抗虫基因的结构、功能和应用

抗虫基因的结构、功能和应用摘要：人类和昆虫自古就开始为了绿色植物争斗，而当人类发现了抗虫基因，人类就占据了上风，本文主要介绍了抗虫基因的几个种类，及其中一些的结构功能，了解抗虫基因的应用。关键词：抗虫基因；BT基因；结构；功能；应用昆虫有100多万种，在地球上有4亿年历史了，因为抵抗逆境的能力强，所以一直繁衍到现在；又因为繁殖能力强，所以即便遭到毁灭性杀伤，残余势力很快就会恢复原来的种群。以野生植物为食的昆虫有几十万种，它们主要受环境抑制；以栽培植物为食的昆虫有几万种，它们主要受人类抑制。与人类争食，要么你死，要么我活。人类与昆虫的战争，始于亘古，延至未来，永远不会停息，小战争司空见惯，大战争骇人听闻。还记得民国三十一年（1942年）河南的蝗灾吗？吃光了一切绿色植物；还记得唐玄宗的宰相姚崇吗？破除迷信，力主灭蝗，虫口夺粮，传颂千年，可是依然歉收。只有在化学农药出现以后，人类才取得胜利。可是，胜利是短暂的。一种新农药用不了几年，昆虫就会产生抗药性。于是，再研制新农药，过不了几年，昆虫又产生抗药性。如此恶性循环，环境污染越来越重。而且，新农药也不是那么容易研制的，其研制难度不亚于人类吃的药。美国科技水平最高，研制一种新农药约需10年，花费约需10亿美元。幸亏分子遗传学发展到了转基因水平，农药的污染才得以大大减轻。然而，昆虫对转基因抗虫作物也会产生抗性。如果抗虫基因只有一种，人类算是没辙了。所幸的是，科学家们已经发现了多种抗虫基因。1.抗虫基因1.1BT基因BT基因即是苏云金芽胞杆菌（Bacillusthuringiensis，简称Bt）基因，因其杀虫效果好、安全、高效等优点而成为应用最为广泛的杀虫微生物°Bt与其它芽胞杆菌相比，一个显著特点就是不仅能够形成芽胞，同时还能产生由杀虫蛋白组成的晶体。苏云金芽胞杆菌可以分泌一种毒蛋白，对鳞翅目鞘翅目昆虫（比如小菜蛾）有很强的杀伤作用。人类很早就研究利用8丁菌来杀灭害虫，总共有100多年历史。随着分子生物学技术的发展和基因克隆、DNA操作等技术出现，人类开始从BT菌中克隆其毒蛋白基因到工程菌中，制作生物农药。不过随着广泛的应用，害虫也大量出现抗药性。苏云金芽胞杆菌是一种革兰氏阳性土壤芽孢杆菌，属于芽胞杆菌属的一个种。根据鞭毛抗原的血清型和生理生化特性可以划分为若干亚种；由于无鞭毛亚种的出现，故营养细胞的酯酶型可以作为补助分类方法。在外界条件适宜时，Bt的营养体进行横裂生殖；当营养体老熟或者外界条件苛刻时，将进入产胞循环。包裹在芽胞与晶体外侧的细菌壁在后期破裂，释放出自由的芽胞和伴胞晶体；当外界条件适宜时，芽胞萌发为营养体进而开始新的生命循环。B^毒素主要为内毒素和外毒素。外毒素指细菌在生命活动过程中排出体外的代谢物，包括a-外毒素、0-外毒素、Y-外毒素、不稳定外毒素和水溶性外毒素等。内毒素又称8-内毒素、晶体毒素或杀虫晶体蛋白3伴胞晶体由一种或几种杀虫晶体蛋白组成，在Bt对昆虫的致死过程中起主要作用。杀虫晶体蛋白是根据氨基酸同源性进行分类的。同源性在45%以下，为第一等级，用阿拉伯数字表示；同源性在45%〜78%之间，为第二等级，用大写英文字母表示；同源性在78%〜95%之间，为第三等级，用小写英文字母表示；同源性在95%以上，为第四等级，用阿拉伯数字表示。例如Cry1Ac10。杀虫晶体蛋白对鳞翅目、双翅目、鞘翅目、膜翅目、同翅目、直翅目、食毛目等多种昆虫以及线虫、蜡类和原生动物具有特异性的杀灭活性。1.2蛋白酶抑制剂基因除了8七基因，还有别的抗虫基因。如蛋白酶抑制剂基因。蛋白酶存在于人、动物、昆虫的胃肠道里，作用是把吃进去的蛋白质分解为氨基酸，氨基酸被肠道吸收，在体内再合成为蛋白质。蛋白酶也存在于植物体内，植物是要合成蛋白质的，如果蛋白酶很强，把蛋白质都分解了可不是好事。为了避免这种坏事，植物体内还有蛋白酶抑制剂，专门抑制蛋白酶。几乎每一种植物都有蛋白酶抑制剂，有的较多，有的较少，受基因控制。含蛋白酶抑制剂较多的植物，具有天然的抗虫性，它被昆虫吃了以后，能抑制昆虫胃肠里的蛋白酶，那么昆虫吃进去的蛋白质就不能被分解吸收，那么昆虫体内就缺乏合成蛋白质的氨基酸，而蛋白质是生命的载体，每一个细胞都需要蛋白质来构成，没有蛋白质，昆虫必然死亡。把蛋白酶抑制剂较多的植物的基因，转入蛋白酶抑制剂较少的植物的体内，它就具有了天然的抗虫性。豇豆、葫芦、马铃薯的控制蛋白酶抑制剂的基因，已被转入棉花、水稻、油菜、西红柿、草莓。可是问题又来了，人吃了这些转基因作物，不也抑制人的胃肠里的蛋白酶吗？是的。但是人吃的是熟食，经过加热，蛋白酶抑制剂就没有了活性。许多食物宜熟食不宜生食就是这个道理。可是西红柿、草莓是生食的，不过，因为所含蛋白酶抑制剂相对较少，而人的胃肠里的蛋白酶相对较多，所以不影响蛋白质的消化吸收。1.3植物凝集素基因很多植物都含有凝集素，凝集素是蛋白质与糖的结合体，按其结构又分为不同类型，分别喜欢与人、动物、昆虫胃肠黏膜上的含糖的蛋白结合，或者与含糖的蛋白酶结合，从而破坏消化吸收功能。草食动物不吃某些植物，就是因为凝集素，吃了胃肠难受，所以不吃。人亦如此。昆虫比较傻，某些植物含有专门毒害它的凝集素，它也照吃不误。把这种植物的基因转入农作物，就是转基因抗虫作物。目前还处在研究阶段。1.4“抗维生素H蛋白”的基因维生素H存在于绝大多数的植物中，是人、动物、昆虫生长所必需的，人缺乏维生素H会掉头发、秃顶，动物缺乏维生素H会掉毛，严重缺乏，将危及生命。维生素H最怕鸡蛋中的一种蛋白质，这种蛋白质就叫“抗维生素H蛋白”，它可以与维生素H牢固结合，使维生素H失去活性，导致维生素H缺乏，因此不提倡生吃鸡蛋，煮熟后“抗维生素H蛋白”就失去了活性。把禽类的控制“抗维生素H蛋白”的基因转入农作物，就能杀死绝大多数昆虫。目前也处在研究阶段。自然界抗虫基因岂止以上这些，多得很，但是必须去发现。随着转基因研究步步深入，人类或许最终可以战胜昆虫，战胜它不等于灭绝它，它别吃栽培植物，去吃野生植物吧。2抗虫基因结构8圈白，营养体：呈杆状，两端钝圆，大小约.2〜1.8X3.0〜5.0叩；周生鞭毛，微动或不动；单个或两个以上呈链状存在。芽胞和伴胞晶体：芽胞约0.8〜0.9x2.0pm，为休眠体；对高温或者干燥等不良环境有较强的抵抗力。伴胞晶体的形状因菌株的不同而有所差别。有180种结构，结构不同则性质不同，结构受基因控制，那么基因也不同，有180种基因吗？科学家还没有全部弄清，从理论上说应该有。已经弄清了9种，这9种基因都可以抗虫，已经转入农作物的只是其中的1种。从理论上说，都能转入农作物，或一个个转入，或一起转入，从而打破昆虫的抗性。魔高一丈，道高十丈，转基因的研究值得期待。植物蛋白酶抑制剂(proteina.einhibitor，PI)是种能够抑制蛋白水解酶活性的小分子蛋白或多肽。根据作用于酶的活性基团不同及其氨基酸序列的同源性，可将植物中的PI分为4类，即丝氨酸类、半胱氨酸类（巯基类）、天冬氢酸类和金属类，共10个族。其中，丝氨酸类蛋白酶抑制剂与抗虫关系最为密切，因为大多数昆虫（如鳞翅目、直翅目、双翅目、膜翅目、鞘翅目）肠道内的蛋白酶主要是丝氨酸蛋白酶。丝氨酸蛋白酶抑制剂又可Bowman-Birk、Kunitz.PI-I和PI-II家族等不同的类型。目前应用最多的是Bowman-Birk家族的CpTI，该抑制剂具有2个抑制活性中心，可同时竞争性抑制2个胰蛋白酶分子。Kunintz家族蛋白酶抑制剂是丝氨酸蛋白酶抑制剂的另外一个主要类型，大豆Kunitz型胰蛋白酶抑制剂（SKTI）是其中典型的代表，虽然只有一个与酶作用的活性中心，但研究表明Kunintz家族蛋白酶抑制剂的抗虫性明显好于豇豆胰蛋白酶抑制剂。PI-I和PI-II家族蛋白酶抑制剂是创伤诱导型表达的蛋白酶抑制剂。3抗虫基因作用及应用3.1作用顾名思义，抗虫基因的作用就是能够编码一种蛋白质，这种蛋白质被虫子吃了以后，会杀死虫子。能够编码这种蛋白质的基因，就是抗虫基因。Bt的致病机理一一杀虫机理：80半胞晶体被敏感昆虫摄食后，在中肠蛋白酶的作用下溶解并激活，释放出毒素核心肽段；而后毒素作用于中肠上皮细胞，引起细胞膨胀和裂解，由此引起昆虫肠道麻痹和肠道穿孔，消化道细胞的离子和渗透压平衡遭到破坏，最终导致昆虫死亡，这在昆虫致死作用中占主导地位。另外，芽胞可以经虫口进入消化道，在毒素破坏中肠后，菌体可以进入体腔进行大量繁殖，引起幼虫败血症。3.2应用由于过度使用农药给生态环境和农产品出口等领域带来诸多问题；人们更倾向于对生物防治领域的开发，Bt制剂也应运而生；它是开发历史最久，应用最成功的微生物杀虫剂。它具有对人畜和非靶标生物安全、环境兼容性好和不易产生抗性等优点，因此占据了生物农药90%以上的市场；主要用于防治农业害虫烟草夜蛾、菜粉蝶、玉米螟、棉铃虫和森林害虫松毛虫等。另外，自1983年转B2基因烟草问世以来，转基因生物得到迅猛发展；1995年转基因作物开始进入大规模商业化种植阶段，直至现在转Bt基因作物也是全球商品化程度最快的抗虫转基因作物。Bt除了用于传统农业害虫的防治外，它的应用领域还扩展到防治蜜蜂病虫害。由于部分Bt菌株对鳞翅目害虫具有较强的毒杀作用，因此人们可以利用Bt制剂防治蜜蜂的敌害——大蜡螟。大蜡螟属鳞翅目，螟蛾科；它们是世界性害虫，也是蜜蜂最重要的敌害，每年给世界专业养蜂者造成严重的损失。大蜡螟在美国、南非和菲律宾等国造成蜂群经常性的逃亡；在我国造成的损失尚无准确估计，它们对东方蜜蜂的危害较西方蜜蜂严重。大蜡螟的幼虫称为巢虫，又称隧道虫和绵虫；由于幼虫取食巢脾，因此大蜡螟是在幼虫期危害蜂群，经常造成蜂群内的“白头蛹”，严重时白头蛹可达到全部子脾的80%以上。危害轻者影响蜂群的繁殖力，重者造成蜂群的飞逃；通常是弱群更易受到危害，巢虫会在一个月内将整个蜂巢彻底毁掉。对于巢虫造成的危害除了常规的物理和化学方法防治外，还可以利用8七可湿性粉剂或者悬浮液喷洒巢脾和蜂箱进行防治。当蜂群受到巢虫危害时，将Bt制^水溶后立即喷洒在巢脾的两侧，巢虫会在短时间内停止进食，虫体逐渐变黑直至死亡；由于虫龄短的幼虫较虫龄长的更易因感染Bt而死亡，因此在虫害初期进行防治效果会更好。另外，当采收蜂蜜后需要贮存巢脾时，喷洒^制剂的巢脾应该放于避风处干燥，避免阳光直射，一般情况下药效能够持续一个季度。除7Bt制剂的喷洒外，还可以将Bt与蜂蜡混合制成巢脾进行巢虫的防治。与常用的化学防治药物对二氯苯和三氢化磷相比，Bt制剂具有在蜂蜡和蜂蜜中无残留、不会改变蜂蜜的味道、对蜜蜂幼虫和成虫无害以及对人畜无毒等优点，同时也避免了因出口的蜂蜜中含有过量的上述化学药物而被召回的困扰。国内外不少学者就此进行了研究。达克东等在超强表达豇豆胰蛋白酶抑制剂基因转化苹果的研究中使用的赳强启动子来自增加了上游调控序列的甘露碱合成酶的启动子，该启动于启动的GUS基因在烟草中的表达强度分别是35S和双35S启动子的156倍和26倍。中国科学院遗传与发育生物学研究所利用CaMV35S启动子串联因子调控的CpTI基因转化烟草，转基因烟草中CpTI的表达显著提高，但是高效表达引发转基因烟草白化。与此同时，已有许多转双价植物蛋白酶抑制剂基因抗虫植物成功的例子。钱海丰等报道过国外l例利用CpTI和OCI作为蛋白酶抑制剂对不同蛋白酶作用的互补性转双价CpTI-OCI基因的例子，CpTI存在于植物细胞膜外属于膜外周蛋白，它抑制了丝蛋白酶的活性和蛋白水解过程；OCI则抑制了铳基蛋白酶的活性，延缓雌性食草性害虫的生长，从而减少了食草性害虫的受精次数。JohnRon等则将PI-I和PI-II基因转入烟草中，使表达胰蛋白酶抑制剂及胰凝乳蛋白酶抑制剂的转基因烟草植林获得了对烟草灭蛾的抗性。CpTI基因和SKTI基因同时使用的双价抗虫转基因烟草也表现出很好的抗虫效果。4.展望随着人们环保和食品安全意识的增强，在蜜蜂病虫害防治中生物防治会受到更加广泛的关注，而抗虫产业也会迎来宝贵的发展契机。虽然中国对Bt的研究、开发和应用起步较晚，但目前国内Bt制剂已经进入大规模的生产阶段，并且基本具备了生产工艺的基础以及多领域协同研究攻关的社会氛围。因此利用Bt制剂防治蜜蜂病虫害将具有巨大的发展潜力以及广阔的市场前景，但同时也