推薦||大話Bt蛋白（說道轉基因玉米不得不提的基因）

編輯 |新銳恆豐研究院

來源 |基因農業網

作者 |章旺根 王萍 李晨（作者已授權）

前言

Bt 蛋白基因是目前世界上應用最為廣泛的抗蟲基因，已經被轉入多種作物中。其中，棉花、玉米、馬鈴薯等轉 Bt 基因抗蟲作物已經商業化生產，創造了可觀的經濟效益。Bt不是「變態」，它是蘇雲金芽孢桿菌（Bacillus thuringiensis）的簡稱，是一種革蘭氏陽性土壤芽孢桿菌，廣泛存在於土壤、塵埃、水域、沙漠、 植物、昆蟲屍體中。本文主要介紹 Bt 蛋白的發現史、應用史以及 Bt 蛋白的安全性等

Bt的發現史

▲來源：baike.sogou.com

1901 年，日本學者石渡繁胤（Ishiwata）從染病的蠶蛾體液中首次分離出了這種細菌，將其命名為 Bacillus Sotto。這位日本學者還發現 Bt桿菌對鱗翅目昆蟲有殺蟲活性，但非常遺憾，菌株在當時的條件下沒有保存下來。

1915 年，另一位科學家 Berliner 分離到一種類似於 Bt 桿菌的細菌，他發現這種菌在芽孢形成過程中，其一端會出現小的包含物，但受當時實驗的局限性，Berliner 沒有確定這種小包含物與殺蟲活性的相關性。

二十世紀 50 年代，人們才確定 Bt 菌的殺蟲活性與伴胞晶體有關。在芽孢形成過程中，蘇雲金桿菌會產生大量的伴胞晶體，伴胞晶體由具有高度特異性殺蟲活性的結晶蛋白組成，這種蛋白通常被稱為殺蟲晶體蛋白（Insecticidal Crystal Proteins, ICPs）或δ－內毒素或蘇雲金桿菌毒蛋白（Bt toxin，這裡的毒僅指對昆蟲有毒殺作用），即我們所謂的「Bt蛋白」。編碼殺蟲晶體蛋白的基因一般位於蘇雲金芽孢桿菌的質粒上，蘇雲金芽孢桿菌可以含有多種殺蟲晶體蛋白基因，同種殺蟲晶體蛋白基因也可以在多種不同的菌株中存在。目前人們已從不同的Bt菌的亞種中分離出對不同昆蟲（如鱗翅目、鞘翅目、雙翅目等）和無脊椎動物（如寄生線蟲、原生動物等）有特異毒殺作用的殺蟲晶體蛋白。

Bt 伴胞晶體隨著昆蟲的攝食進入到昆蟲的消化道，並釋放出以原毒素形式存在的殺蟲晶體蛋白，在昆蟲幼蟲的中腸道內，藉助於蛋白酶的水解，原毒素轉型為毒性多肽分子。活化了的毒素可以與敏感昆蟲中腸道上皮細胞表面的特異受體相互作用，誘導細胞膜產生一些孔道，擾亂細胞的滲透平衡，並引起細胞腫脹甚至裂解，伴隨著上述過程昆蟲幼蟲將停止進食，最終導致死亡。

具體來講，Bt 殺蟲晶體蛋白的作用過程可劃分為 7 個步驟：原毒素溶解、原毒素酶解、毒素分子穿過圍食膜、毒素分子與受體的結合、毒素分子插入膜中、小孔的形成、中腸細胞失去離子平衡裂解。

Bt殺蟲晶體蛋白一般為鹼溶性，即需要在鹼性條件下才能溶解，毒蛋白才能活化。不同昆蟲的消化道的 pH 環境不一樣，這將直接影響 Bt 殺蟲蛋白的殺蟲活性。比如 Cry1-蛋白作用的鱗翅目昆蟲的消化道的 pH 值為 10-11，在這種鹼性條件下，Cry1 原毒素才能被蛋白酶降解為活性毒素。原毒素能否激活是產生毒性的首要條件。

因此，殺蟲晶體蛋白能夠使昆蟲致死需要具備下面兩個條件：1）鹼性的消化道環境和蛋白酶以激活毒蛋白；2）毒蛋白與消化道上的受體發生不可逆結合。這兩個條件缺一不可，同時也使得 Bt 蛋白具有專一性地殺死昆蟲而對人和哺乳動物無害的特點。

Bt的應用史

▲來源：pixabay.com

1915 年，蘇雲金芽孢桿菌的另一位發現者 Berliner 提出了用病原微生物防治農業害蟲的設想。

1938 年，第一例商業化的 Bt 殺蟲劑（商品名為Sporeine）在法國被應用。

20 世紀 50 年代，Bt 殺蟲劑逐漸開始在美國興起。DNA 重組技術的發展大大促進了Bt殺蟲晶體蛋白的應用。Schnepf 和 Whiteley 兩位科學家將 Bt 菌庫斯塔克亞種（subsp. Kurstaki）菌株 HD-1 中的殺蟲晶體蛋白基因克隆到大腸桿菌的質粒中，實現了 Bt 殺蟲晶體蛋白基因的第一次克隆。隨後，人工重組 Bt 工程菌的出現，克服了用天然 Bt 菌生產 Bt 殺蟲製劑效率低、成本高的缺點。至今，已經有超過 200 種Bt製劑在美國環保署註冊。

但是，Bt 製劑穩定性較差，易分解，影響了其在田間的施用效果。因此，在植物中表達 Bt 基因進而開發轉基因抗蟲作物成為了更優的選擇。

1987 年，第一個轉 Bt 基因植物——轉 Bt 基因煙草誕生，隨後 Bt 基因被導入各類作物中。

1995年，轉 Bt 基因玉米、棉花和馬鈴薯 3 個作物首次在美國和加拿大實現了商品化。2013 年，全球轉 Bt 作物種植面積維持在 7000 萬公頃以上。其中，包含 Bt 的兩種或三種複合性狀的轉基因作物面積為 4700 萬公頃，佔到了轉基因作物總種植面積的 26 %。在我國，Bt棉花的種植徹底拯救了整個棉花產業。

上世紀 90 年代初，棉鈴蟲在中國棉產區爆發，由於缺乏有效的施藥管理，棉鈴蟲對農藥的耐藥性極高，傳統農藥完全無法抑制棉鈴蟲的蔓延，廣大農民面對絕收的棉田束手無策。1995 年，在政府的引導下，轉基因棉花進入863 重大研究專項，開始在河北省試驗種植。兩年後，由於其出色的防治效果，開始在華北地區大面積推廣 Bt 抗蟲棉。20 多年過去了，截至 2014 年，我國轉 Bt 棉的種植面積近 390 萬公頃，農民對 Bt 棉花的採用率達到93 %。中國棉花種植業再也沒能受到棉鈴蟲的侵襲。

Bt 蛋白在棉花上的成功應用開始讓科研人員將其嘗試性地應用於其它作物，目前也取得了可觀的成果。2009 年，由華中農業大學自主育成的「華恢一號」和其雜交種「Bt汕優63」兩個 Bt 抗蟲水稻同時獲得了農業部頒發的轉基因安全證書，這一事件標誌著我國的轉 Bt 基因作物應用又向前邁進了一大步。

Bt 的安全性

▲來源：kepu.net.cn

近年來，轉基因作物的安全性已成為公眾關心的焦點之一。如何對轉基因作物進行安全性評價？國際上有一個廣泛接受和採用的「實質等同」原則。這一原則強調，評價轉基因食品安全性的目的，是評價其與非轉基因同類食品比較的相對安全性，採用「實質等同」原則作「個案分析」，對轉基因食品的安全性不能一概而論。目前公認：現已批准商品化生產的轉基因生物生產的食品，都是安全的。

蘇雲金芽孢桿菌（Bacillus thuringiensis，簡稱Bt）是自然界中普遍存在的一類細菌，Bt 菌及 Bt 蛋白作為生物殺蟲劑，在農業生產上也有近 70 年的安全使用歷史。Bt 作物應用已經有二十年了，期間關於 Bt 作物安全性的研究也非常多，但是迄今為止未有一項研究表明 Bt 作物具有食用安全性上的問題。

Bt 蛋白能殺死昆蟲卻對人畜無害的特點是其蛋白特性決定的。Bt 蛋白被害蟲取食後，在昆蟲中腸的鹼性（pH10-12）條件下晶體蛋白溶解產生原毒素，在中腸內酶系統的作用下釋放出活性毒素，毒素與昆蟲中腸內特異受體結合進而產生毒殺作用。這一殺蟲機理使得特定的Bt蛋白只對某一類昆蟲有特異的毒殺作用。

而哺乳動物的胃液為強酸性（pH1-2），腸胃中不存在與Bt毒素結合的受體。當 Bt 蛋白進入哺乳動物腸胃後，在胃液的作用下幾秒鐘內就可全部降解，失去了蛋白功能。即使 Bt 蛋白被其他非靶標昆蟲取食，雖然不能完全降解，但是由於缺少受體，也不能對那些非靶標昆蟲造成毒殺。因此，多年的研究反覆證實Bt毒蛋白對哺乳動物、鳥、魚以及非靶標昆蟲無害。

當然，從對環境的影響上來講，害蟲對轉基因植物產生抗性是一個不容忽視的問題。

1985 年，研究者首次報道了實驗室條件下印度谷螟對 Bt 製劑產生抗性，而小菜蛾是發現的第一例在田間對 Bt 製劑產生抗性的昆蟲。隨後在實驗室或田間通過人工篩選已獲得了大量抗性昆蟲株系。而真正在田間自然條件下對 Bt 作物產生抗性的昆蟲是棉鈴蟲，抗性產生的時間發生在轉基因作物開始商業化種植的 6 年後（2002年）。截止到 2012 年，田間發現的對Bt作物產生抗性的昆蟲共有 5 類。

人工篩選抗 Bt 昆蟲株系並揭示其抗性機理的相關研究也越來越多。這些研究不僅可以幫助我們對昆蟲產生 Bt 抗性的潛在風險進行預測，而且可以指導我們尋找有效的方法延緩昆蟲抗性的產生。目前，治理昆蟲抗性的產生主要有「高劑量/庇護所」和「基因聚合」兩種策略。

「高劑量/庇護所」策略被認為是一種有效的控制害蟲產生抗性的策略。所謂高劑量，指轉 Bt 作物中表達的 Bt 蛋白濃度足夠高，能殺死全部目標昆蟲。「庇護所」是指一些非轉基因的作物構成的群體。目標昆蟲可以在這些非轉基因作物上取食，以減輕Bt蛋白對目標昆蟲的選擇壓力。「庇護所」存在的目的是保護一定數量的敏感昆蟲群體。而高劑量可以保證殺死絕大部分由抗性個體與「庇護所」中敏感個體交配產生的抗性雜合的子個體，最大可能的避免抗性基因傳遞給後代群體，從而延緩昆蟲對 Bt 作物產生抗性的時間。庇護所形式可根據具體情況科學設定，比如，美國的 Bt 抗蟲棉的種植者必須以 95：5 的比例採用獨立的不噴施殺蟲劑的庇護所或 80：20 的比例採用可噴施非Bt類殺蟲劑庇護所；而在我國的轉基因棉區，Bt 抗蟲棉的種植者不必單獨種植非Bt棉，因棉鈴蟲為雜食性，可為害多種作物，這些棉區多採用多種作物混作的耕作制度，因此實際上已提供了「天然的庇護所」。

事實上，由於「庇護所」中的作物會受到害蟲的侵襲，這將直接影響到種植者的利益，降低種植者的積極性。因此，研究者又提出了另一種更有利和高效的策略——「基因聚合」。

基因聚合是在同種作物品種中轉入兩個不同的抗蟲基因，要求害蟲對這兩種 Bt 蛋白的識別存在較大差異，即不存在交互抗性。這樣，昆蟲同時對兩種不同蛋白產生抗性的幾率大大降低了。發展「基因聚合」策略對於中國的農業具有特殊的意義。由於我國的主要目標害蟲、種植制度、農戶規模等生態和社會環境與美國、澳大利亞等國家存在較大差異，「高劑量/庇護所」策略在我國實施困難，而「基因聚合」更符合我國的國情。

需要說明的是，害蟲抗性問題不是 Bt 作物的專屬性問題，化學殺蟲劑的濫用也可以造成同樣的問題。慶幸的是，多年對害蟲抗性機理方面的研究已經讓人們摸索出一條合適的抗性治理方案，這將極大提升Bt作物的長期利用價值。另外一方面，截至 2014 年，全球轉基因作物的種植使得殺蟲劑活性成分的使用累積減少了 5.8 億公斤，共節約了 1.5 億公頃土地，這極大地保護了生物多樣性，對可持續發展和環境氣候變化作出了傑出的貢獻。

後記

隨著對 Bt 蛋白研究的深入以及人們對轉基因作物接受程度的提高，Bt 抗蟲作物的種植規模會越來越大，這些優良的抗蟲作物的大規模種植勢必會大幅度降低化學農藥的田間施用量，進而在降低農業成本、釋放農村勞動力、減少環境污染和提高食品品質等方面發揮更加積極的作用。