农民依靠杀虫剂来控制农业害虫。但是昆虫通常会对杀虫剂中的毒素产生抗药性。马里兰大学的研究人员已经开发并成功地测试了一种策略，利用基因组学来监测和识别对特定毒素的早期耐药性，远在它成为一个普遍问题之前。这项工作将使农民能够减轻抗药性并延长虫害管理工具的有效性。

这项研究发表在2024年3月18日的《美国国家科学院院刊》上。

马里兰大学昆虫学副教授、该研究的资深作者梅根·弗里茨(Megan Fritz)说:“全球粮食安全和公共卫生保护依赖于有效管理害虫的策略，但就目前而言，许多对农业和公共卫生具有重要意义的害虫的抗药性进化速度超过了我们发现管理它们的新技术的速度。”“我对这项研究感到非常兴奋，因为我们正在开发使用基因组方法来监测和管理任何系统中的耐药性的框架。”

多年来，农民一直在种植含有天然化学物质的玉米，这些化学物质对人类无害，但对许多害虫有毒，包括被称为玉米耳虫的贪婪、破坏作物的毛毛虫。但是玉米耳虫已经对其中一些毒素产生了广泛的抗性，目前还不清楚农民如何延长剩余毒素的效力，这主要是因为很难在为时已晚之前监测和识别新出现的抗性。

在2021年的一篇论文中，弗里茨和她的团队表明，基因组工具可以用来检测玉米耳虫中抗性进化的迹象，而这种昆虫能够在管理作物中造成广泛的失败。但是该团队使用的方法更适合于研究，而不是广泛用于农业，因为他们需要两个单独的实验来区分与毒素抗性相关的基因组变化与与环境变化等其他因素相关的基因组变化。

在这项研究中，研究人员修改了他们的策略，并确定了对多种被称为Bt毒素的毒素产生抗性的特定基因组变化。玉米耳虫已经对三种Bt毒素Cry1Ab和Cry1F中的两种产生了很大的抗性。第三种毒素被称为Vip3A，是唯一一种对玉米耳虫有效的Bt毒素。

为了测试他们的新策略，研究人员首先对从只表达单个Cry毒素的玉米中收集的玉米耳虫的基因组进行了测序，并将其与从不表达毒素的玉米中收集的玉米耳虫进行了比较。

他们发现，仅在接触一代毒素后，就可以检测到对毒素抗性的基因组特征。研究小组还发现了可以解释毒素抗性的特定基因突变。这些基因编码的消化酶可以将Cry毒素切成小块，也许可以防止它们杀死毛毛虫。

Fritz和她的团队随后使用相同的基因组测序方法来鉴定从玉米中收集的表达Vip3A毒素的玉米耳虫的变化。他们不仅发现了对Vip3A出现耐药性的早期预警信号，而且还描述了预防耐药性的常见策略实际上如何促进Vip3A的耐药性。

不表达Bt的玉米通常种植在Bt玉米附近，这样玉米耳虫就有了一个躲避Bt毒素的避难所。认为以非bt玉米为食的玉米耳虫不会暴露于Vip3A，从而保持其对Vip3A的易感性。这将使易感玉米耳虫比抗性玉米耳虫存活并大量繁殖。他们的想法是，这种策略可以防止或减缓玉米耳虫种群中抵抗力的积累。

然而，弗里茨的研究小组发现，种植在四行Bt玉米内的非Bt玉米表达了一定程度的Bt毒素，包括Vip3A。这可能是由于风媒传粉导致Bt花粉落在非Bt玉米上。随着它们的生长，一些非bt种子被“污染”并表达Vip3A毒素。该团队的研究结果表明，将非Bt玉米与Bt玉米间种以防止抗性，有时被称为“种子混合避难所”，实际上可能使毛毛虫暴露于低水平的Vip3A，并加速Vip3A抗性的出现。

弗里茨的研究表明，真正的抗性预防可能需要改变策略，包括如何种植Bt玉米，以及如何监测抗性。这项研究提供了一个基因组测试框架，用于监测未来耐药性预防的成功。

本研究由美国农业部NIFA 542生物技术风险评估基金2018-33522-2874