取食SmartStax PRO

对玉米根虫的亚致死效应

      西部玉米根虫 (WCR)，是美国 (U.S.) 玉米带的一种经济上重要的玉米 (Zea mays L.) 害虫。长时间使用表达苏云金芽孢杆菌 (Bt) 蛋白的转基因品种已经致使WCR对 Bt 蛋白进化出了抗性。可用于 WCR 防治的最新产品是SmartStax® PRO，这是一种WCR防治的新方案，SmartStax® PRO包含 Cry3Bb1、Cry34/35Ab1 [现在重新分类为 Gpp34Ab1/Tpp35Ab1] 和一种新的作用模式 DvSnf7 dsRNA。众所周知，SmartStax®于 2009 年商业化。这种转基因包含针对鳞翅目（Cry1A.105、Cry2Ab2、Cry1F）和鞘翅目（Cry3Bb1、Cry34/35Ab1）害虫的 Bt 蛋白，与单性状杂种相比，在减少 WCR 幼虫摄食伤害方面表现出更高的有效性. 最近获得美国注册的根虫活性金字塔是 SmartStax® PRO，它包括与 SmartStax® 相同的Bt活性蛋白，以及新的 DvSnf7 dsRNA 构建体作为额外的作用模式。 Snf7是一种在包括 WCR 在内的许多真核生物中保守的 E 类液泡分选蛋白。该 DvSnf7 直向同源物是 WCR 中转运所需的内体分选复合物 (ESCRT-III) 途径的一部分，负责内化、转运、分选和降解跨膜蛋白。敲除 WCR 中的 Snf7 会增加受损细胞器、错误折叠蛋白质和有毒化合物的积累，从而对细胞生理和体内平衡产生负面影响。这种破坏抑制了幼虫的生长和发育，导致 WCR 死亡。

从 2013 年到 2015 年在 9 个玉米带州的 42 个地点进行的评估 SmartStax® PRO 根部损伤的田间试验表明，DvSnf7 dsRNA 在SmartStax® PRO 中的贡献显著减少了所有地点的 WCR 根部损伤和成虫出现 (80-95%)，即使在怀疑 Cry3Bb1 耐药的地区。模拟模型表明，这种根部损伤和成虫出苗的减少可以提高 Cry3Bb1 和 Cry34/35Ab1 的耐久性，并降低 SmartStax® PRO 相对于 SmartStax® 的抗性进化速率。然而，在Cry3Bb1和/或 Cry34/35Ab1 抗性区域持续培养 SmartStax® PRO 作为缓解策略可能会给 DvSnf7 dsRNA 带来更大的选择压力。最近报道了对 DvSnf7 dsRNA 的抗性，在田间衍生的 WCR 种群中经过七代实验室选择后，表明田间种群中存在 dsRNA 抗性等位基因，并且在持续的选择压力下，田间进化的对 dsRNA 的抗性是可能的。

先前在美国玉米带进行的 SmartStax® PRO 田间试验中报告指出，WCR 幼虫暴露于 SmartStax® PRO 后导致成虫出现大幅减少(97.1–99.7%)。 2018 年观察到的减少（97.1%）可能是保守的，因为初始出现未包括在减少百分比计算中。本研究中记录的 SmartStax® PRO 幸存者的这种高幼虫死亡率和成年寿命、体型和产蛋量的显著降低共同支持了这样一个工作假设，即 WCR 饮食暴露于 SmartStax® PRO 将对 WCR 生活史特征和健康产生负面影响。所有这些因素都可能对 WCR 种群动态和对新品种的潜在阻力演变产生直接或间接的影响。

在这项研究中，成虫或全发育时期暴露于SmartStax® PRO 饮食的雌虫产卵量减少似乎是影响成虫健康的关键生活史参数。头囊宽度是一个相对稳定的表型参数，通常用于评估 WCR 成虫的健康状况，因为雌性成虫的大小和生育能力之间通常存在相关性。亚致死剂量暴露于 Bt 玉米或幼虫拥挤和相关的食物（即密度依赖性效应）可显著降低成虫头囊宽度。由于 SmartStax® PRO 地块的密度显著降低，拥挤和食物供应不应成为本研究的限制因素。此外，大小差异无法解释成虫暴露实验中暴露于 SmartStax® PRO 的 WCR 雌性产卵量减少的原因（图 1）。因此，饮食暴露于 SmartStax® PRO 中的一种或多种性状可能直接或间接导致本研究中观察到的产卵量减少。在这项研究中，卵子活力不受对 SmartStax® PRO 饮食暴露的显著影响；在暴露于 Cry3Bb1或Cry34/35Ab1和对 Cry34/35Ab1具有抗性的 WCR 的易感 WCR 种群中也报告了类似的结果。尽管卵的受精率仍然很高，但由于在亚致死饮食中接触 SmartStax® PRO 后产卵量低，繁殖力大大降低。目前尚不清楚与成年SmartStax® PRO 暴露相关的成年雄性和雌性（图 1）寿命的显著降低是否会减少野外条件下的交配和产卵期。缩短的雌虫寿命可能会降低终生产卵量，但可能不会影响产卵高峰期。需要进一步的研究来了解本研究中确定的成虫 WCR 寿命减少对随后生长季节中存在的虫口密度的潜在影响。

图 1. 在2019年和2020年的成虫取食实验中生活史参数。

目前尚不清楚 SmartStax® PRO 中表达的每种根虫活性特征对本研究中观察到的适应度下降的潜在贡献。生物测定结果表明 Cry3Bb1 和/或 Cry34/35Ab1 Bt 抗性等位基因在 Colfax Co. 所在地的 WCR 群体中相当普遍（图 2），表明存在抗性和易感个体的混合物。尽管以 Cry3Bb1或 Cry34/35Ab1为食的易感 WCR 种群已观察到繁殖力降低，但几乎没有适应度成本与 WCR 种群中实验室选择或现场进化的抗 Cry3Bb1 抗性相关。这包括对繁殖力的潜在影响。一项研究记录了与饮食接触抗 Cry34/35Ab1 的 WCR 相关的潜在健康成本。 Cry34/35Ab1 抗性 WCR 种群在膳食暴露于 Cry34/35Ab1 后表现出尺寸、寿命和终生产卵量减少，并且在从 Cry34/35Ab1 选择中移除后六代后恢复到易感性。

  图2. 田间WCR种群和实验室中使用的易受影响的对照群的平均幼虫存活率（± SE）。

  迄今为止，没有关于 DvSnf7 dsRNA 抗性对 WCR 适应性的可能影响的信息。据报道，当南方玉米根虫(SCR)、成虫暴露于覆盖在人工饲料上的 Snf7 dsRNA 的 LC₅₀ 时，对繁殖力产生了一些负面影响。然而，重要的是要注意 SCR 对 Snf7 dsRNA 比 WCR更敏感。 WCR 幼虫和成虫的亚致死暴露将发生在种植 SmartStax® PRO 的玉米田中，因为 DvSnf7 dsRNA 在玉米事件 MON87411中的根和地上组织中表达。然而，相对较低的DvSnf7 dsRNA 表达水平和成虫对 Snf7 dsRNA的敏感性低于幼虫，这可能导致对成虫 WCR 的适应度影响可以忽略不计。 WCR 人群对 SmartStax® PRO 饮食暴露的反应可能会有所不同，具体取决于哪些特征会导致健康成本以及特定人群中抗 WCR 个体的频率。因此，在现场部署 SmartStax® PRO 时，需要更广泛的数据集来梳理健身因果关系。

  本研究提供了一个 WCR 种群的示例，该种群表现出对 Cry3Bb1 的完全抗性和对 SmartStax® 的不完全抗性，但在饮食后仍显著降低幼虫存活率和成虫适应性（即雌性大小、寿命、产卵量；雄性大小、寿命）接触SmartStax® PRO。完全抗性被定义为在 Bt 和同种系杂种上饲养的 WCR 之间的生物测定存活率没有显著差异，而具有不完全抗性的 WCR 种群在 Bt 和同种系杂种之间的生物测定存活率方面表现出显著差异。在每种情况下，Bt 的存活率都明显高于实验室对照菌落。对 Cry3Bb1 的完全抗性表明 Colfax Co. 种群中 Cry3Bb1 抗性个体的频率非常高。迄今为止，没有公开的 WCR 种群对 Cry3Bb1 具有完全抗性的例子，其中生殖力受到Cry3Bb1 饮食暴露的不利影响；因此，Cry3Bb1 可能对本研究中观察到的适应度降低几乎没有贡献。对SmartStax® 的不完全抗性表明，接受 Cry34/35Ab1 亚致死暴露的易感或抗性 WCR 可能在降低繁殖力方面发挥了作用。由于 SmartStax® 包含与 SmartStax® PRO 相同的 Bt 蛋白，但尚未报告 SmartStax® 的 WCR 成人健康数据，因此需要进行额外的研究来确定金字塔之间在饮食暴露后 WCR 繁殖力的降低是否相似。这种比较也将有助于确定 DvSnf7 dsRNA 对本研究中报告的成虫健康降低的任何可能贡献。

原文链接：

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0268902

https://mp.weixin.qq.com/s/fWji5xvTWm52CYJcPuvCag