N-端主要控制结构的稳定，C-端为潜在的特异性受体结合域，共有14个模式样本，超过110种蛋白。与晶体蛋白（crystal proteins, Cry蛋白）一样，Vip3经蛋白酶消化后的杀虫活性物质主要作用于昆虫的中肠组织，可通过与特异性受体的结合引起肠道穿孔或细胞溶解，从而导致昆虫死亡。由于Vip3与Cry蛋白具有不同的杀虫机制和很强的杀虫谱互补性，国内外多采取这2类基因叠加的策略来研发新型转基因抗虫作物。Vip3Aa转基因玉米和棉花已经在美国和巴西等国家商业化种植，成为治理草地贪夜蛾等靶标害虫对Cry蛋白产生抗性的主要手段。实验室的选择压汰选表明，多种靶标害虫也可对Vip3产生较高的抗性，田间监测已证实其抗性的存在。因此，对靶标害虫的抗性监测与治理对Vip3类转基因抗虫作物产业化具有重要意义。

关键词

营养期杀虫蛋白 ; 转vip3基因作物 ; 结构和功能 ; 杀虫机制 ; 抗性治理

本文引用格式

全玉东, 吴孔明. 营养期杀虫蛋白Vip3类转基因抗虫作物的研发进展. 浙江大学学报（农业与生命科学版）[J]. 2022, 48(6): 672-682 doi:10.3785/j.issn.1008-9209.2022.06.161

QUAN Yudong, WU Kongming. Research progress of vegetative insecticidal protein Vip3 insect-resistant transgenic crops. Journal of Zhejiang University （Agriculture & Life Sciences）[J]. 2022, 48(6): 672-682 doi:10.3785/j.issn.1008-9209.2022.06.161

精选导读

苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis，简称“Bt”）是一种革兰氏阳性需氧菌，广泛分布于土壤、水、植物等生态系统中。作为重要的昆虫病原体，Bt在不同培养阶段产生的毒素（蛋白）对多种农业害虫（如鳞翅目、鞘翅目、双翅目等）具有高效和特异的杀虫效果，已被开发为生物杀虫剂并广泛应用于农业生产中。目前，世界上Bt病原体或毒素生物制剂约占微生物农药市场的75%～95%，转Bt基因抗虫作物的种植面积已超过1.01亿hm2，占转基因作物种植面积的53%以上。Bt病原体或蛋白的大量使用，具有提高经济效益、减少农药用量、增加生物多样性以及保障人体健康和食品安全性的作用。对Bt或Bt基因的合理运用和相关研究，不仅是有害生物综合治理（integrated pest management, IPM）策略的重要组成部分，而且是发展绿色农业的关键 。

1996年，美国批准转cry1Ab抗虫基因玉米商业化，随后多种cry转基因作物在全球范围内被大面积种植。在经历了近25年的使用后，当前已在田间监测到超过20种靶标害虫演化出对部分晶体蛋白（crystal proteins, Cry蛋白）毒素的高耐受性。此外，虽然Cry蛋白或cry基因可高效防治多种农业害虫，但部分重大农业害虫如草地贪夜蛾（Spodoptera frugiperda）、小地老虎（Agrotis ipsilon）等具有对Cry蛋白的先天不敏感性。一种分离于Bt品系AB88营养生长阶段上清液中约88.5 kDa的蛋白Vip3Aa（vegetative insecticidal protein 3Aa，营养期杀虫蛋白3Aa），对鳞翅目昆虫具有高度的杀虫活性，特别是对小地老虎（A. ipsilon）等Cry蛋白不敏感害虫。为了治理或延缓靶标害虫对Cry蛋白等的抗性，提出科学合理的Bt使用策略，学者们提出“庇护所”“高剂量”“多基因”等学说。目前，vip3作为“多基因”策略中重要的组成部分，和cry基因一起应用于转基因作物中，用来治理靶标害虫对Cry蛋白的抗性或增加杀虫图谱数等。

目前，Vip3杀虫蛋白家族已发现有14个模式样本（Vip3Aa～j、Vip3Ba～c、Vip3Ca），超过110种蛋白。值得注意的是，在2020年新的命名法中，根据序列的同源性和结构，Vip3杀虫蛋白家族被称作Vip，原Vip1、Vip2、Vip4则分别称作Vpb1、Vpa、Vpb4蛋白家族。在当前市场上所使用的主要为Vip3Aa（Vip3Aa19、Vip3Aa20）。中国也一直高度重视作物转基因育种技术的研究，提出尊重科学、监督管理、有序推进的发展方针，并于2021年开展了转基因玉米和大豆的产业化试点工作。鉴于Vip3对发展Bt作物和杀虫剂的特殊重要性，本文综述了Vip3的结构和功能、杀虫机制、抗性治理及其在转基因作物上的应用情况。

结论

近年来，对Vip3的3D结构解析有助于进一步明确其杀虫机制，但对其结构域Ⅳ～Ⅴ功能的探索仍然缺乏关键性证据。此外，活化蛋白到达中肠的过程（穿过围食膜）、中肠特异性受体的鉴定、致死通道的激活等许多关键环节仍需深入研究，靶标害虫对Vip3类转基因抗虫作物或蛋白的抗性机制和Vip3类转基因抗虫作物的杀虫图谱亦需要进一步明确。鉴于市场上Vip3类转基因抗虫作物多采用vip3Aa及其亚家族基因，这种单一基因的利用不可避免地加大了害虫的抗性风险，因此，挖掘利用新型高效杀虫vip3基因十分必要。以高剂量或多基因-庇护所为代表的抗性治理策略虽然已在田间得到应用，但新的抗性监测与治理技术如抗性基因的精准监测方法和综合治理技术等仍然需要配套和完善。我国作为农作物生产大国，目前仅有cry基因抗虫棉商业化种植，Vip3类转基因抗虫作物的研发与应用远远滞后于美国等国家，应进一步加快产品研发与产业化步伐，利用生物技术推动害虫绿色防治的发展，保障国家粮食安全。

通讯作者——吴孔明

吴孔明，男，中国农业科学院院长、中国工程院院士。长期从事农业昆虫与有害生物防治、转基因植物的生态安全与风险管理技术领域的研究工作。获得国家科技进步二等奖2项和国家科技进步三等奖1项；先后获政府特殊津贴、农业部有突出贡献中青年专家、中国青年科技奖、新世纪百千万人才工程国家级人选、全国优秀科技工作者、何梁何利科学与技术进步奖、中华农业英才奖、中华农业科技奖优秀创新团队等荣誉或人才称号。

本文来源：浙大学报农业与生命科学版

转自：“解说科研项目”微信公众号

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