农民依靠农药来控制农业害虫。但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开发并成功测试了一种策略，利用基因组学来尽早监测和识别对特定毒素的新出现的耐药性，早在它成为一个普遍问题之前。这项工作将使农民能够减轻抵抗力并延长害虫防治工具的有效性。

“全球粮食安全和公共卫生保护依赖于有效的害虫管理策略，但就目前情况而言，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新技术的速度来管理它们，”马里兰大学昆虫学副教授、该研究的资深作者梅根·弗里茨(MeganFritz)说。“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，包括贪婪的、破坏农作物的毛毛虫，即玉米耳虫。但玉米穗虫已经对其中一些毒素产生了广泛的抗药性，目前还不清楚农民如何延长剩余毒素的有效性，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药性。

在2021年发表的一篇论文中，Fritz和她的团队表明，基因组工具可用于检测玉米螟虫中抗药性进化的迹象，而这种迹象早于玉米螟虫能够导致管理作物大面积歉收的四年。

但该团队使用的方法更适合研究，而不是在农业中广泛使用，因为它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和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，并确定了导致对多种称为Bt毒素的毒素产生抵抗力的特定基因组变化。玉米穗虫已在很大程度上对三种Bt毒素中的两种(Cry1Ab和Cry1F)产生了抗性。第三种毒素称为Vip3A，是唯一对玉米穗虫仍然有效的Bt毒素。

为了测试他们的新策略，研究人员首先对从仅表达单个Cry毒素的玉米中收集的玉米穗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穗虫的基因组进行了比较。

他们发现，仅在一代人的接触后就可以检测到对毒素具有抵抗力的基因组特征。研究小组还确定了具有突变的特定基因，这些突变可以解释毒素抗性。这些基因编码的消化酶可以将Cry毒素切成小块，从而可能阻止它们杀死毛毛虫。

Fritz和她的团队随后使用相同的基因组测序方法来识别从表达Vip3A毒素的玉米中收集的玉米穗虫的变化。他们不仅识别出Vip3A耐药性出现的早期预警信号，而且还描​​述了预防耐药性的常见策略实际上如何促进Vip3A耐药性。

不表达Bt的玉米通常种植在Bt玉米附近，这样玉米穗虫就有了躲避Bt毒素的庇护所。据信，以非Bt玉米为食的玉米穗虫不会接触Vip3A，从而保持对其的敏感性。这将使易感玉米穗虫能够比抗性玉米穗虫更大量地持续存在和繁殖。人们的想法是，这种策略可以防止或减缓玉米穗虫种群中抵抗力的积累。

然而，Fritz的团队发现，四行Bt玉米中种植的非Bt玉米表达了一定程度的Bt毒素，包括Vip3A。这可能是由于风授粉导致Bt花粉落在非Bt玉米上。随着它们的生长，一些非Bt谷粒被“污染”并表达Vip3A毒素。研究小组的结果表明，为了防止抗性而将非Bt玉米与Bt玉米套种(有时称为“种子混合避难所”)，实际上可能会使毛毛虫接触低水平的Vip3A，并加速Vip3A抗性的出现。

Fritz的工作表明，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。