Bt基因及其在抗鞘翅目害虫上的应用

杨佳　姚瑶

摘要：苏云金芽孢杆菌是目前研究最深入的杀虫微生物，其杀虫蛋白基因也是应用最广泛和最有发展潜力的抗虫基因。近年来，鞘翅目害虫尤其是金龟甲科害虫对作物的危害日趨严重，是作物生长中最主要的害虫之一。本文介绍了苏云金芽孢杆菌及其抗虫机制，并对该基因在鞘翅目害虫防治方面的研究进展进行了总结。

关键词：苏云金芽孢杆菌;鞘翅目;Bt基因

1苏云金芽孢杆菌

苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringjensjs，简称Bt）是一种分布广泛的革兰氏阳性细菌，主要生活在土壤中，也可从植物、昆虫或水中分离获得。天然存在的苏云金芽孢杆菌已在害虫防治中应用了几十年。苏云金芽孢杆菌于1901年由日本学者Shigetanelshiwata在感病的家蚕幼虫中首次发现，1915年，德国微生物学家Berliner也分离得到了该细菌，并将其命名为苏云金芽孢杆菌。由于其具有良好的抗虫活性，1938年，法国开始将苏云金芽孢杆菌进行商品化，用于防治地中海粉螟，并由此开始了以苏云金芽孢杆菌作为微生物杀虫剂在世界范围内大面积商业化生产，被广泛用于农业、林业和卫生等领域害虫的生物防治。

2 Bt蛋白的抗虫机制

Bt蛋白通常是指苏云金芽孢杆菌在芽孢形成过程中母细胞产生的杀虫晶体蛋白cry和cyt，以及在营养生长期产生的营养期杀虫蛋白VIPs。这些蛋白对鳞翅目、鞘翅目、膜翅目、双翅目等多种昆虫以及线虫和螨类节肢动物具有特异性杀灭作用。

Bt抗虫蛋白中目前研究较多的主要是Cry蛋白，其抗虫的主要机制可由“孔洞形成”模型说明：Cry蛋白被敏感昆虫摄取后，由于昆虫中肠内为碱性条件，蛋白被溶解被酶消化，形成小分子的活化片段即核心毒素，这些核心毒素与昆虫中肠部位上皮细胞表面的特异性受体结合，插入细胞膜形成空洞，从而引起上皮细胞破裂，水分大量流入细胞，中肠功能紊乱，最终导致昆虫死亡。

3鞘翅目害虫及其危害

鞘翅目害虫在农业、林业上的重要性不亚于鳞翅目，例如叶甲科马铃薯甲虫分布广泛，可造成马铃薯减产30% - 50%，是马铃薯和蔬菜生产的最大威胁。近年来，随着免耕技术的推广，鞘翅目金龟甲科害虫危害日趋严重，其幼虫俗称蛴螬，是在世界范围内广泛分布的地下害虫之一，也是国内公认的难防治的土栖性害虫。蛴螬主要以作物地下部分为食，其中以萌发的种子、幼苗的根、茎为主，造成作物苗期缺苗、断垄或使幼苗生长不良，严重影响作物的产量和品质。有调查表明，植物地下部分受害的86%是由蛴螬危害造成的，全国每年蛴螬发生面积约1亿亩，产量损失达20% -40 %【1】。4转Bt基因抗鞘翅目昆虫研究进展

目前国际上已有122个抗鞘翅目的转基因玉米品系及其衍生系和30个抗马铃薯甲虫的转基因马铃薯品种进入商业化生产。对鞘翅表现抗性的cry类基因主要有crylBa、cry3、cry7、cry8、cry18、cry23、cry34、cry37、cry43等，其中，研究较多的主要是cry3类、cry8类。

4.1 cry3类基因

1987年Herrnstadt克隆了第一个对鞘翅目害虫有效的cry3Aa基因【2】，到目前为止，全球共克隆得到了17个cry3类基因，其中cry3Aa基因12个。1993年，Perlak把cry3Aa基因转入到马铃薯中，获得的转基因材料对马铃薯甲虫有较强的抗性【3】。以上研究表明，cry3类基因对鞘翅目害虫的抗性效果非常显著，在今后培育抗鞘翅目害虫植物方面，该类基因必将发挥重要作用。

4.2 cry8类基因

截至2018年底，全球共克隆获得了60个cry8类基因，它们对金龟子科、象甲科、叶甲科等多种鞘翅目害虫具有杀虫活性。2003年，Asano等发现含有cry8Da基因的Bt菌株对铜绿异丽金龟有高杀虫活性【4】，美国杜邦公司克隆的cry8Bbl和cry8Bcl基因对西方玉米根叶甲具有显著杀虫效果。郎志宏cry8Ca2转入烟草中，证明其对蛴螬有毒杀作用【5】。刘艳菊cry8e转化大豆，得到的转Cry8e基因发状根对蛴螬的杀虫活性最高达到80%以上【6】。耿丽丽将Cry8Eal和Cry8Hal基因转入花生，获得了对暗黑鳃金龟表现抗性的转基因材料。这些研究结果表明，cry8类基因对鞘翅目类害虫蛴螬具有较强的生物活性，为下一步开发抗蛴螬转基因植物奠定了基础。

5结语

苏云金芽孢杆菌以其杀虫活性高、杀虫谱较广、不污染环境、对人畜安全等特点已成为目前害虫生物防治中研究、应用最为广泛的杀虫剂，并且已经安全使用了几十年。转Bt基因的玉米、棉花、大豆等由于其具有良好的抗虫性，已进入商业化生产。截至2018年，全球一共分离克隆了852个Bt基因，由于Bt基因与害虫的结合位点有特异性，因此不同的Bt基因杀虫谱不同。近年来，鞘翅目害虫对作物的危害日趋严重，随着研究的深入，相信会有更多的对鞘翅目表现活性的新基因出现，对转基因抗虫育种及产业化生产具有重要意义。

参考文献

【1】魏鸿均，中国地下害虫[M】上海：上海科学技术出版社，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】郎志宏苏云金芽孢杆菌cry8Ca基因的活性分析及在转基因烟草中的表达【D】北京：中国农业科学院博士后研究工作报告，2005：39- 50

【6】刘艳菊发根农杆菌介导的Bt基因Cry8e转化大豆抗蛴螬研究【D】河南师范大学，2010