取食SmartStax PRO對玉米根蟲的亞致死效應(yīng)

?西部玉米根蟲?(WCR)，是美國?(U.S.)?玉米帶的一種經(jīng)濟上重要的玉米?(Zea mays L.)?害蟲。長時間使用表達蘇云金芽孢桿菌?(Bt)?蛋白的轉(zhuǎn)基因品種已經(jīng)致使WCR對?Bt?蛋白進化出了抗性?？捎糜?WCR?防治的最新產(chǎn)品是?SmartStax? PRO，這是一種WCR防治的新方案，SmartStax? PRO包含?Cry3Bb1、Cry34/35Ab1 [現(xiàn)在重新分類為?Gpp34Ab1/Tpp35Ab1]?和一種新的作用模式?DvSnf7 dsRNA。眾所周知，SmartStax?于?2009?年商業(yè)化。這種轉(zhuǎn)基因包含針對鱗翅目（Cry1A.105、Cry2Ab2、Cry1F）和鞘翅目（Cry3Bb1、Cry34/35Ab1）害蟲的?Bt?蛋白，與單性狀雜種相比，在減少?WCR?幼蟲攝食傷害方面表現(xiàn)出更高的有效性.?最近獲得美國注冊的根蟲活性金字塔是?SmartStax? PRO，它包括與?SmartStax??相同的Bt活性蛋白，以及新的?DvSnf7 dsRNA?構(gòu)建體作為額外的作用模式。?Snf7是一種在包括?WCR?在內(nèi)的許多真核生物中保守的?E?類液泡分選蛋白。該?DvSnf7?直向同源物是?WCR?中轉(zhuǎn)運所需的內(nèi)體分選復(fù)合物?(ESCRT-III)?途徑的一部分，負責內(nèi)化、轉(zhuǎn)運、分選和降解跨膜蛋白。敲除?WCR?中的?Snf7?會增加受損細胞器、錯誤折疊蛋白質(zhì)和有毒化合物的積累，從而對細胞生理和體內(nèi)平衡產(chǎn)生負面影響。這種破壞抑制了幼蟲的生長和發(fā)育，導(dǎo)致?WCR?死亡。

從?2013?年到?2015?年在?9?個玉米帶州的?42?個地點進行的評估?SmartStax? PRO?根部損傷的田間試驗表明，DvSnf7 dsRNA?在SmartStax? PRO?中的貢獻顯著減少了所有地點的?WCR?根部損傷和成蟲出現(xiàn)?(80-95%)，即使在懷疑?Cry3Bb1?耐藥的地區(qū)。模擬模型表明，這種根部損傷和成蟲出苗的減少可以提高?Cry3Bb1?和?Cry34/35Ab1?的耐久性，并降低?SmartStax? PRO?相對于?SmartStax??的抗性進化速率。然而，在?Cry3Bb1和/或?Cry34/35Ab1?抗性區(qū)域持續(xù)培養(yǎng)?SmartStax? PRO?作為緩解策略可能會給?DvSnf7 dsRNA?帶來更大的選擇壓力。最近報道了對?DvSnf7 dsRNA?的抗性，在田間衍生的?WCR?種群中經(jīng)過七代實驗室選擇后，表明田間種群中存在?dsRNA?抗性等位基因，并且在持續(xù)的選擇壓力下，田間進化的對?dsRNA?的抗性是可能的。

先前在美國玉米帶進行的?SmartStax? PRO?田間試驗中報告指出，WCR?幼蟲暴露于?SmartStax? PRO?后導(dǎo)致成蟲出現(xiàn)大幅減少(97.1–99.7%)。?2018?年觀察到的減少（97.1%）可能是保守的，因為初始出現(xiàn)未包括在減少百分比計算中。本研究中記錄的?SmartStax? PRO?幸存者的這種高幼蟲死亡率和成年壽命、體型和產(chǎn)蛋量的顯著降低共同支持了這樣一個工作假設(shè)，即?WCR?飲食暴露于?SmartStax? PRO?將對?WCR?生活史特征和健康產(chǎn)生負面影響。所有這些因素都可能對?WCR?種群動態(tài)和對新品種的潛在阻力演變產(chǎn)生直接或間接的影響。

在這項研究中，成蟲或全發(fā)育時期暴露于SmartStax? PRO?飲食的雌蟲產(chǎn)卵量減少似乎是影響成蟲健康的關(guān)鍵生活史參數(shù)。頭囊寬度是一個相對穩(wěn)定的表型參數(shù)，通常用于評估?WCR?成蟲的健康狀況，因為雌性成蟲的大小和生育能力之間通常存在相關(guān)性。亞致死劑量暴露于?Bt?玉米或幼蟲擁擠和相關(guān)的食物（即密度依賴性效應(yīng)）可顯著降低成蟲頭囊寬度。由于?SmartStax? PRO?地塊的密度顯著降低，擁擠和食物供應(yīng)不應(yīng)成為本研究的限制因素。此外，大小差異無法解釋成蟲暴露實驗中暴露于?SmartStax? PRO?的?WCR?雌性產(chǎn)卵量減少的原因（圖?1）。因此，飲食暴露于?SmartStax? PRO?中的一種或多種性狀可能直接或間接導(dǎo)致本研究中觀察到的產(chǎn)卵量減少。在這項研究中，卵子活力不受對?SmartStax? PRO?飲食暴露的顯著影響；在暴露于?Cry3Bb1或?Cry34/35Ab1和對?Cry34/35Ab1具有抗性的?WCR?的易感?WCR?種群中也報告了類似的結(jié)果。盡管卵的受精率仍然很高，但由于在亞致死飲食中接觸?SmartStax? PRO?后產(chǎn)卵量低，繁殖力大大降低。目前尚不清楚與成年SmartStax? PRO?暴露相關(guān)的成年雄性和雌性（圖?1）壽命的顯著降低是否會減少野外條件下的交配和產(chǎn)卵期?？s短的雌蟲壽命可能會降低終生產(chǎn)卵量，但可能不會影響產(chǎn)卵高峰期。需要進一步的研究來了解本研究中確定的成蟲?WCR?壽命減少對隨后生長季節(jié)中存在的蟲口密度的潛在影響。

目前尚不清楚?SmartStax? PRO?中表達的每種根蟲活性特征對本研究中觀察到的適應(yīng)度下降的潛在貢獻。生物測定結(jié)果表明?Cry3Bb1?和/或?Cry34/35Ab1 Bt?抗性等位基因在?Colfax Co.?所在地的?WCR?群體中相當普遍（圖?2），表明存在抗性和易感個體的混合物。盡管以?Cry3Bb1或?Cry34/35Ab1為食的易感?WCR?種群已觀察到繁殖力降低，但幾乎沒有適應(yīng)度成本與?WCR?種群中實驗室選擇或現(xiàn)場進化的抗?Cry3Bb1?抗性相關(guān)。這包括對繁殖力的潛在影響。一項研究記錄了與飲食接觸抗?Cry34/35Ab1?的?WCR?相關(guān)的潛在健康成本。?Cry34/35Ab1?抗性?WCR?種群在膳食暴露于?Cry34/35Ab1?后表現(xiàn)出尺寸、壽命和終生產(chǎn)卵量減少，并且在從?Cry34/35Ab1?選擇中移除后六代后恢復(fù)到易感性。

迄今為止，沒有關(guān)于?DvSnf7 dsRNA?抗性對?WCR?適應(yīng)性的可能影響的信息。據(jù)報道，當南方玉米根蟲?(SCR)、成蟲暴露于覆蓋在人工飼料上的?Snf7 dsRNA?的?LC50?時，對繁殖力產(chǎn)生了一些負面影響。然而，重要的是要注意?SCR?對?Snf7 dsRNA?比?WCR更敏感。?WCR?幼蟲和成蟲的亞致死暴露將發(fā)生在種植?SmartStax? PRO?的玉米田中，因為?DvSnf7 dsRNA?在玉米事件?MON87411中的根和地上組織中表達。然而，相對較低的?DvSnf7 dsRNA?表達水平和成蟲對?Snf7 dsRNA的敏感性低于幼蟲，這可能導(dǎo)致對成蟲?WCR?的適應(yīng)度影響可以忽略不計。?WCR?人群對?SmartStax? PRO?飲食暴露的反應(yīng)可能會有所不同，具體取決于哪些特征會導(dǎo)致健康成本以及特定人群中抗?WCR?個體的頻率。因此，在現(xiàn)場部署?SmartStax? PRO?時，需要更廣泛的數(shù)據(jù)集來梳理健身因果關(guān)系。

本研究提供了一個?WCR?種群的示例，該種群表現(xiàn)出對?Cry3Bb1?的完全抗性和對?SmartStax??的不完全抗性，但在飲食后仍顯著降低幼蟲存活率和成蟲適應(yīng)性（即雌性大小、壽命、產(chǎn)卵量；雄性大小、壽命）接觸?SmartStax? PRO。完全抗性被定義為在?Bt?和同種系雜種上飼養(yǎng)的?WCR?之間的生物測定存活率沒有顯著差異，而具有不完全抗性的?WCR?種群在?Bt?和同種系雜種之間的生物測定存活率方面表現(xiàn)出顯著差異。在每種情況下，Bt?的存活率都明顯高于實驗室對照菌落。對?Cry3Bb1?的完全抗性表明?Colfax Co.?種群中?Cry3Bb1?抗性個體的頻率非常高。迄今為止，沒有公開的?WCR?種群對?Cry3Bb1?具有完全抗性的例子，其中生殖力受到?Cry3Bb1?飲食暴露的不利影響；因此，Cry3Bb1?可能對本研究中觀察到的適應(yīng)度降低幾乎沒有貢獻。對?SmartStax??的不完全抗性表明，接受?Cry34/35Ab1?亞致死暴露的易感或抗性?WCR?可能在降低繁殖力方面發(fā)揮了作用。由于?SmartStax??包含與?SmartStax? PRO?相同的?Bt?蛋白，但尚未報告?SmartStax??的?WCR?成人健康數(shù)據(jù)，因此需要進行額外的研究來確定金字塔之間在飲食暴露后?WCR?繁殖力的降低是否相似。這種比較也將有助于確定?DvSnf7 dsRNA?對本研究中報告的成蟲健康降低的任何可能貢獻。

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https://doi.org/10.1371/journal.pone.0268902