转基因玉米选择压力下棉铃虫（Helicoverpa zea）翅形演化与长距离飞行适应性研究

《Environmental Entomology》：Helicoverpa zea selected on Bt corn have wing shapes better suited to long distance flight

本刊推荐：为解决Bt玉米抗性演化对害虫迁移行为的影响问题，研究人员开展棉铃虫翅形几何形态测量学与有限元建模研究。发现经单代Bt玉米（含Cry1Ab/Cry1F/Vip3A毒素）筛选的个体呈现更细长翅形，有限元分析显示其翅脉结构弹性变形量最低（雌虫0.30mm/雄虫0.37mm，风速27.8m·s-1），表明抗性个体可能具备更强长距离扩散能力，为Bt抗性管理策略提供关键形态学依据。

　　

在美国东南部农业生态系统中，棉铃虫（Helicoverpa zea）作为多食性害虫长期威胁玉米、棉花等经济作物。随着超过90%的玉米田采用转Bt基因技术，棉铃虫已对Cry1/Cry2毒素产生田间抗性，而新兴的Vip3A蛋白也面临抗性演化威胁。尤为关键的是，这类夜蛾科害虫具备单夜迁徙数百公里的能力，其飞行行为可能加速抗性基因扩散。然而，传统飞行磨实验未能揭示Bt暴露对飞行性能的显著影响，亟待通过形态功能学视角解析抗性演化与扩散潜能的关联。

为突破方法学局限，研究团队创新性整合几何形态测量学与有限元法（FEM），以源自北美卡罗来纳州试验田的143头棉铃虫成虫（雌66/雄77）为样本，系统分析4种玉米处理下的翅形变异：纯作非Bt玉米（处理1）、双毒素Bt玉米（Cry1Ab+Cry1F，处理2）、三毒素Bt玉米（Cry1Ab+Cry1F+Vip3A，处理3）及80%三毒素Bt+20%非Bt的种子混合田（处理5）。通过15个翅脉界标点数字化与Procrustes叠加分析，首次发现抗性选择压力驱动翅形定向演化——特别是处理5（种子混合）雌虫呈现显著延展的狭长翅形，翅基宽度缩减12%，符合长距离迁徙的形态特征。

有限元建模进一步揭示翅结构力学响应的性别二态性：在模拟田间风速（2.8-27.8 m·s^-1）加载下，处理2雄虫翅弹性变形量最高（0.57mm），而处理5雌虫抗变形能力最强（0.30mm）。协方差分析确认风速与处理间交互作用显著（F_(3,75)=5.5, P<0.01），表明抗性个体翅脉刚度提升可能增强气流中飞行稳定性。这种“狭长翅形-高结构刚度”的组合模式，与先前在西方玉米根虫（Diabrotica virgifera virgifera）中发现的抗性相关形态变化形成生态演化呼应。

主要技术方法概述

研究采用田间采样与实验室分析结合的策略：①从北美两州Bt玉米田采集棉铃虫幼虫，饲养至成虫后获取翅样本；②通过几何形态测量学（15个型Ⅰ界标点）量化翅形变异，采用判别函数分析比较处理间差异；③运用有限元法（ANSYS Workbench）构建翅脉3D模型，模拟不同风速下弹性变形；④通过协方差分析统计风速、处理与性别对翅力学性能的影响。

翅形几何形态测量学分析

通过典型变量分析（CVA）显示，四种处理组的棉铃虫翅形呈现聚类分化（雄虫Goodall‘s F=1.61, P<0.05；雌虫F=1.71, P<0.05）。判别分析揭示处理5（种子混合）雌虫翅形与其他处理组差异极显著（Procrustes P<0.01），其翅长约增加8%，中段宽度缩减15%，形成更适合滑翔飞行的狭长轮廓。雄虫中处理2（双毒素Bt）与处理5的翅形比较显示Hotelling‘s T²显著（P<0.01），表明纯作与混合种植模式对形态选择压力存在差异。

有限元法模拟飞行潜能

弹性变形测量显示处理间力学性能梯度：处理2雄虫变形量最高（0.57mm），处理5雌虫最低（0.30mm）。风速与性别交互作用显著（F_(1,75)=25.5, P<0.001），证实雌虫翅结构普遍更具刚性。值得注意的是，处理5（种子混合）个体在所有风速条件下均保持最小变形量，其翅脉网络可能通过优化材料分布抵抗气动载荷。

讨论与结论

本研究通过形态功能学视角证实，单代Bt玉米选择即可诱导棉铃虫翅形向迁徙适应型演化。尤其值得关注的是，处理5（种子混合）个体兼具抗性基因特征（Pezzini等2024全基因组测序证实）与最优翅形性能，这种“抗性-扩散”协同演化可能加速抗性等位基因的地理扩散。与飞行磨实验阴性结果相反，翅形与FEM的结合提供了更敏感的表型监测工具，为改进害虫抗性管理策略提供新思路。未来需结合同位素示踪等技术，直接验证抗性个体在自然迁徙中的表现，从而构建从基因型-表型-生态行为的完整预警体系。