2024年4月29日，國際頂級學術期刊《自然植物（Nature Plants）》以“iJAZ-based approach to engineer lepidopteran pest resistance in multiple crop species”為題，發表了中國農業科學院棉花研究所李付廣研究員團隊的最新科研成果，詳細介紹了研究團隊在棉花中發現的具有廣譜應用價值的新型高效殺蟲蛋白的分子機制及其應用前景。
多年來，研究團隊長期從事棉花轉基因研究工作，在轉基因過程中發現來自同一批次轉化體的基因工程棉花材料均為不育株，同時還發現不育株對棉鈴蟲具有抗性，蟲測結果表現為高抗水準。草地貪夜蛾于2018年入侵大陸，是聯合國糧農組織認定的全球十大農業害蟲之一，危害76科350多種植物，對農業生産構成重大威脅。草地貪夜蛾與棉鈴蟲一樣同為鱗翅目害蟲。研究團隊利用獲得的不育棉花植株葉片飼喂草地貪夜蛾幼蟲，同樣表現出良好的殺蟲效果。進一步研究發現，轉基因棉花的不育表型及其抗蟲性狀都是因GhJAZ24蛋白過表達引起的，而GhJAZ24為棉花源天然蛋白。
GhJAZ24蛋白對棉鈴蟲和草地貪夜蛾均表現出顯著抗蟲性，預示着該天然蛋白在防治鱗翅目害蟲方面可能具有潛在應用價值。因過表達GhJAZ24蛋白會導緻棉花植株不育，成為其育種應用的重要障礙。為此，團隊設計了GhJAZ24蛋白的損傷誘導分泌型表達載體并命名為iJAZ。當害蟲取食轉iJAZ基因工程植物時，大約1小時，GhJAZ24蛋白即在害蟲損傷的葉片組織周邊細胞被誘導表達，5小時左右表達水準達到高峰，高效表達的GhJAZ24蛋白則被分泌到細胞間儲存。研究團隊利用iJAZ載體獲得的轉基因棉花育性恢複正常，且具有顯著抗蟲性。
草地貪夜蛾分為水稻型和玉米型。研究團隊利用iJAZ載體進行轉基因，獲得了iJAZ基因工程水稻和基因工程玉米，iJAZ水稻和iJAZ玉米均保持良好育性。GFP報告蛋白的體内熒光成像顯示，GhJAZ24蛋白在iJAZ玉米葉片中受損傷誘導表達，蟲測結果表明，iJAZ水稻和iJAZ玉米對草地貪夜蛾均表現出顯著殺蟲效果。利用獲得的iJAZ水稻和iJAZ玉米分别飼喂稻縱卷葉螟和玉米螟，同樣表現為高抗水準。
JAZ蛋白為植物特有的轉錄抑制蛋白。深入研究發現，GhJAZ24蛋白含有的NGR基序，可以特異性識别害蟲腸道中大量存在的APN受體。研究表明含有NGR基序的JAZ蛋白的高度同源序列僅存在于棉花、南瓜、榴蓮等少數植物中。NGR基序通過特異識别并結合SfAPN4受體，使GhJAZ24進入草地貪夜蛾腸道細胞并移位到細胞核，在細胞核中靶向SfHDAC3的活性，緻使細胞中組蛋白乙酰化重程式設計，導緻腸道表層細胞出現發炎，并可能進一步引發表層細胞内的幹細胞有絲分裂出現紊亂，草地貪夜蛾最終死亡。同源分析表明，GhJAZ24靶向的SfAPN4的NHP結構域和SfHDAC3的Zn結合位點結構域在其它食草昆蟲中是保守的，尤其是鱗翅目害蟲，包括Helicoverpa armigera棉鈴蟲，Ostrinia nubilalis玉米螟，Plutella xylostella小菜蛾，Manduca sexta煙草天蛾，Danaus plexippus黑脈金斑蝶，Galleria mellonella大蠟螟，Spodoptera exigua甜菜夜蛾，Chilo suppressalis二化螟，Spodoptera litura斜紋夜蛾等，提示棉花天然蛋白GhJAZ24對鱗翅目害蟲可能具有廣譜殺蟲性，對其它具有NHP結構域和Zn結合位點高度保守的昆蟲也可能具有抗蟲性。
GhJAZ24蛋白的殺蟲機制與蘇雲金芽孢杆菌Bt Cry1Ac蛋白的殺蟲機制完全不同。含有NGR的GhJAZ24蛋白通過與APN受體的NHP結構域（345N-472Y）結合進入草地貪夜蛾細胞，而Cry1Ac蛋白則與棉鈴蟲APN1的949T-970T區域結合。據報道，草地貪夜蛾等部分鱗翅目害蟲已對Cry1Ac蛋白産生抗性。該研究結果表明GhJAZ24蛋白與Cry1Ac蛋白具有良好互補性，其殺蟲譜更廣。
iJAZ為損傷誘導分泌型表達載體，iJAZ基因工程植物的GhJAZ24蛋白隻在害蟲取食葉片區域周邊細胞誘導表達，而收獲的農作物種子或果實因基因未表達則不含GhJAZ24蛋白。
研究團隊認為iJAZ載體在農作物重大鱗翅目害蟲防控方面具有廣闊的應用前景，在林草、果蔬等植物的鱗翅目害蟲防控方面也可能發揮重要作用。GhJAZ24蛋白由119個氨基酸組成（Cry1Ac含1178個氨基酸），而發揮作用的有效多肽約40個氨基酸，分子量小，容易合成，友善儲運，預計可作為生物殺蟲劑噴灑到農作物上對環境友好無殘留，可作為綠色生物農藥用于防控多種類型的鱗翅目害蟲，也可能具有重要應用前景。
中棉所默輝娟副研究員為第一作者，中棉所博士研究所學生常會敏、鄭州大學農學院趙閣博士、中棉所胡冠菁研究員為論文的共同第一作者，中棉所李付廣研究員為論文通訊作者，中國農業科學院都市農業研究所任茂智教授、上海辰山植物園陳曉亞院士、美國愛荷華州立大學Jonathan F. Wendel院士為論文共同通訊作者。研究工作得到了國家重點研發計劃項目(No.2020YFA0908000和2023YFE0199400)和國家自然科學基金(No. 31621005, U23A20182, U1804231和31972469)等項目的資助。
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