苏云金芽孢杆菌Cry1Ab：转基因玉米中的功能性核心成分

《New Crops》：Bacillus thuringiensis Cry1Ab: a functional core of transgenic maize

本文综述了Bt蛋白Cry1Ab在转基因玉米中的应用，包括其结构、作用机制、抗药性发展及管理策略，强调在中国商业化种植后需加强环境监测和综合管理措施。

　　Bacillus thuringiensis（Bt）是一种广泛存在于土壤中的革兰氏阳性芽孢杆菌，因其对多种害虫具有特异性杀伤作用而成为生物防治领域的重要工具。自20世纪初被发现以来，Bt毒素在农业害虫控制中扮演了关键角色，并在20世纪后期随着转基因技术的发展，成为转基因作物的重要组成部分。其中，Cry1Ab作为Bt毒素中最为广泛应用的一种，不仅在转基因玉米中发挥重要作用，也在其他作物中被开发和应用。本文将围绕Cry1Ab毒素的研究与开发、结构与杀虫谱、作用机制、抗性发展及其管理策略进行深入探讨，以全面展示其在现代农业中的应用价值与挑战。

### 一、Bt毒素的发现与应用背景

Bt毒素的发现可以追溯到1901年，当时日本生物学家Ishiwata Shigetane首次分离出一种能够引起蚕病的杆状细菌。随后，Bt在1938年被用于商业化生产，成为第一种基于Bt的生物杀虫剂。1955年，Angus首次确认了Bt的杀虫活性来源于孢子形成过程中产生的晶体蛋白。这些晶体蛋白具有高度特异性，能够有效控制多种鳞翅目害虫，同时对环境影响较小，因此在20世纪后期迅速受到关注，并成为生物农药和转基因作物的重要组成部分。

随着分子生物学技术的进步，科学家们逐渐揭示了Bt毒素的基因结构及其编码机制。例如，Gonzalez等人在1982年发现Cry1Ab毒素由一种可传播的质粒编码，这一发现为后续的转基因作物开发奠定了基础。1989年，Hofte和Whiteley首次克隆出Cry2A和Cry2B毒素，标志着Bt基因工程技术的突破。此后，Bt毒素被广泛用于转基因作物，如玉米、棉花和水稻，以减少化学农药的使用，提高农业生产的可持续性。

### 二、Cry1Ab毒素的研究、开发与应用

Cry1Ab毒素因其高效的杀虫效果和广泛的适用性，成为转基因玉米中最为常见的杀虫蛋白之一。在多个国家和地区，Cry1Ab转基因玉米已被批准用于商业化种植。例如，1996年美国批准了Cry1Ab转基因玉米品种Bt176的商业化种植，这一事件被视为全球转基因作物发展的重要里程碑。随后，阿根廷、巴西和中国等国家也相继批准了Cry1Ab转基因玉米的种植。截至2023年，全球已有29个国家种植了转基因玉米，总面积超过1900万公顷，其中美国的种植面积占全球总量的51.5%，成为最大的转基因玉米生产国。

在中国，自2019年起，多个Cry1Ab转基因玉米品种获得了生物安全证书，并陆续被批准种植。例如，Ruifeng 125、DBN9936和DBN9501等品种不仅具有杀虫功能，还具备抗除草剂特性，为农民提供了更多的种植选择。此外，一些玉米品种还结合了多种Bt毒素，如Cry1Ab与Cry2Ab、Vip3Aa等，以提高对多种害虫的控制效果。这些多毒素转基因玉米的出现，反映了科学家在提高作物抗虫能力方面的努力，同时也为应对害虫抗性发展提供了新的思路。

### 三、Cry1Ab毒素的结构与杀虫谱

Cry1Ab毒素是一种具有经典三域结构的昆虫毒蛋白。第一域由8条α螺旋组成，其中第五条α螺旋在膜插入和孔形成过程中起到关键作用。第二域包含三条反向平行的β片层，主要负责与靶标细胞受体的识别和结合。第三域则由两条反向平行的β片层构成，进一步促进毒素与受体的结合。这种复杂的结构使得Cry1Ab能够高效地与昆虫肠道细胞膜上的特定受体结合，进而引发细胞膜穿孔，导致昆虫死亡。

在杀虫谱方面，Cry1Ab对多种鳞翅目害虫具有显著的杀伤作用。例如，其对玉米螟（Ostrinia furnacalis）和草地贪夜蛾（Spodoptera frugiperda）的杀伤力尤为突出。根据相关研究，Cry1Ab对草地贪夜蛾的毒性显著高于Cry1Ac和Cry1Fa。此外，Cry1Ab还对其他害虫如棉铃虫（Helicoverpa armigera）、黏虫（Mythimna separata）和飞蛾（Agrotis ypsilon）具有良好的控制效果。这些特性使得Cry1Ab成为农业害虫防治中的重要工具。

### 四、Cry1Ab毒素的作用机制

Cry1Ab毒素的作用机制主要涉及与昆虫肠道细胞膜上的特定受体结合，并通过一系列分子事件最终导致细胞死亡。在摄入过程中，Cry1Ab毒素在昆虫的前肠中被激活，随后通过蛋白酶的作用裂解成核心肽。这些核心肽进一步与肠道细胞膜上的受体结合，形成离子通道，导致细胞膜渗透压失衡，从而引发细胞死亡。这一过程不仅依赖于毒素与受体的直接结合，还受到多种信号传导途径的影响，如MAPK（丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶）通路。

研究表明，Cry1Ab毒素的活性与受体蛋白的表达水平密切相关。当昆虫的受体蛋白发生突变或表达水平下降时，毒素的毒性可能会减弱，导致抗性发展。例如，Atsumi等人发现，在家蚕（Bombyx mori）中，Cry1Ab抗性与ABCC2蛋白中的一个单个氨基酸突变有关。此外，一些研究还表明，Cry1Ab毒素与Cry1F毒素在抗性机制上存在差异，这可能与它们的受体结合模式不同有关。

### 五、抗性的发展与管理策略

尽管Cry1Ab毒素在农业害虫控制中表现出色，但长期使用导致害虫抗性的现象也逐渐显现。例如，在巴西，自2013年MON810玉米品种推广以来，草地贪夜蛾对Cry1Ab的敏感性显著下降，部分地区的抗性倍数已超过800倍。在美国，西部玉米根worm（Diabrotica virgifera virgifera）对Cry1Ab的抗性也不断上升，尤其是在长期单一毒素种植的背景下。这些抗性案例表明，Cry1Ab毒素的持续使用可能对害虫种群产生选择压力，从而加速抗性的发展。

为了延缓抗性的出现，各国采取了多种管理策略。其中，“高剂量/隔离区”（High-Dose/Refuge）策略被广泛采用，要求在转基因玉米周围种植一定比例的非转基因玉米，以防止抗性昆虫的基因扩散。此外，通过基因金字塔（Pyramided）技术，将不同作用机制的Bt毒素组合在一起，可以有效降低抗性发展的风险。例如，巴西和阿根廷等国推广了表达Cry1Ab与Vip3Aa的转基因玉米，以增强对害虫的控制效果。

### 六、未来发展方向与挑战

尽管Cry1Ab毒素在农业害虫控制中取得了显著成效，但其抗性问题仍然严峻。因此，未来的研究应重点关注抗性机制的深入解析，并探索新的抗性管理策略。例如，结合CRISPR/Cas9等基因编辑技术，可以更精确地调控毒素的表达和受体的结合能力，从而降低抗性发展的可能性。此外，通过监测害虫种群的变化，及时调整种植策略，如轮作、混合种植和多样化毒素组合，也是应对抗性的重要手段。

同时，Cry1Ab毒素的应用还需考虑其对非靶标生物的潜在影响。一些研究表明，Bt玉米花粉可能对周围非靶标昆虫产生一定影响，因此在推广过程中应加强环境监测，评估其生态风险。此外，抗性管理策略的制定应结合当地的农业实践和生态条件，以确保其有效性和可持续性。

### 七、结论与展望

综上所述，Cry1Ab毒素作为Bt杀虫蛋白的重要代表，在农业害虫控制中发挥了关键作用。然而，随着其广泛应用，抗性问题也日益凸显。因此，未来的研究和实践应更加注重抗性管理，包括基因金字塔技术、轮作策略和环境监测等。通过这些措施，可以有效延缓抗性的出现，确保转基因作物的长期应用效果。同时，进一步研究Cry1Ab毒素的作用机制和抗性分子基础，将有助于开发更高效的抗性管理方案，推动农业可持续发展。