Почти 30 лет назад в Австралии была посажена первая генетически модифицированная полевая культура — хлопок Bt. Учёные из CSIRO помогли разработать этот устойчивый к насекомым сорт хлопка, используя ген, полученный от почвенной бактерии Bacillus thuringiensis (Bt).
Хлопок Bt производит белок, который убивает хлопкового коробочного червя — одного из основных вредителей культуры — когда тот питается листьями. Этот метод используется хлопководами в Австралии и по всему миру, сокращая потребность в пестицидах и повышая урожайность. Впервые хлопок Bt был посажен в 1996 году после шести лет обширных полевых испытаний и получения разрешений регулирующих органов.
Теперь учёные CSIRO обнаружили, как некоторые насекомые-вредители могут выживать, несмотря на действие белков, отпугивающих насекомых в хлопке Bt. Статья опубликована на препринт-сервере bioRxiv. Это открытие открывает возможности для более эффективного мониторинга устойчивости насекомых в полевых условиях с помощью генетического скрининга.
Как насекомые становятся устойчивыми к белкам Bt
Исследователь из CSIRO с командой «Насекомые как инженеры» доктор Энди Бахлер хотел выяснить, как именно это происходит. Он работал с доктором Томом Уолшем, соруководителем инициативы CSIRO по прикладной геномике.
«Мы знали, что некоторые насекомые проявляют устойчивость к белку Vip3A в хлопке Bt, и у нас были чёткие данные о том, что этот ген ведёт себя странно, — сказал Энди. — Но мы не могли найти этот ген или понять, как этот механизм устойчивости работает у глобального хлопкового коробочного червя (Helicoverpa armigera) или у австралийского местного вида (Helicoverpa punctigera)».
Энди и Том обратились к секвенированию генома с длинным чтением, чтобы поближе рассмотреть вредителей. «Длинные чтения впервые показали ген и мутацию очень чётко, тогда как с короткими чтениями мы этого не видели», — сказал Том.
Оказалось, что один и тот же ключевой ген был нарушен двумя разными способами в отдельных группах изученных бабочек. «Есть два разных типа мутаций, которые дают этим хлопковым коробочным червям устойчивость. Одна — вставка, а другая — делеция», — сказал Энди.
Секвенирование с длинным чтением показало, что в скрытой части гена, называемой интроном, была обнаружена большая вставка. Вставка была примерно в 1,5 раза больше самого гена. «Ген был нарушен из-за того, что что-то попало в интрон, на который обычно не обращают особого внимания», — сказал Энди.
Перемещающиеся элементы, также называемые прыгающими генами, могут перемещаться в пределах генома в разных местах и разными способами. Это часть естественно возникающих генетических мутаций, которые наблюдаются по мере развития видов и развития устойчивости к токсинам. Иногда они вставляются в ген, и это нарушает работу гена.
В другом типе обнаруженной генетической мутации имеется небольшая делеция, которая означает, что ген больше не работает. «Есть делеция действительно важной части гена, которая объединяет множество ферментов, необходимых для работы транскрипции», — сказал Энди.
«Мы не знаем, почему эта делеция произошла — возможно, это просто случайность», — сказал он. «С этим геном, если вы отключите его двумя разными способами, вы получите устойчивость».
Энди сказал, что насекомые развивают устойчивость, поскольку гены мутируют постоянно. «Звучит неправильно, но «поломка» генов — это ключевой способ для этих насекомых стать устойчивыми к токсинам Bt», — сказал Энди.
Благодаря случайным генетическим мутациям в природе рождается насекомое с «поломанным» геном. «Сломанный» ген означает, что насекомое больше не подвержено воздействию токсина Bt. Это огромное преимущество, но, с другой стороны, «сломанный» ген также делает насекомое немного менее приспособленным.
Ген рецессивен, поэтому насекомому нужны две «сломанные» копии, чтобы развить устойчивость. «Принятие и распространение этих типов аллелей в популяциях — это, по сути, эволюция в действии», — сказал Том.
Идентификация специфического гена устойчивости важна для мониторинга вредителей на молекулярном уровне в полевых условиях. «Теперь, когда мы нашли ген, мы можем следить за ним в полевых условиях», — сказал Энди. «Это просто даёт нам дополнительное место для поиска и ещё один механизм, о котором мы теперь знаем».
На данный момент эта форма устойчивости в полевых условиях в Австралии остаётся низкой и не распространена. «Это означает, что все меры по управлению культурами, включая борьбу с вредителями, всё ещё работают», — сказал Энди. Но во всём мире устойчивость появляется в полевых условиях в таких странах, как Бразилия, Китай и Америка.
Молекулярное тестирование снова является ключом к мониторингу. Секвенирование с длинным чтением будет иметь решающее значение для выявления аллелей устойчивости в естественных популяциях. «Ген устойчивости, который у нас есть у этого вида, Helicoverpa, имеет отношение ко многим другим видам вредителей таким же образом», — сказал Том.
Этот ген широко распространён среди других насекомых и действует независимо от других известных генов устойчивости. Таким образом, это новый механизм устойчивости к Vip3A.
Сотрудник CSIRO профессор Идун Ву из Нанкинского сельскохозяйственного университета обнаружил тот же механизм устойчивости у хлопкового коробочного червя, другого вредителя растений, который распространяется по всему миру. Понимание этого механизма устойчивости может открыть дополнительные возможности для противодействия устойчивости или даже помочь избежать её развития.
Предоставлено CSIRO