棉田甜菜夜蛾对Vip3Aa19蛋白抗性的首次表征：一个来自田间Bt棉花的警示

《Journal of Economic Entomology》：First characterization of Vip3Aa resistance in beet armyworm (Lepidoptera: Noctuidae) collected from cotton expressing Vip3Aa19

　　本刊推荐研究人员针对表达Cry1Ac+Cry2Ab2+Vip3Aa19的Bt棉花出现异常受害现象，开展了甜菜夜蛾Vip3Aa抗性机制研究。通过饮食覆盖生物测定发现北卡罗来纳州田间种群对Vip3Aa产生813倍抗性，遗传学分析表明该抗性为常染色体隐性单基因遗传，且存在适应性代价。这项研究首次证实次要害虫能在田间条件下演化出Vip3Aa抗性，为Bt作物抗性治理策略敲响警钟。

　　

在转基因作物种植领域，表达苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis, Bt）杀虫蛋白的作物一直是害虫防控的重要工具。其中Vip3Aa蛋白作为新一代杀虫蛋白，与Cry蛋白协同作用，曾被认为能对鳞翅目害虫产生近乎完全的致死效果。然而，这种乐观局面可能面临挑战——2021年夏季，在美国北卡罗莱纳州的一片转基因棉田里，研究人员发现了令人警觉的现象：本应受到有效控制的甜菜夜蛾（Spodoptera exigua Hübner）幼虫，竟然在表达Cry1Ac+Cry2Ab2+Vip3Aa19三种杀虫蛋白的棉花上存活并造成明显危害。

这一异常情况引发了研究人员的深入探究。甜菜夜蛾作为棉花的偶发性害虫，历史上曾于1986-1995年间在美国棉区大规模暴发，其主要诱因是与防治蚜虫、盲蝽和棉铃象甲等害虫的杀虫剂使用相关。随着Bt棉花的推广，特别是同时表达Cry1Ac和Cry2Ab2的双价基因棉花，以及后来增加Vip3Aa19的三价基因棉花的应用，对甜菜夜蛾的控制效果显著提升。然而，这种“近乎完全控制”的背后隐藏着风险：由于缺乏完全致死效果，这些毒素组合实际上未能达到高效剂量的标准要求。历史经验表明，美国和加拿大几乎所有的Bt作物抗性案例都发生在未满足高效剂量假设的情境中。

更令人担忧的是，当前农业生产环境的变化可能为甜菜夜蛾的再暴发创造条件。例如，北卡罗莱纳州2008-2016年间防治盲蝽的棉田比例从0.5%急剧上升至71.3%，这类杀虫剂的使用会减少天敌数量，从而可能诱发甜菜夜蛾的暴发。同时，抗除草剂杂草长芒苋（Amaranthus palmeri）的蔓延也为甜菜夜蛾提供了理想的替代寄主——研究表明，甜菜夜蛾幼虫在苋属植物上的发育表现显著优于棉花，且成虫更倾向于在苋属植物上产卵。此外，近年来美国东南部地区花生田的甜菜夜蛾暴发报告以及对非Bt杀虫剂抗性的出现，都暗示这一害虫在该区域的生存能力可能正在增强。

研究人员开展本研究的核心假设是：从Bt棉花上收集的甜菜夜蛾幼虫对Vip3Aa毒素产生了抗性。为验证这一假设，他们在《Journal of Economic Entomology》上发表了这项具有警示意义的研究。

为开展此项研究，团队主要采用了以下关键技术方法：从北卡罗莱纳州表达Cry1Ac+Cry2Ab2+Vip3Aa19的Bt棉田采集甜菜夜蛾幼虫建立抗性品系（NC-Vip3AaRR）；通过饮食覆盖生物测定法比较田间采集品系与敏感品系（FL-Vip3AaSS）对Vip3Aa蛋白的剂量反应；利用植物组织生物测定和田间笼罩实验评估幼虫在Bt棉花上的生存能力；通过回交和重筛选方法恢复实验室饲养中退化的抗性；采用杂交实验分析抗性遗传特征。

Identification of Resistance（抗性鉴定）

饮食生物测定结果显示，北卡罗莱纳州田间采集的甜菜夜蛾品系（NC-Vip3AaRR）对Vip3Aa蛋白的半数致死浓度（LC₅₀）为10.984μg/cm²，与佛罗里达州敏感品系（FL-Vip3AaSS）的LC₅₀（0.013μg/cm²）相比，抗性倍数高达813倍。这一显著差异证实了田间种群已演化出对Vip3Aa的高水平抗性。

植物组织生物测定中，虽然所有品系的幼虫在表达Vip3Aa的棉花叶片上均无法存活，但在仅表达Cry1Ac+Cry2Ab2的叶片上，NC-Vip3AaRR品系仍有34%的个体存活，表明其对Cry毒素也可能存在一定耐受性。田间笼罩实验进一步验证了这一结果：在表达Cry1Ac+Cry1F+Vip3Aa19的Bt棉花上，仅NC-Vip3AaRR品系处理的植株出现可见取食痕迹，尽管危害程度极低。

值得注意的是，NC-Vip3AaRR品系在实验室饲养过程中抗性水平迅速下降，需通过回交和重筛选（使用25-50μg/cm²的Vip3Aa选择压力）才能恢复抗性表型。这种抗性退化现象提示抗性等位基因可能伴随适应性代价，这在一定程度上限制了抗性在田间种群中的持久性。

Genetics of Resistance（抗性遗传学）

通过正反交实验发现，F_1a（敏感雄×抗性雌）和F_1b（抗性雄×敏感雌）杂交后代的LC₅₀值无显著差异，表明抗性为常染色体遗传。采用Stone公式（F_1a=-0.51；F_1b=-0.34）和Bourguet公式（F_1a=-0.31；F_1b=-0.15）计算显性度，结果均显示抗性为隐性遗传（D值接近-1）。

在单基因遗传验证实验中，使用0.04μg/cm²的诊断剂量（对应F_1b种群的LC₉₉）处理回交群体，观察到56%的死亡率，与单基因隐性遗传预期的50%死亡率无显著差异（χ²(1)=1.44，P=0.2301）。这些结果一致表明，甜菜夜蛾对Vip3Aa的抗性由单个常染色体隐性基因控制。

Implications of Resistance（抗性意义）

尽管甜菜夜蛾目前并非美国棉花的主要害虫，但本研究首次证实了该害虫在田间条件下能演化出对Vip3Aa的高水平抗性。尤为值得关注的是，这种抗性演化可能发生在棉花作物上，而非其偏好寄主玉米上——这与先前报道的棉铃虫（Helicoverpa zea）和草地贪夜蛾（Spodoptera frugiperda）的Bt抗性演化路径形成鲜明对比。

研究人员推测，北卡罗莱纳州采集的抗性个体可能来自迁徙种群。由于甜菜夜蛾不具备滞育习性，而北卡罗莱纳州的冬季条件对其生存不利，抗性种群很可能在越冬区（如佛罗里达州南部）被选择，随后通过迁徙扩散。氢同位素数据初步支持这一假设，表明南佛罗里达州可能是甜菜夜蛾的季节性虫源基地。

研究结论强调，虽然甜菜夜蛾对Vip3Aa的抗性目前尚未在美国Bt棉区造成广泛危害，且抗性相关的适应性代价可能限制其持久性，但这一发现具有重要预警意义。它表明即使是次要害虫或偶发性害虫，在适宜条件下也能演化出对Bt毒素的抗性。随着农业实践和气候条件的变化，若环境转向有利于甜菜夜蛾的定殖和扩散，这一历史上偶发成灾的害虫可能重新成为重要威胁。

因此，研究团队呼吁加强抗性监测的主动性，采取多样化的抗性治理策略，以保护Bt性状在不同作物系统中的长期耐久性。这一发现不仅对棉花害虫治理具有直接意义，也为更广泛的Bt作物抗性管理提供了重要参考——抗性演化可能出现在任何害虫-作物互作系统中，需引起全行业的高度警惕。