基于祖先序列重建的Bt Cry2A蛋白杀虫功能进化分子机制研究
批准号:
32102295
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
王奎
依托单位:
学科分类:
植物保护新技术
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
王奎
中文摘要
获得新型、高效、广谱且与现已商业化应用的杀虫蛋白无交互抗性的Bt杀虫蛋白是我国农业害虫防控的重大需求。目前,通过蛋白质工程对现有杀虫蛋白进行改造是Bt领域的研究热点。当代蛋白质是祖先蛋白质谱系随时间不断累积突变进化而来,基于祖先序列重建的方法重现蛋白质功能的历史突变轨迹,能够快速找到功能演化的决定因素,为蛋白改造提供新途径。申请人前期研究发现Bt杀虫晶体蛋白的祖先蛋白对靶标害虫杀虫活性更高,并且出现了功能分割的现象。本项目在前期工作的基础上,通过祖先蛋白和当代蛋白杀虫活性和杀虫特异性的比较分析,结合分子进化特征,重建杀虫蛋白功能演化轨迹;基于定点突变等方法解析其功能进化的分子机制并进行蛋白改造,以期获得活性提高或杀虫谱扩大的新型Bt杀虫蛋白。本项目的实施将有望揭示Bt杀虫晶体蛋白功能进化的分子机制,同时将丰富我国抗虫基因资源,为今后Bt杀虫蛋白改造开辟新途径。
英文摘要
Obtaining novel insecticidal proteins of Bacillus thuringiensis with high activity, broad insecticidal spectrum or no cross resistance to commercialized proteins is a major demand of agricultural insect pest control in China. Currently, the modification of existing insecticidal proteins based on protein engineering is a hotspot on Bt. Protein function evolved as mutations accumulated through time in ancestral protein lineages. Recapitulating mutational trajectories that occurred during evolution based on the ancestral sequence reconstruction method could quickly identify the determinants of protein function evolution and provide new ideas for protein modification. Our previous study found that Bt ancestor insecticidal protein showed higher insecticidal activity against target insect pests compared with modern insecticidal proteins, and appeared the feature of insecticidal function partitioning. Based on the previous work, in this project, the functional evolution process of Bt insecticidal protein will be reconstructed through comparing the insecticidal activity and specificity of ancestral proteins and modern proteins, combined with molecular evolution characteristics. Furthermore, the molecular mechanism of insecticidal functional evolution will be clarified and novel insecticidal proteins with higher activity and broader insecticidal spectrum will be obtained through site-directed mutation and other molecular designing methods. This project will reveal the molecular mechanism of Bt insecticidal protein function evolution, enrich China’s insect-resistant gene resources and open up new ways for future Bt insecticidal protein modification.
苏云金芽胞杆菌(Bacillus thuringiensis,Bt)及其杀虫蛋白在微生物杀虫剂及转基因抗虫植物中的广泛应用,有效减少了化学杀虫剂的使用量,对提高农作物品质、保障全球农业绿色可持续健康发展发挥了极为重要的作用。但是,由于Bt存在杀虫谱窄、对部分害虫毒力相对较低以及随着长期应用引起的靶标害虫抗性问题,因此,获得具有高活性、新杀虫谱以及与现已商业化应用的杀虫蛋白无交互抗性的新型Bt杀虫蛋白成为农业害虫防控的重要需求。本研究立足我国虫害绿色防控需求,以蛋白质结构保守但杀虫功能差异显著的Bt Cry2A蛋白为研究模型,基于祖先序列重建的方法,通过Cry2A祖先蛋白杀虫活性、杀虫特异性功能的测定,结合分子进化特征,重现Cry2A蛋白杀虫功能演化的历史突变轨迹,结果显示Bt Cry2A蛋白杀虫活性出现波动的功能演化轨迹,包括功能丧失、功能弱化以及功能重新进化;通过氨基酸序列比较、三维结构分析结合定点突变的方法鉴定到5个杀虫功能进化的关键氨基酸位点;结合分子改造方法获得多种高效的新型杀虫蛋白。本项目研究结果有助于我们理解Bt蛋白在漫长进化历史中杀虫功能的演变过程及分子机制,为今后Bt杀虫蛋白的改造提供新思路,对丰富我国抗虫基因资源、促进农业绿色可持续健康发展具有重要的理论和实践意义。
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