转基因抗虫棉花基因类型及原理研究进展

转基因抗虫棉花基因类型及原理研究进展

孙璇;马燕斌;张树伟;段超;王新胜;李燕娥

【摘要】评述了苏云金芽孢杆菌杀虫晶体蛋白基因、苏云金芽孢杆菌营养期杀虫蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、植物外源凝集素类基因、RNA干扰技术涉及到的一些昆虫来源基因等几类抗虫基因的抗虫机理及其在转基因棉花中的应用,并分析了抗虫转基因棉花研究目前存在的问题和发展趋势.通过回顾总结我国转基因抗虫棉已取得的成果,以了解我国现阶段转基因抗虫棉研究的进展程度,为进一步研究转基因抗虫棉提供方向.

【期刊名称】《山西农业科学》

【年(卷),期】2016(044)001

【总页数】4页(P115-118)

【关键词】棉花;转基因;抗虫基因

【作者】孙璇;马燕斌;张树伟;段超;王新胜;李燕娥

【作者单位】山西省农业科学院棉花研究所,山西运城044000;山西省农业科学院棉花研究所,山西运城044000;山西省农业科学院棉花研究所,山西运城044000;山西省农业科学院棉花研究所,山西运城044000;山西省农业科学院棉花研究所,山西运城044000;山西省农业科学院棉花研究所,山西运城044000

【正文语种】中文

【中图分类】S562

棉花（Gossypium hirsutum L.）隶属于锦葵科（Malvaceae）棉属（Gossypium），是世界上最主要的经济作物之一，同时，其也是我国重要的经

济作物之一。随着基因工程技术的快速发展，转基因抗虫棉得到了迅猛的发展。转基因抗虫棉基因类型主要有：苏云金芽孢杆菌杀虫晶体蛋白（Insecticidal Crystal Proteins，ICPs）基因；苏云金芽孢杆菌营养期杀虫蛋白（Vegetative Insectidal Proteins，VIPs）基因；蛋白酶抑制剂（Proteinase Inhibitors，PIS）基因；植

物外源凝集素（Lectins）类基因以及RNA干扰技术（RNAi）所涉及到的一些昆

虫来源基因等。

苏云金芽孢杆菌杀虫结晶蛋白是苏云金杆菌芽孢形成时期所产生的一种特异杀虫结晶蛋白，为130～160 kDa多肽，俗称Bt杀虫晶体蛋白或δ内毒素。Bt杀虫晶

体蛋白以原毒素形式存在于伴孢晶体内，经过体外碱解或者经过昆虫肠道被蛋白酶水解为55～70 kDa或者更小的多肽，小多肽与敏感昆虫肠道中上皮纹缘细胞的

特异受体结合，进而破坏纹缘细胞渗透压平衡，使细胞裂解，杀死敏感昆虫[1-2]。根据杀虫谱的不同，将Bt杀虫晶体蛋白基因分成Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ六大类，统称为Cry基因，分别代表不同的杀虫范围。其中，CryⅠ对鳞翅目昆虫幼虫有特异性；CryⅡ对鳞翅目和双翅目昆虫有特异性；CryⅢ对鞘翅目昆虫有特异性；

CryⅣ对双翅目昆虫有特异性；CryV对鳞翅目和鞘翅目有特异性；Cry VI对线虫

有特异性。根据氨基酸序列的同源性，在每一类型下又可分为A，B，C等基因型[3-6]。现阶段国内棉花Bt蛋白基因类型转化事件如表1所示。

营养期杀虫蛋白基因类型可分为：Vip1基因、Vip2基因、Vip3基因和Vip4基因。其中，Vip1和Vip2对鞘翅目叶甲科昆虫有杀虫特异性；Vip3对鳞翅目昆虫有杀

虫特异性；Vip4是新发现的一类蛋白，其具体功能还不清楚；VIPs可能是通过与敏感昆虫的柱状细胞结合，使其破裂，从而使敏感昆虫肠道受损死亡，起到杀虫作用。

Syngenta公司将Vip3a20基因导入棉花获得转基因棉花COTl 02并进行注册，COTl 02对棉铃虫、烟蚜夜蛾、粉纹夜蛾、秋茹虫、甜菜夜蛾等鳞翅目害虫具有

较高的抗性[18-19]。2006年，浙江大学沈志成在实验室合成Vip3基因载体，并申请专利（专利号CN1818067A），与山西省农业科学院棉花研究所等单位合作，将具有自主知识产权的Vip3基因与CrylA基因导入陆地棉，期望获得对鳞翅目害虫具有广谱高抗的棉花品种[19-20]。

目前，我国已审定抗虫棉品种14个，其中，单价棉11个：GK1（国抗1号）、GK12（国抗12号）、GK19（国抗19号）、GK22（国抗22号）、GK30（鲁

棉研16号）、GK95-1（晋棉26号）、GK46（晋棉31号）、GKz10（鲁棉研

15号）、GKz13（鲁RH-1）、GKz6（中棉所38）和GKz8（南抗3号）；双价棉3个：sGK321（SGK321）、sGK9708（中棉所41）、sGK5（新研96-48）。蛋白酶抑制剂（PIS）杀虫时能与昆虫消化道内消化酶相结合，形成稳定的酶抑制

剂复合物，使消化酶水解作用削弱；同时酶抑制剂复合物还能作为一个负反馈信号使昆虫厌食，双重效应使昆虫对蛋白利用率降低，减少食物摄取，最终导致营养缺乏，发育不正常或死亡[21]。与Bt杀虫蛋白相比，PIS对昆虫致死率较低，但是

抗虫谱更广，使昆虫相对来说不易产生抗性。目前，已从马铃薯、大豆、豇豆、玉米等植物中提取出多种能够表达蛋白酶抑制剂的DNA或cDNA[22]。现阶段转基因抗虫棉蛋白酶抑制剂基因型有：豇豆胰蛋白酶抑制剂（Cowpea Trysin Inhibitor，CpTI）基因，大豆Kunitz型胰蛋白酶抑制剂（Soybean Kunitz Trypsin Inhibitor，SKTI）基因，苦豆子胰蛋白酶抑制剂（Sophora alopecuroides L. trysin inhibitor SATI）基因。

3.1 豇豆胰蛋白酶抑制剂（CpTI）基因

豇豆胰蛋白酶抑制剂属丝氨酸蛋白酶抑制剂类型，对鳞翅目的棉铃虫、烟草芽蛾、海灰翅夜蛾和玉米螟以及鞘翅目的玉米根叶甲、杂拟谷盗和四纹豆象，直翅目的蝗

虫等具有一定毒杀作用。

1998年，李燕娥等[23]将豇豆胰蛋白酶抑制剂CpTI基因转入棉花，获得对棉铃

虫具有抗性的转基因棉株。1999年，郭三堆等[9]采用花粉管通道法，将人工合成的GFM CryIA杀虫基因和经过修饰的CpTI基因的高效双价杀虫基因，转入到石

远321中棉所19号以及3517和541中国棉花生产品种中，首次获得了双价转

基因抗虫棉株系。高越峰等[24]在实验室通过对CpTI基因进行修饰得到Sck基因，2007年，与郭金英等[25]合作，通过花粉管通道注射获得转Bt＋Sck双价基因抗虫棉，其对棉铃虫的抗性显著高于抗虫对照品种sGK321。

3.2 大豆Kunitz型胰蛋白酶抑制剂（SKTI）基因

大豆Kunitz型胰蛋白酶抑制剂（SKTI）可抑制多种昆虫消化蛋白酶活性，尤其对鳞翅目昆虫有较强的抑制作用，其对胰蛋白酶抑制力明显强于豇豆胰蛋白酶抑制剂（CPTI）[24]；1999年，王伟等[26]将含有豌豆外源凝集素（Pealectin，P-Lec）基因和SKTI基因的双价抗虫基因转入新陆早1号、新陆中2号、冀合321和辽9，获得对棉铃虫幼虫有较强抗性的双价抗虫棉。薛计雄等[21，27]将CpTI基因的5′端修饰添加了SKTI信号肽序列、3′端修饰添加滞留内质网信号肽序列，与Bt基因一起导入棉花，获得了具有更高抗性的双价转基因抗虫棉。

3.3 苦豆子胰蛋白酶抑制剂（SATI）基因

苦豆子胰蛋白酶对棉蚜具有较强的抗性[28]。2007年，翁琴[15]将Bt＋SATI基因导入棉花，获得了具有更高抗性的双价转基因抗虫棉。

植物外源凝集素是一种可以与糖蛋白特异性结合的蛋白质，被昆虫取食后，不仅能与昆虫消化道膜上的糖蛋白特异性结合，阻碍营养物质的吸收；而且还能促使昆虫消化道内的细菌过量繁殖，使消化道发生病变，最终使得昆虫拒食、生长停滞，直至死亡[22，29-30]。现阶段转基因棉花应用的基因型主要有：豌豆凝集素（P-Lec）基因和雪花莲凝集素（GNA）基因。