Bt基因的前世今生

                               吉林省农业科学院玉米研究所 刘俊

    Bt基因即是苏云金芽胞杆菌(Bacillus thuringiensis，简称Bt)基因，因其表达产物Bt毒蛋白杀虫效果好、安全、高效等优点而成为应用最为广泛的杀虫基因。苏云金芽胞杆菌是一种需氧型的革兰氏阳性土壤细菌，即可被革兰氏染色的细菌。

    19世纪末期，日本的养蚕业遭受到猝倒病的严重打击。这是一种细菌性疾病，它传染迅速、发病急、死亡率高。被感染的病蚕会突然停止进食，然后全身颤抖，逐渐死亡。1901年，日本细菌学家石渡繁胤(Shigetane Ishiwata)成功地分离出了猝倒病的病原体。在显微镜下，病原体细菌呈棒状，是一种杆菌。石渡繁胤将它命名为猝倒杆菌。10年后，德国苏云金镇一家面粉厂的老板注意到一个奇怪的现象。他发现地中海粉螟会在面粉中取食、产卵，导致面粉变质。然而有一次，这种蛾子的幼虫吃过面粉后，却大规模死亡了。面粉厂老板决定求教科学家。他把样品寄到了德国科学家恩斯特贝尔林纳(Ernst Berliner)的实验室。经过仔细地研究，贝尔林纳像石渡繁胤一样成功地分离出了病原体杆菌。不过他并不知道石渡繁胤的发现，所以将其命名为苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis, 简称Bt)。

    不过，贝尔林纳不久之后就把培养苏云金芽孢杆菌的培养基弄丢了。幸运的是，马特斯( Mattes)在1927年重新从地中海粉螟中分离出了苏云金芽孢杆菌。并且发现，苏云金芽孢杆菌对鳞翅目昆虫的有很高的杀虫特异性，而对其他动物几乎没有什么不良影响。
    20世纪20年代，美国政府试着用苏云金芽孢杆菌控制森林害虫舞毒蛾，结果取得良好的效果。接着，法国在1938年成功研制出了第一个商业化的苏云金芽孢杆菌杀虫剂。20世纪60年代，由于《寂静的春天》一书揭示了当时几种主要农药对于鸟类存在危害，故有机氯农药逐步被弃用。而苏云金芽孢杆菌作为绿色有机农药，在美国开始被大规模地应用。
    既然苏云金芽孢杆菌可以直接做成农药喷洒，为什么还要开发转基因植物呢？这就不得不提到苏云金芽孢杆菌的缺陷了。首先，大规模培养苏云金芽孢杆菌的成本非常高，导致Bt杀虫剂价格一直居高不下。其次，苏云金芽孢杆菌在自然环境中很不稳定，在强光照射下会很快失活，失去药效。使用Bt杀虫剂，必须反复多次喷洒才有效果。因此，采用Bt杀虫剂，直接灭杀棉铃虫的效果并不理想。20世纪中叶，科学家发现苏云金芽孢杆菌对鳞翅目昆虫的毒性是来自孢子形成过程中产生的杀虫晶体蛋白（简称毒蛋白）。1981年，美国科学家史涅夫(Schnepf)和怀特利(Whiteley)成功提纯了这种蛋白并命名为cry。随后他们克隆出了cry蛋白的基因。现在我们都知道，cry蛋白是一个蛋白质家族。尽管它们之间的氨基酸顺序和杀虫特异性有所不同，但都是由3个结构相似结构域组成。Bt毒蛋白在伴孢晶体内是以内毒素的形式存在，具有高度的专一性，只能造成靶标昆虫死亡，而对非靶标人、畜、哺乳动物无害。内毒素本身不具备活性，Cry 蛋白被敏感昆虫摄取后，由于昆虫中肠内为碱性条件，蛋白被溶解被酶消化，形成小分子的活化片段即核心毒素，这些核心毒素与昆虫中肠部位上皮细胞表面的特异性受体结合，插入细胞膜形成空洞，从而引起上皮细胞破裂，水分大量流入细胞，中肠功能紊乱，最终导致昆虫死亡。1990年，孟山都公司利用转基因技术，合成Bt杀虫基因，并导入棉花中获得了转基因抗虫棉，使美国成为第一个拥有抗虫棉的国家。

    两年后的1992年，我国北方产棉区棉铃虫大暴发，当年的发生量为常年的20倍以上。在山东、河北、河南等重灾区，棉花减产达50%，有的地区几乎绝收。棉花产业几乎毁于一旦，农民谈虫色变，欲哭无泪。随后几年，棉铃虫在全国范围内连续暴发。原先，平均亩产65千克左右的棉花减少到11.5千克。当时棉纺织业是国家出口创汇的主导产业，由此每年给国家造成几十亿甚至上百亿元的经济损失。当时，为了防治棉铃虫，农民把各种农药统统都用上，有的甚至用农药原液浸泡害虫，但棉铃虫的抗性却在不断提高，而随着农药用量的不断增加，棉铃虫的天敌也被杀死，失去天敌的棉铃虫更加泛滥成灾。据不完全统计，1992年全国农药的产量约为20万吨，而为防治棉铃虫消耗的农药为15万吨左右，占全国农药产量的四分之三。大量农药的喷施，不仅增加了农民的生产成本，还严重破坏了生态环境，而且由于喷施农药造成人员中毒死亡事件时有发生。转基因技术是高效发挥苏云金芽孢杆菌灭虫能力的最有效手段，培育转基因抗虫棉品种成为解决棉铃虫危害的必选措施。
   为了更好更快地研制出国产转基因抗虫棉，全国20多家科研单位、数百名科技人员在“863”等重大科技计划的支持下，通过花粉管通道法成功将Bt杀虫基因导入到我国棉花主栽品种中，使其抗虫能力达到80%以上。1993年底，我国成为继美国之后，第二个成功研制出抗虫棉的国家。1997年，经过一系列测试，中国国产转基因抗虫棉获准进入商业化生产。

    今天，Bt基因已经成为转基因技术中最广泛应用的基因之一。由于其具有杀虫活性高、杀虫谱较广、不污染环境、对人畜安全等特点，Bt基因已被广泛地应用于玉米、水稻、小麦、大豆等主要粮食作物。截至 2018 年，全球一共分离克隆了852个Bt 基因。2009年，由我国科学家自主研发的Bt抗虫转基因水稻“华恢1号”和“Bt汕优63”首次获得农业部为转基因水稻颁发的安全证书；2019年Bt抗虫转基因玉米“DBN9936”和“瑞丰125” 也获得了农业转基因生物安全证书（生产应用）。迄今已有40余种转Bt基因玉米事件被26个国家批准进入商业化种植或饲料食品加工。近年来，随着鞘翅目害虫对作物的危害日趋严重，更多的转Bt基因作物也将被应用于生产实践当中。