《aBIOTECH》：Multi-trait improvement of sorghum: co-expression of
bar,
mcry1Ab, and
mvip3A enhances herbicide tolerance and pest resistance
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本研究针对高粱生产中的杂草竞争和鳞翅目害虫危害问题，通过农杆菌介导的遗传转化技术，将除草剂耐受基因bar与昆虫抗性基因mcry1Ab、mvip3A进行共表达，成功培育出转基因高粱新品系BrsT01。该品系可耐受4倍田间推荐剂量的草铵膦除草剂，并对亚洲玉米螟、黏虫、草地贪夜蛾等主要害虫表现出≥90%的致死率，为高粱育种提供了兼具多重抗性的珍贵遗传材料，对提升高粱产业竞争力具有重要意义。
高粱作为全球第五大谷物，不仅具有悠久的栽培历史，更在酿酒、饲料和生物能源等领域展现出巨大的经济价值。然而，在其生长过程中，杂草的激烈竞争和鳞翅目害虫的持续危害始终是制约产量和品质提升的关键瓶颈。传统的杂草防控依赖人工除草，效率低下且成本高昂；而化学农药的过度使用不仅可能导致害虫产生抗药性，还会对生态环境造成负面影响。面对这些挑战，培育兼具除草剂耐受性和昆虫抗性的复合性状作物品种，成为农业生物技术领域的重要研究方向。
在《aBIOTECH》发表的这项研究中，科研人员瞄准高粱产业发展的实际需求，通过多基因协同表达策略，成功开发出同时具备草铵膦除草剂耐受性和鳞翅目害虫抗性的转基因高粱新种质。研究人员采用农杆菌介导的遗传转化方法，将经过密码子优化的昆虫抗性基因mcry1Ab、mvip3A以及除草剂耐受基因bar共同导入高粱基因组，获得了转基因株系BrsT01。
研究团队运用全基因组测序、事件特异性PCR检测、酶联免疫吸附测定(ELISA)等技术手段，系统评估了转基因株系的分子特征、外源蛋白表达水平和性状稳定性。通过室内生测和田间试验，全面验证了其除草剂耐受性和昆虫抗性表现。
分子特征分析验证T-DNA完整插入
通过Illumina HiSeq 4000平台的全基因组测序分析，研究人员发现BrsT01株系中外源T-DNA以单拷贝形式整合到高粱第8号染色体特定位置(59,570,307-59,570,370 bp)。序列组装结果显示插入片段全长11,586 bp，包含完整的三个基因表达盒，且未检测到载体骨架序列的残留，证明外源基因实现了精准整合。
建立特异性检测体系确保品系纯合
研究团队开发了基于左右边界序列的事件特异性PCR检测方法，灵敏度达到0.10%，能够准确区分BrsT01与其他转基因作物。通过多重引物组合技术，成功建立了 homozygous（纯合）植株筛选体系，为后续育种应用提供了技术保障。
外源蛋白时空表达特征分析
ELISA检测结果显示，Cry1Ab、Vip3A和PAT三种外源蛋白在转基因高粱的根、茎、叶、穗和种子中均有表达，其中叶片中的蛋白积累量最高，Cry1Ab达到9.7318 μg/g，Vip3A为0.6402 μg/g，PAT为36.3430 μg/g。这种组织特异性表达模式确保了植物在关键部位具有最强的保护能力。
除草剂耐受性表现卓越
草铵膦耐受性试验表明，BrsT01株系能够完全耐受4倍田间推荐剂量的除草剂处理，而对照品种P184在1倍剂量下即全部死亡。转基因植株仅在4倍剂量处理组出现轻微暂时性药害症状，但很快恢复，植株高度与清水对照无显著差异，显示出强大的胁迫耐受能力。
多重害虫抗性效果显著
室内昆虫抗性测定显示，BrsT01对亚洲玉米螟(Ostrinia furnacalis)、黏虫(Mythimna separata)和草地贪夜蛾(Spodoptera frugiperda)均表现出强烈抗性，幼虫死亡率均达到90%以上。转基因植株叶片仅受轻微损害，而对照植株叶片则被严重取食，证实了双基因协同抗虫策略的有效性。
性状遗传稳定性得到验证
通过对T2-T4代植株的连续追踪，研究人员证实外源基因的整合稳定性、蛋白表达水平和抗性性状在不同世代间保持高度一致。PCR检测显示目标基因片段稳定存在，ELISA测定发现各代植株的外源蛋白表达量无显著变化，除草剂耐受性和昆虫抗性表现持续稳定。
农艺性状未受不良影响
重要农艺性状调查表明，转基因株系BrsT01在株高、穗长、茎粗和百粒重等指标上与受体品种P184无显著差异，说明外源基因的导入并未对高粱的正常生长发育产生负面影响，保持了品种原有的优良特性。
该研究的创新之处在于首次将除草剂耐受性与双基因昆虫抗性策略成功应用于高粱作物，通过Cry1Ab和Vip3A蛋白的协同作用，有效延缓了害虫抗药性的发展风险。研究人员在讨论部分指出，随着全球复合性状转基因作物种植面积的持续增长（从2005年的11%上升至2019年的45%），这种多基因叠加策略代表了作物遗传改良的重要发展方向。
这项研究不仅为高粱育种提供了宝贵的遗传资源，更重要的是建立了一套完整的多性状叠加技术体系，为其他作物的复合性状改良提供了可借鉴的技术路线。转基因高粱品系BrsT01的成功创制，展示了现代农业生物技术在解决粮食安全和农业可持续发展问题方面的巨大潜力，对推动高粱产业升级和农业科技创新具有重要意义。
