В самой последней битве в бесконечной войне между фермерами и насекомыми, насекомые наносят ответный удар, приспосабливаясь к культурам, генетически модифицированным для их уничтожения.
Новое исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, идентифицирует доминантно наследуемую мутацию, которая придает устойчивость к искусственному хлопку гусеницам хлопковой совки, одного из самых разрушительных вредителей сельскохозяйственных культур в мире. Передовое использование в исследовании геномики и редактирования генов сигнализирует о новой эре в глобальных усилиях по продвижению более устойчивой борьбы с вредителями.
Хлопок, кукуруза и соя были генетически модифицированы для производства белков, убивающих вредителей, из широко распространенной почвенной бактерии Bacillus thuringiensis, или Bt. Нетоксичные для людей и дикой природы, включая пчел, эти экологически чистые Bt-белки использовались в опрыскиваниях производителями органических продуктов более 50 лет, а также в искусственных культурах Bt, высаженных миллионами фермеров по всему миру на общей площади более двух миллиардов акров с тех пор. 1996.
Энтомологи из Университета Аризоны, Университета Теннесси и Нанкинского сельскохозяйственного университета в Китае совместно провели исследование, состоящее из трех частей. Их цель состояла в том, чтобы точно определить мутацию, придающую Bt-резистентность коробочным червям, точно отредактировать один ген коробочного червя, чтобы доказать, что эта мутация вызывает устойчивость, и выяснить, как устойчивость распространяется по хлопковым полям в Китае.
"Это замечательная детективная история", - сказал Брюс Табашник, профессор Regents на кафедре энтомологии UA и соавтор исследования. «Без последних достижений в области генетических технологий было бы невозможно найти единственное изменение пары оснований ДНК, вызывающее резистентность среди сотен миллионов пар оснований в геноме коробочного червя».
В течение многих лет ученые знали, что насекомые могут вырабатывать устойчивость к белкам Bt так же, как и к обычным инсектицидам. Однако резистентность к Bt наследуется рецессивно почти во всех изученных ранее случаях. Это означает, что насекомые должны иметь две копии гена устойчивости - по одной от каждого родителя - чтобы они могли питаться и выживать на культуре Bt.
Для борьбы с устойчивостью фермеры высаживают убежища из культур, не содержащих Bt, где могут процветать восприимчивые насекомые. Идея состоит в том, что редкие устойчивые насекомые будут спариваться с более многочисленными восприимчивыми насекомыми из убежищ, производя потомство, которое несет только одну копию гена устойчивости. При рецессивно наследуемой устойчивости такое потомство не выживает на культуре Bt.
Хотя убежища не останавливают эволюцию резистентности полностью, они могут существенно замедлить ее, особенно когда резистентность является рецессивной.
Но в Китае, как сообщает газета, доминирующая резистентность коробочного червя к Bt находится на подъеме. Только одна копия доминантной мутации делает коробочного червя устойчивым.
Поскольку генетическая основа доминантной устойчивости к Bt ранее была неизвестна, исследователям пришлось тщательно изучить весь геном коробочного червя, чтобы найти виновника. Сравнив ДНК устойчивых и восприимчивых коробочных червей, они сузили область поиска с 17 000 генов до всего 21 гена, связанного с устойчивостью.
«Но только 17 из этих генов кодируют белки, которые вырабатываются гусеницами», - сказал Табашник, пояснив, что только гусеницы коробочного червя питаются хлопком и могут быть убиты белками Bt.
«При сравнении последовательностей этих 17 генов между штаммами было только одно постоянное различие», - сказал Табашник.«Было положение, когда все устойчивые коробочные черви имели одну пару оснований ДНК, а все восприимчивые коробочные черви имели другую пару оснований ДНК».
Эта ключевая пара оснований находится в недавно идентифицированном гене HaTSPAN1, кодирующем тетраспанин - белок, содержащий четыре сегмента, которые охватывают клеточные мембраны. Хотя нормальная функция HaTSPAN1 неизвестна, многие другие тетраспанины важны для межклеточной коммуникации. Несмотря на почти 30 000 предыдущих исследований как Bt, так и тетраспанинов, новое исследование является первым, обнаружившим тесную связь между ними.
После идентификации мутантной пары оснований второй задачей было определить, вызывает ли эта единственная мутация резистентность. Чтобы выяснить это, исследовательская группа использовала инструмент редактирования генов CRISPR, чтобы точно изменить только ген HaTSPAN1. Когда ген был нарушен у резистентных коробочных червей, они стали полностью восприимчивы к Bt. И наоборот, когда мутация была вставлена в ДНК восприимчивых коробочных червей, они становились устойчивыми - доказывая, что одно изменение пары оснований само по себе может вызвать устойчивость.
Последним шагом была проверка гипотезы о том, что эта мутация способствует устойчивости к Bt-хлопку в полевых условиях. Путем скрининга мутации в ДНК тысяч сохранившихся мотыльков, собранных в период с 2006 по 2016 год, исследователи обнаружили, что частота мутации увеличилась в 100 раз, с 1 из 1000 до 1 из 10.
Резистентные коробочные черви еще недостаточно многочисленны, чтобы заметно снизить производство хлопка в Китае, но доминантный ген распространяется быстрее, чем другие гены устойчивости. Анализ Табашника предсказывает, что, если нынешняя тенденция сохранится, половина хлопковых совок северного Китая приобретет резистентность, вызванную этой мутацией, в течение пяти лет.
"Если все пойдет по тому же пути, то эта мутация вызовет проблемы у фермеров в поле", - сказал Табашник.
Однако фермерам в Китае еще достаточно рано менять свою тактику и предотвращать резистентность Bt. В документе упоминается, что они могут переключиться с хлопка, который производит только один белок Bt, на виды хлопка, выращиваемые в Соединенных Штатах и Австралии, которые производят два или три различных белка Bt. Табашник надеется, что новое исследование повысит устойчивость фермеров.
"Это дает им информацию для принятия конструктивных, проактивных решений, пока не стало слишком поздно", - сказал Табашник.
Изучая популяции вредителей из года в год, фермеры и исследователи могут узнать, какие методы наиболее эффективны для подавления устойчивости.
Понимание устойчивости к коробочным червям имеет глобальные последствия, поскольку она встречается более чем в 150 странах и теперь угрожает захватить Соединенные Штаты.
«Было бы интересно проверить наличие этой мутации у хлопковой совки из Австралии, Индии и Бразилии», - сказал Идун Ву, профессор энтомологии Нанкинского сельскохозяйственного университета, который руководил исследованиями в Китае.
Конечно, технология сканирования геномов не ограничивается одним видом вредителей сельскохозяйственных культур.
«Данные показывают, что геномное сканирование будет полезно для мониторинга развития устойчивости не только к Bt, но и к инсектицидам в целом», - сказал Фред Гулд, который не участвовал в исследовании, но является профессором энтомологии в Северном Университет штата Каролина и член Национальной академии наук.