印度田间棉红铃虫Cry毒素抗性品系的适应性代价与生物学适应性研究

为解决棉红铃虫对Bt棉花抗性演化问题，研究人员开展Cry1Ac和Cry2Ab毒素抗性品系生物学适应性研究，发现高抗性品系发育周期延长、繁殖力下降且存在显著适应性代价，为抗性治理策略提供关键理论依据。

　　

在全球棉花种植的广阔画卷中，印度以其130.61万公顷的种植面积和343.47万包（每包170公斤）的产量成为当之无愧的明星玩家。然而，棉花生产面临着来自1326种昆虫物种的严重威胁，其中棉红铃虫（Pectinophora gossypiella）更是 notorious pest（著名害虫），专门危害棉花花朵和棉铃，以种子为食，损坏纤维。更令人担忧的是，这种害虫对有机氯、有机磷、氨基甲酸酯和拟除虫菊酯类杀虫剂都产生了显著抗性，到20世纪90年代中期，主要植棉国的棉花种植因新型化学杀虫剂的高成本而变得无利可图。

为了应对杀虫剂抗性带来的负担，表达苏云金芽孢杆菌（Bt）毒素的转基因作物开发和应用成为一项变革性技术。Bt棉花于1996年在美国首次商业化种植，随后在澳大利亚（1996年）、中国（1997年）、阿根廷（1997年）、南非（1998年）、墨西哥（1998年）、印度尼西亚（2001年）、哥伦比亚（2002年）和印度（2002年）等多个国家推广。尽管Bt棉花在初期成功控制了棉铃虫危害，但印度出现了棉红铃虫种群对这些毒素产生抗性的情况。2010年，印度古吉拉特邦记录了棉红铃虫对Bollgard事件（Cry1Ac）的抗性，随后在2014年对Bollgard II（Cry1Ac+Cry2Ab）产生抗性，40-80%的棉铃中存在存活幼虫。

抗性进化是遗传、生态和进化影响动态相互作用的结果，共同塑造了害虫种群的适应 landscape（景观）。在抗性昆虫中，适应性代价通常源于与抗性基因相关的有害多效效应。这些代价在无毒素环境中表现得尤为明显，抗性个体相比敏感 counterparts（对应个体）表现出适应性降低。这种与抗性相关的适应性惩罚会显著影响关键生活史特征，包括生存和生长、滞育调节以及交配成功率等繁殖性能。评估抗性个体在无Bt选择压力环境（如非Bt棉田或庇护所作物）中的适应性，对于深入了解抗性进化机制至关重要。

为此，研究人员开展了针对印度田间棉红铃虫Cry毒素抗性品系的适应性代价与生物学适应性研究，比较了不同抗性水平品系在发育参数、生存能力和繁殖适应性方面的差异，揭示了抗性进化背后的生物学代价和 trade-offs（权衡）。

本研究采用了21天膳食掺入生物测定法、生物学参数测定和适应性代价评估等关键技术方法。研究人员从印度59个地理不同地点收集棉红铃虫田间品系（F），推进到F₁代并进行Cry毒素抗性筛选。根据LC₅₀值将种群分为高抗性和相对低抗性组，并进一步推进到下一代。使用来自所有种群以及敏感品系（F₁₉₄）的1日龄新生幼虫，暴露于各种选定剂量以评估这些浓度对生物学适应性的精确影响。样本来源包括印度南部、中部和北部主要植棉区的田间收集种群，以及实验室饲养的敏感品系。

幼虫、蛹和成虫寿命

研究结果显示，随着Cry毒素浓度的增加，棉红铃虫的幼虫和蛹期延长，而成虫寿命缩短。高抗性田间品系在含10μg/mL Cry1Ac的饲料中记录到最长的幼虫（27.88±1.31天）和蛹（9.14±0.58天）期。同样，在含10μg/mL Cry2Ab的饲料中，高抗性和相对低抗性田间品系也表现出最长的幼虫（分别为27.05±1.25和25.89±1.46天）和蛹（分别为8.89±0.39和8.80±0.51天）期。敏感品系在无毒素饲料中表现出最短的发育时间（幼虫：18.48±0.95天；蛹：7.22±0.36天；总发育期：39.41±2.52天）和最长的成虫寿命（9.78±0.35天）。

繁殖力和卵孵化率

随着饲料中Cry毒素浓度的增加，高抗性、相对低抗性和敏感棉红铃虫品系的繁殖力和卵孵化百分比均下降。敏感品系在无毒素饲料中记录到更高的繁殖力（123.15±4.95卵/雌性）和卵孵化（97.75±4.12%）。在含0.1μg/mL Cry1Ac的饲料中，高抗性品系平均产卵104.35±4.98卵/雌性，孵化率为88.52±3.13%。相对低抗性品系在10μg/mL Cry1Ac和10μg/mL Cry2Ab条件下记录到最低的繁殖力（分别为73.38±4.25卵/雌性和76.27±3.28卵/雌性）和卵孵化百分比（分别为72.55±3.65%和73.64±2.64%）。

生存和生长指标

在高抗性、相对低抗性和敏感棉红铃虫品系中，每个Cry毒素浓度下的幼虫生存率、化蛹率、成虫羽化率和成虫生存率均存在显著差异。敏感品系在无毒素饲料中 across all stages（所有阶段）表现出最高值，幼虫生存率为98.33%，化蛹率为97.53%，成虫羽化率为96.73%，成虫生存率为95.93%。生长和生存指数随着Cry1Ac和Cry2Ab浓度的增加而逐渐下降。敏感品系在无毒素饲料中显示出最高的生长（5.28）和生存指数（0.97），而在1.0μg/mL Cry1Ac时记录到最低值（0.76和0.12）。

死亡率和畸形率

棉红铃虫品系的死亡率和畸形率随着Cry1Ac和Cry2Ab毒素浓度的增加而增加。幼虫期表现出最高的敏感性，与蛹期和成虫期相比，死亡率和畸形率更高。敏感品系在暴露于10μg/mL Cry1Ac和5.0及10.0μg/mL Cry2Ab时记录到完全（100%）死亡率。相对低抗性品系在10.0μg/mL Cry1Ac时记录到最高的幼虫（10.00%）、蛹（6.80%）和成虫（3.80%）阶段畸形率。

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体重变化

敏感棉红铃虫品系不同发育阶段的体重随着Cry毒素浓度的增加而显著降低。相比之下，在各种Cry毒素浓度下饲养的抗性品系的体重，以及在无毒素饲料中饲养的敏感品系的体重没有显著变化。在不同品系中，幼虫、蛹和成虫的体重范围在不同Cry1Ac浓度下分别为21.45至29.96毫克、18.26-21.91毫克和14.84-18.53毫克。

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相对适应性和适应性代价

敏感品系在无毒素饲料中的相对适应性最高。在暴露于Cry1Ac的组中，无毒素饲料中饲养的敏感品系记录到最高的相对适应性，其次是0.1μg/mL Cry1Ac饲料中的高抗性（0.74）和相对低抗性（0.67）品系。Cry1Ac暴露在1.0μg/mL时对敏感品系造成最高的适应性代价（84.42%），其次是10.0μg/mL时的相对低抗性（79.46%）和高抗性（60.07%）品系。对于Cry2Ab，最大的适应性代价（74.51%）发生在10.0μg/mL时的相对低抗性品系中。

研究结论表明，Cry毒素抗性在棉红铃虫中 imposes significant fitness costs（造成显著的适应性代价），特别是对Cry1Ac高抗性和对Cry2Ab中等抗性的品系表现出显著的生物学权衡。这些代价包括幼虫和蛹发育期延长、成虫寿命缩短、繁殖力降低、卵孵化率下降以及各发育阶段的生存指标受损。值得注意的是，与Cry2Ab抗性相比，Cry1Ac抗性 associated with greater biological penalties（伴随更大的生物学惩罚）。相对低抗性品系在几个参数中表现出最严重的适应性代价，表明抗性水平与生物学适应性之间存在非线性关系。

这些发现强调，虽然抗性在毒素暴露下提供生存优势，但也带来生态和繁殖劣势。将适应性代价评估纳入抗性监测计划，可以增强我们对抗性进化动力学的理解，并改进其传播的预测模型。此外，鉴于观察到的品系特异性反应和可变的生物学影响，应优先考虑特定区域的综合治理（IPM）策略。这些策略可能包括Cry毒素轮换、减少毒素暴露水平或与生物防治方法结合，以延缓抗性发展并维持Cry基技术的有效性。

这项研究由印度农业大学达尔瓦德分校昆虫学系和印度农业研究委员会中央棉花研究所的研究人员完成，发表在《Scientific Reports》上，为理解棉红铃虫对Bt毒素抗性演化的生物学基础提供了重要见解，对制定可持续的害虫管理策略具有重要指导意义。