至今為止，世界上所有商業化應用的轉Bt基因抗蟲作物中的Bt蛋白質均在細胞質内積累。但近幾年的研究表明，在細胞質内積累外源抗蟲蛋白質可能會産生非期望效應。如大陸獲得安全證書的轉基因水稻華恢1号表達的外源抗蟲蛋白質Cry1Ab/c與細胞内源蛋白質Hd3a等存在互相作用（Front Bioeng Biotechnol, 2020, 8: 685; Front Plant Sci, 2021, 12: 608721; Front Bioeng Biotechnol, 2021, 9: 759016），導緻轉化體産生非期望效應，嚴重影響了該轉化體的育種應用前景。最近，中國科學院亞熱帶農業生态研究所肖國櫻研究團隊的李華博士分别在Plant Cell, Tissue and Organ Culture和Pest Management Science雜志上發表文章，報道了在細胞壁積累抗蟲蛋白質的新技術，徹底解決了抗蟲蛋白質高表達造成非期望效應的問題，可能給轉基因抗蟲作物育種帶來革命性的變化！
事實上，中國科學院亞熱帶農業生态研究所肖國櫻研究團隊早就注意到了抗蟲蛋白質在細胞内的高表達可能存在負效應這個問題。Bt抗蟲蛋白質中的Cry1C具有殺蟲譜寬、半緻死劑量低的優點，應用前景非常誘人（Plant Science, 2009, 176: 315-324）。他們在10多年前就開始研發轉Cry1Ca基因的抗蟲水稻，獲得的水稻轉化體B1C893-6葉片中Cry1Ca蛋白的表達量高達35.07 μg/g，表現出很好的抗蟲性。但是，外源基因高表達帶來的非期望效應也很明顯，表現為株高變矮、穗長變短、實粒數減少、結實率降低、生育期延長等（雜交水稻, 2014, 29: 67-71)。随後研發的轉基因水稻B1C106-3（Journal of Integrative Agriculture, 2018, 17(3): 493-506）葉片中Cry1Ca蛋白質的積累量為11.30 μg/g，也産生了實粒數變少、結實率降低、産量降低的非期望效應。另外1個轉基因水稻E1C608-3（中國生物工程雜志, 2019, 39(11): 31-38）葉片中Cry1Ca蛋白質的含量為8.72 μ/g，同樣表現出了株高變矮、穗變短、每穗總粒數減少和結實率降低等非期望效應。隻有當葉片中Cry1Ca蛋白質的平均含量低至1.59 µg/g時，水稻轉化體E1C4008S-4才沒有檢測到明顯的非期望效應（Rice Science, 2020, 7(3): 215-226）。如果高表達Bt蛋白産生非期望效應的現象普遍存在，這将導緻抗蟲蛋白表達量高的轉化體非期望效應大，非期望效應小的轉化體抗蟲蛋白表達量低，抗蟲性和其它農藝性狀不能兼顧。此外，如果生産上不使用抗蟲蛋白表達量高的轉化體，将會給抗蟲作物高劑量/庇護所政策的實施帶來嚴重阻礙，可能導緻靶标害蟲快速進化出對抗蟲蛋白的抗性，這将大大縮短Bt抗蟲作物的經濟壽命。
為了解決Cry1Ca蛋白在細胞内高表達所帶來的非期望效應問題，他們獨辟蹊徑，利用碳水化合物結合子產品能結合纖維素等碳水化合物的特性，以及伸展蛋白信号肽引導胞外分泌的功能，創造了能分泌到胞外并錨定在細胞壁上的抗蟲融合蛋白質，實作了在植物細胞壁定向積累抗蟲蛋白質、賦予宿主植物對靶标害蟲高抗性的同時，避免了非期望效應的發生。首先，他們利用組織切片、愈傷組織塗片、石蠟切片免疫熒光和原生質體分離等方法證明了伸展蛋白信号肽能引導抗蟲蛋白質分泌到胞外，碳水化合物結合子產品能把抗蟲蛋白質錨定在細胞壁上（Plant Cell, Tissue and Organ Culture, 2023, 154: 527-539）。然後，他們利用這個政策獲得了轉融合抗蟲蛋白基因的水稻，檢測到轉化體葉片中Cry1Ca蛋白含量最高達到17.5 μg/g，對鱗翅目害蟲的緻死率達到100%；最重要的是，得到的純合轉化體雖然葉片中Cry1Ca蛋白含量比B1C106-3和E1C608-3葉片中的都高，但是并沒有出現B1C106-3和E1C608-3所出現的非期望效應（Pest Management Science, 2024, 80: 1728-1739）。之後，他們把這個政策應用到玉米上，獲得的轉Cry1Ca基因的玉米轉化體葉片飼喂草地貪夜蛾4天，緻死率就能達到100%（圖1）。
圖1 細胞壁積累Cry1Ca抗蟲蛋白質的玉米轉化體對草地貪夜蛾的抗性細胞壁定向積累抗蟲蛋白質技術的建立，能夠避免外源Bt蛋白質與細胞内源蛋白質可能存在的互相作用，獲得抗蟲性和農藝性狀俱佳的轉化體，突破了所有轉基因作物均在細胞質内積累外源蛋白質的技術桎梏，為培育轉基因抗蟲作物提供了一條全新的技術路線，可能給轉基因抗蟲作物育種帶來一場革命，進而改寫轉基因抗蟲作物育種的曆史。參考文獻[1]Fu J and Liu B. Exogenous Cry1Ab/c protein recruits different endogenous proteins for its function in plant growth and development. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 2020, 8: 685. https://doi.org/10.3389/fbioe.2020.00685[2]Fu J, Liu G and Liu B. Foreign Cry1Ab/c delays flowering in insect-resistant transgenic rice via interaction with Hd3a florigen. Frontiers in Plant Science, 2021, 12: 608721. https://doi.org/10.3389/fpls.2021.608721[3]Fu J, Shi Y, Liu L and Liu B. Cellular localization of exogenous Cry1Ab/c and its interaction with plasma membrane Ca2+-ATPase in transgenic rice. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 2021, 9: 759016. https://doi.org/10.3389/fbioe.2021.759016[4]Li H, Deng L, Weng L, Li J, Yu J and Xiao G. The carbohydrate‑binding module mediates mCherry protein anchoring on the cell wall in rice. Plant Cell, Tissue and Organ Culture, 2023, 154: 527-539. https://link.springer.com/article/10.1007/s11240-023-02471-0[5]Li H, Deng L, Weng L, Li J, Hu W, Yu J, Xiao Y and Xiao G. Cell wall-localized Bt protein endows rice high resistance to Lepidoptera pests. Pest Management Science, 2024, 80: 1728-1739. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ps.7901
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