明尼苏达州和威斯康星州欧洲玉米螟（Ostrinia nubilalis）田间种群对Cry1Ab、Cry1Fa和Cry1A.105 Bt蛋白的敏感性

《Crop Protection》：Susceptibility of field populations of Ostrinia nubilalis from Minnesota and Wisconsin to Cry1Ab, Cry1Fa, and Cry1A.105 Bt proteins

　　

摘要：欧洲玉米螟（Ostrinia nubilalis）是表达苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis, Bt）杀虫Cry蛋白的转基因玉米的主要靶标害虫。Bt玉米长期可持续性的主要威胁是昆虫抗性。2018年至2024年间，加拿大和美国已报道了欧洲玉米螟对Cry1和/或Cry2 Bt蛋白产生实际抗性的案例。此外，2023-2024年威斯康星州和明尼苏达州部分地区报道了Cry2Ab2抗性等位基因的高频率。为评估欧洲玉米螟对金字塔型Bt玉米的抗性风险，需了解欧洲玉米螟对目前用于其防治的剩余Bt蛋白的抗性现状。研究人员利用2023-2024年来自威斯康星州和明尼苏达州的84个欧洲玉米螟F₂家系，评估了Cry1Ab、Cry1Fa和Cry1A.105的抗性等位基因频率。在这84个家系中，研究人员发现对这三种Cry1 Bt蛋白无主要抗性等位基因，但存在大量次要抗性等位基因。每种Cry1蛋白在田间种群中的主要抗性等位基因频率为0-0.0175（95%置信区间），表明欧洲玉米螟对Cry1蛋白的抗性风险目前较低但不可忽略。然而，田间种群中Cry1Ab、Cry1Fa和Cry1A.105的次要抗性等位基因频率分别为0.0338-0.1088、0.0625-0.1559和0.0383-0.1167（95%置信区间）。讨论了次要抗性等位基因在Bt抗性演化中的潜在作用。这些发现对于理解欧洲玉米螟的Bt抗性以及Bt玉米防治该害虫的可持续性具有重要意义。

**论文解读：欧洲玉米螟（*Ostrinia nubilalis*）田间种群对Cry1Ab、Cry1Fa和Cry1A.105 Bt蛋白的敏感性**

**研究背景与问题**

欧洲玉米螟（*Ostrinia nubilalis*）是一种多食性害虫，于20世纪初传入美国，对玉米（*Zea mays*）危害严重。幼虫取食心叶和钻蛀茎秆，导致茎秆折断、果穗脱落，并增加病害感染风险，历史上每年给美国农民造成超过10亿美元的经济损失。1996年商业化种植表达苏云金芽孢杆菌（*Bacillus thuringiensis*, Bt）杀虫Cry蛋白的转基因玉米，彻底改变了欧洲玉米螟的防治格局。Bt蛋白被幼虫摄入后，在中肠碱性环境下被蛋白酶激活，与中肠上皮受体结合，形成孔道导致细胞渗透性死亡，最终使昆虫死亡。由于Cry蛋白在植株内系统性表达，幼虫持续暴露，克服了叶面杀虫剂难以接触钻蛀幼虫的局限。

目前，美国用于防治欧洲玉米螟的Bt蛋白包括Cry1Ab、Cry1Fa、Cry1A.105和Cry2Ab2。为延缓抗性演化，这些蛋白被组合成金字塔型Bt玉米杂交种，其中Cry1A.105与Cry2Ab2仅联合销售。2025年，Bt玉米占美国玉米种植面积的84%以上。然而，Bt玉米技术长期可持续性的主要威胁是昆虫抗性。实验室选择可在8代内使欧洲玉米螟对Cry1Ac产生高达162倍抗性。2018年至2024年，加拿大新斯科舍省、魁北克省和马尼托巴省以及美国康涅狄格州相继报道了欧洲玉米螟对Cry1Fa、Cry1Ab和Cry1A.105/Cry2Ab2的实际抗性。抗性管理依赖于及时监测抗性等位基因频率，目前主要采用F₂筛选法和哨兵地块法。

先前研究（Dwyer et al., 2026）报道，2023-2024年明尼苏达州和威斯康星州的欧洲玉米螟种群中，Cry2Ab2抗性等位基因频率至少为0.1509，超过有效高剂量庇护所抗性管理（IRM）策略预期频率（<0.001）的150倍以上。若Cry2Ab2失效，仅剩三种Cry1蛋白（Cry1Ab、Cry1Fa、Cry1A.105）仍有效。因此，评估这些Cry1蛋白的抗性等位基因频率，对于评估抗性风险和金字塔型Bt玉米的持久性至关重要。本研究旨在利用同一批84个F₂家系，检测欧洲玉米螟对Cry1Ab、Cry1Fa和Cry1A.105的抗性等位基因频率。该论文发表在《Crop Protection》。

**主要技术方法**

研究人员于2023-2024年从明尼苏达州和威斯康星州的非Bt玉米田采集欧洲玉米螟田间种群，利用单雌系建立84个F₂家系。采用F₂筛选法评估抗性等位基因频率：将每个家系的后代幼虫置于含诊断浓度Cry1Ab、Cry1Fa或Cry1A.105蛋白的人工饲料上饲养，统计存活率。同时使用对三种蛋白均敏感的实验室品系（SS）作为对照，确定基线LC₅₀值。通过比较F₂家系存活率与敏感品系的预期存活分布，判断是否存在主要抗性等位基因（导致>25%幼虫存活）和次要抗性等位基因（导致存活率显著高于敏感品系但低于25%），并计算频率及95%置信区间。

**研究结果**

**1. 敏感品系（SS）对Cry1Ab、Cry1Fa和Cry1A.105的反应**
SS品系对三种Cry1蛋白高度敏感：Cry1Ab的LC₅₀为4.2 ng/cm²（95%置信限2.7-5.3 ng/cm²），Cry1Fa为40.4 ng/cm²（28.5-71.0 ng/cm²），Cry1A.105为7.2 ng/cm²（6.4-7.9 ng/cm²）。在未处理饲料上，7天时幼虫存活率为95.3%，其中28.6%发育至3龄，66.7%达到4龄。在含诊断浓度Cry1Ab、Cry1Fa或Cry1A.105的饲料上，SS品系存活率分别为1.0%、1.3%和0.9%。

**2. F₂家系对Cry1Ab的抗性**
在84个F₂家系中，发现1个家系对Cry1Ab表现出主要抗性（存活率>25%），该家系幼虫存活率为33.3%。6个家系表现出次要抗性（存活率显著高于SS品系但<25%），其余77个家系完全敏感。主要抗性等位基因频率为0-0.0175（95%置信区间），次要抗性等位基因频率为0.0338-0.1088。

**3. F₂家系对Cry1Fa的抗性**
未发现对Cry1Fa具有主要抗性的家系。9个家系表现出次要抗性，75个家系完全敏感。主要抗性等位基因频率为0，次要抗性等位基因频率为0.0625-0.1559。

**4. F₂家系对Cry1A.105的抗性**
未发现对Cry1A.105具有主要抗性的家系。7个家系表现出次要抗性，77个家系完全敏感。主要抗性等位基因频率为0，次要抗性等位基因频率为0.0383-0.1167。

**5. 家系交叉抗性分析**
比较了同一家系对不同Cry1蛋白的存活反应。在1个对Cry1Ab具有主要抗性的家系中，该家系同时对Cry1Fa和Cry1A.105表现出次要抗性。对Cry1Fa具有次要抗性的9个家系中，5个对Cry1Ab有次要抗性，6个对Cry1A.105有次要抗性。对Cry1A.105有次要抗性的7个家系中，4个对Cry1Ab有次要抗性，6个对Cry1Fa有次要抗性。这表明次要抗性等位基因可能存在交叉抗性或连锁效应。

**讨论与结论**

研究人员在讨论部分指出，先前研究显示2023-2024年明尼苏达州和威斯康星州的欧洲玉米螟种群中Cry2Ab2主要抗性等位基因频率很高（≥0.1509），而本研究利用同一批家系发现对Cry1Ab、Cry1Fa和Cry1A.105的主要抗性等位基因频率极低（0-0.0175），说明目前这些Cry1蛋白的抗性风险较低但不可忽略。然而，次要抗性等位基因频率较高（Cry1Ab：0.0338-0.1088；Cry1Fa：0.0625-0.1559；Cry1A.105：0.0383-0.1167），这些次要等位基因可能在抗性演化中起重要作用，例如作为抗性积累的初始步骤或与主要抗性基因互作。研究还观察到一些家系对多种Cry1蛋白具有交叉抗性，这可能与受体结合位点的重叠有关。尽管目前主要抗性频率低，但高频率的次要抗性等位基因意味着在持续选择压力下，抗性可能更快演化。研究人员强调，持续监测抗性等位基因频率并实施有效的高剂量/庇护所策略至关重要。

**研究结论（基于原文翻译）**：研究人员发现这些欧洲玉米螟种群中不存在对Cry1Ab、Cry1Fa和Cry1A.105的主要抗性等位基因，但存在大量次要抗性等位基因。每个Cry1蛋白在田间种群中的主要抗性等位基因频率为0-0.0175（95%置信区间），表明欧洲玉米螟对Cry1蛋白的抗性风险目前较低但不可忽略。然而，田间种群中Cry1Ab、Cry1Fa和Cry1A.105的次要抗性等位基因频率分别为0.0338-0.1088、0.0625-0.1559和0.0383-0.1167（95%置信区间）。讨论了次要抗性等位基因在Bt抗性演化中的潜在作用。这些发现对于理解欧洲玉米螟的Bt抗性以及Bt玉米防治该害虫的可持续性具有重要意义。