基于CRISPR建立“精確引導(dǎo)的昆蟲不育技術(shù)”平臺大幅提高致死效率

斑翅果蠅是一種入侵世界諸多地區(qū)的作物害蟲，對水果生產(chǎn)造成了重大的農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)損失。斑翅果蠅將卵深深地產(chǎn)在不腐爛的成熟果實的軟肉中，導(dǎo)致果實損壞，且限制了噴霧式殺蟲劑的有效性。櫻桃、覆盆子、黑莓、藍(lán)莓、草莓、桃子、李子、油桃、葡萄，橄欖、西紅柿、獼猴桃、無花果和蘋果都被發(fā)現(xiàn)受其危害。2008年，在美國加利福尼亞州、俄勒岡州和華盛頓州，斑翅果蠅導(dǎo)致的損失估計50億美元。

目前用于抑制斑翅果蠅種群的主要方式是殺蟲劑。然而，越來越多的證據(jù)表明，斑翅果蠅正在對殺蟲劑產(chǎn)生有可能廣泛的抗藥性?？紤]到這些非特異性廣譜殺蟲劑對環(huán)境的影響，尋找環(huán)境友好的害蟲管理方法十分必要。

近日，加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員將基于CRISPR的新技術(shù)應(yīng)用在了斑翅果蠅的控制上。

該校生物科學(xué)學(xué)院細(xì)胞與發(fā)育生物學(xué)系教授阿卡巴里和肯多爾等其他研究人員于2019年首次在普通果蠅中展示了“精確引導(dǎo)的昆蟲不育技術(shù)”。該方法使用可編程的CRISPR技術(shù)來編輯控制昆蟲性別決定和生育能力的關(guān)鍵基因，后來也被證明適用于蚊子。

阿卡巴里共同創(chuàng)立了生物技術(shù)公司Agragene，該公司已從加州大學(xué)Riverside分校（Akbari最初領(lǐng)導(dǎo)該技術(shù)的開發(fā)）獲得了pgSIT基礎(chǔ)技術(shù)許可，并正在實施由美國農(nóng)業(yè)部管理的pgSIT田間試驗。該公司希望這些試驗?zāi)軌蜃C明pgSIT的安全性和有效性，并能通過監(jiān)管部門批準(zhǔn)，以在農(nóng)業(yè)上廣泛應(yīng)用。

pgSIT開發(fā)的昆蟲卵被部署到目標(biāo)種群中，只有不育的雄性昆蟲才能孵化；不育雄性交配后產(chǎn)生的后代不育，從而達(dá)到抑制種群數(shù)量的目標(biāo)。

“這是一個安全、進(jìn)化穩(wěn)定的系統(tǒng)?！卑⒖ò屠镎f，“此外，該系統(tǒng)不會導(dǎo)致不受控制的傳播，也不會在環(huán)境中持續(xù)存在——這兩項重要的安全保障都將有助于其獲得使用批準(zhǔn)?！?/p>

昆蟲不育技術(shù)（SIT）已經(jīng)使用了半個多世紀(jì)。而其背后的概念可以追溯到20世紀(jì)30年代，當(dāng)時農(nóng)民找到了將不育雄性釋放到田間以減少害蟲的方法。到本世紀(jì)中葉，美國農(nóng)民開始使用紫外線輻射對螺旋錐蠅進(jìn)行不育誘導(dǎo)。

SIT一般通過反復(fù)釋放絕育的雄性昆蟲來抑制種群，這些不育的雄性將與野生雄性競爭，以與野生雌性交配。為了有效地利用昆蟲不育技術(shù)，理想的解決方案是：（1）大規(guī)模飼養(yǎng)昆蟲，（2）對雌性進(jìn)行有效的遺傳選擇，（3）確保雄性不育，（4）培育具備環(huán)境適應(yīng)力和性競爭力的雄性，（5）具有成本效益的運(yùn)輸和部署、田間投放措施。

傳統(tǒng)SIT利用DNA損傷（如紫外線輻射）來產(chǎn)生絕育雄性，因此需要按照較大的雄/雌比例釋放雄性才能抑制當(dāng)?shù)胤N群。

而阿卡巴里之前通過普通果蠅和埃及伊蚊開發(fā)的基于下一代昆蟲不育技術(shù)的方法，稱為“精確引導(dǎo)昆蟲不育技術(shù)（pgSIT）”，利用CRISPR/Cas9技術(shù)對導(dǎo)致雌性致死性和雄性不育的特定基因突變位點進(jìn)行編程誘導(dǎo)。

如上圖所示，圖A展示了經(jīng)典SIT依靠輻射對蛹或成年蒼蠅進(jìn)行絕育，然后去除其中雌性，釋放雄性。結(jié)果，在環(huán)境中釋放的每只雄性都以一倍的比例規(guī)模進(jìn)行飼養(yǎng)、絕育和性別分類。

SIT和pgSIT的比較

而在pgSIT中，如圖B所示，含有Cas9和gRNA的親本之間進(jìn)行雜交，靶向?qū)Υ菩陨婺芰托坌陨芰χ陵P(guān)重要的基因?qū)В瑥亩鴮?dǎo)致靶向基因的破壞，以達(dá)到雌性致死和子代中的雄性不育。每個親本雌性可以產(chǎn)生多達(dá)300個后代，其中50%將是絕育的雄性，也就是每個雌性產(chǎn)生150個不育雄性。

這使得pgSIT潛在的擴(kuò)展優(yōu)勢為150倍。此外，傳統(tǒng)的SIT需要處理和釋放成年雄性，人工操作大大提高了其成本。而使用pgSIT，卵可以直接在環(huán)境中部署和孵化，從而消除了手動釋放不育雄性的需求。

而在該研究中，他們設(shè)計了一個針對斑翅果蠅的pgSIT系統(tǒng)，可用于產(chǎn)生有競爭力的不育雄性。正如所設(shè)想的那樣，經(jīng)過pgSIT處理的卵可以在實驗室生產(chǎn)，在被害蟲入侵的地點釋放。大約兩周后，只有不育的雄性才會孵化。由于只有兩個基因被敲除，雄性顯得足夠健康，可以與野生雄性進(jìn)行競爭，并迅速尋找雌性交配，從而產(chǎn)生不可育的后代。

值得注意的是，在某些株系中，其pgSIT 技術(shù)可以產(chǎn)生高達(dá)100%的不育雄性，所有雌性都死亡或轉(zhuǎn)化為雙性。不過，盡管有這些顯著的結(jié)果，并非所有都完美，這可能取決于多種因素，包括Cas9的maternal deposition和其他未開發(fā)的因素，例如轉(zhuǎn)基因插入位置和/或gRNA靶序列。鑒于這些結(jié)果，有可能通過靶向其他基因來進(jìn)一步改善該系統(tǒng)。

“這項技術(shù)將取代對殺蟲劑的需求”阿卡巴里說，“在過去的四年里，我們?yōu)閹讉€不同的物種開發(fā)了 pgSIT。展望未來，我們希望將其用作平臺技術(shù)，可以移植到各種害蟲中去，以安全地解決現(xiàn)實世界的問題。”