【字体: 时间:2022年01月16日 来源:Nature Communications

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  利用CRISPR/Cas9技术,科学家们通过基因工程改造了一种逆转杀虫剂耐药性的方法。这种基因替换方法提供了一种新的方法来对抗致命的疟疾传播,并减少保护宝贵粮食作物的杀虫剂的使用。

   

Reversing insecticide resistance    

图片:用一种新型基因驱动系统逆转杀虫剂抗性:用杀虫剂处理农田会导致抗杀虫剂害虫的出现,并减少有益昆虫的多样性。发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上的一项新的原则性证明研究表明,被设计成偏倚遗传的基因驱动被称为等位基因驱动,可以在没有杀虫剂处理的情况下应用,以恢复昆虫种群的杀虫剂敏感性和平衡的自然水平。

资料来源:加州大学圣地亚哥分校比尔实验室

杀虫剂在抗击蚊子传播的疟疾和其他疾病的全球影响方面发挥着核心作用。据估计,这些疾病每年造成75万人死亡。这些昆虫专用化学品的开发和投入市场的成本超过1亿美元,它们对控制由昆虫造成的作物损害也至关重要,这给粮食安全带来了挑战。

但近几十年来,许多昆虫的基因已经适应,对杀虫剂的效力变得不那么敏感。在非洲,长效驱虫蚊帐和室内喷洒是防治疟疾的主要武器,整个非洲大陆许多种类的蚊子都产生了抗药性,降低了这些关键干预措施的效力。在某些地区,气候变化预计会加剧这些问题。

加州大学圣地亚哥分校的生物学家现在已经开发出一种利用CRISPR/Cas9技术逆转杀虫剂耐药性的方法。如自然通讯所述,研究人员Bhagyashree Kaduskar,拉贾Kushwah教授和伊桑棺材与塔塔遗传学研究所和社会(tig)和他们的同事使用基因编辑工具来代替一个insecticide-resistant基因与正常果蝇insecticide-susceptible形式,这一成就可以显著减少杀虫剂的使用量。

Bier是加州大学圣地亚哥分校生物科学系的细胞和发育生物学教授,也是这篇论文的资深作者,他说:“这项技术还可以用来增加蚊子中自然发生的基因变异的比例,这种基因变异使蚊子无法抵抗传播或疟疾寄生虫。”

研究人员使用了一种改良的基因驱动技术,这种技术使用CRISPR/Cas9来切割目标位点的基因组,从而在蚊子中传播特定的基因。当祖辈中的一方将遗传元素传递给后代时,Cas9蛋白就会在相应的位置切断另一方的染色体,遗传信息就会被复制到那个位置,这样所有的后代都继承了这个遗传特征。新的基因驱动包括一个附加组件,Bier和他的同事之前设计的附加组件,通过同时切断一个不需要的基因变体(例如,抗杀虫剂的),并用首选的基因变体(例如,易受杀虫剂影响的)取代它,从而使简单基因变体(也称为等位基因)的遗传产生偏倚。

在这项新研究中,研究人员采用了这种“等位基因驱动”策略来恢复对杀虫剂的遗传易感性,就像野生昆虫在产生抗药性之前一样。他们的研究重点是一种被称为电压门控钠通道(VGSC)的昆虫蛋白质,这是一种广泛使用的杀虫剂的目标。对这些杀虫剂的抗药性,通常被称为击倒抗性,或“kdr”,是由于vgsc基因的突变导致杀虫剂不再能够与vgsc蛋白靶点结合。这组作者用对杀虫剂敏感的正常的自然对应物取代了耐药的kdr突变。

从一个由83%的kdr(耐药)等位基因和17%的正常等位基因(杀虫剂敏感)组成的种群开始,等位基因驱动系统在10代后将该比例逆转为13%的耐药型和87%的野生型。比尔还指出,赋予杀虫剂抗性的适应性伴随着进化代价,使这些昆虫在达尔文的意义上更不适应。他说,因此,将基因驱动与更适合的野生型基因变体的选择优势相结合,就能形成一个高效和合作的系统。(译者注:如果自然环境是使用了杀虫剂的环境,选择压力下,结果是怎样呢?)

类似的等位基因驱动系统也可以在其他昆虫身上开发出来,包括蚊子。这种原理证明方法为虫害和病媒控制工具箱增加了一种新方法,因为它可以与其他战略结合使用,以改进基于杀虫剂或减少寄生虫的措施,从而降低疟疾的传播。

Bier说:“通过这些等位基因替换策略,应该可以在少使用杀虫剂的情况下达到同样程度的害虫控制。”“我们也应该可以设计出自我消除的等位基因驱动版本,这种驱动程序只会在种群中短暂地发挥作用,增加所需等位基因的相对频率,然后消失。”这种局部作用的等位基因驱动可以在必要时重新应用,以增加自然发生的首选性状的丰度,最终目标是在环境中不留下转基因生物。”

“一种令人兴奋的可能性是利用等位基因驱动引入比野生型VGSC对杀虫剂更敏感的新版本的VGSC,”该研究的合著者Craig Montell(加州大学圣巴巴拉分校)建议说。“这可能会使更低水平的杀虫剂被引入环境,以控制害虫和病媒。”

这项研究的作者是:Bhagyashree Kaduskar(加州大学圣地亚哥分校和塔塔遗传学研究所和社会),拉辛格先生Kushwah(加州大学圣地亚哥分校和塔塔遗传学研究所和社会),Ankush Auradkar(加州大学圣地亚哥分校),安娜贝利Guichard(加州大学圣地亚哥分校和塔塔遗传学研究所和社会),Menglin李(加州大学圣芭芭拉分校),贾里德·贝内特(加州大学伯克利分校),Alison Henrique Ferreira Julio, John Marshall(加州大学伯克利分校),Craig Montell(加州大学圣巴巴拉分校)和Ethan Bier(加州大学圣地亚哥分校和塔塔遗传学与社会研究所)。


杂志

自然通讯

DOI

10.1038 / s41467 - 021 - 27654 - 1

方法的研究

实验研究

研究的主题

动物

文章标题

用等位基因驱动逆转黑腹果蝇的杀虫剂抗性

文章出版日期

12 - 1月- 2022

COI声明

比尔在他共同创立的两家公司——Synbal Inc.和Agragene, Inc.——拥有股权,这两家公司可能会从研究结果中受益。他还任职于Synbal的董事会和两家公司的科学顾问委员会。

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