殺蟲劑的選擇性與害蟲抗藥性問題探討

郭子俊 孫志偉 桂富榮

(云南農(nóng)業(yè)大學植物保護學院，云南 昆明 650201)

前言

當今，人口總量不斷增長，有機構(gòu)預測2025年的人口總數(shù)量會達到90億。人口的增長給予農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更大的壓力，也對農(nóng)作物的產(chǎn)量提出了更高的要求。農(nóng)業(yè)種植需要提高生產(chǎn)效率，確保產(chǎn)量與質(zhì)量，以滿足人們的需求。在當前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，精細的作物生產(chǎn)模式給一些害蟲創(chuàng)造了可乘之機。害蟲會破壞植物生長，降低作物質(zhì)量，使農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量下降?；谵r(nóng)作物種植中害蟲泛濫的情況，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，針對農(nóng)作物種植采取一系列保護行為能夠有效保證糧食產(chǎn)量和質(zhì)量安全。昆蟲作為重要的農(nóng)業(yè)害蟲，是限制農(nóng)作物生長的原因之一。化學防治適用于農(nóng)業(yè)害蟲大面積防治，具有效率高、見效速度快等優(yōu)勢，是農(nóng)業(yè)害蟲防治的主要手段。一直以來，化學防治在農(nóng)作物害蟲防治方面發(fā)揮了重要的作用。但隨著化學殺蟲劑大范圍應用，一系列嚴重問題也顯現(xiàn)出來。害蟲在化學殺蟲劑長期使用的情況下，對于一般的殺蟲劑多少都產(chǎn)生了一定的抗性，這降低了殺蟲劑的成本使用效果，從而不利于農(nóng)作物害蟲防治。據(jù)研究顯示，至今已有500多種昆蟲對一種或多種常用的殺蟲劑產(chǎn)生了抗藥性。害蟲產(chǎn)生了抗藥性，原先的防治效果只能通過增加劑量和使用頻率來實現(xiàn)，而長此以往，劑量和頻率的增加會使害蟲的抗藥性得到更大提升，形成一個惡性循環(huán)。

靶標敏感性降低和解毒代謝的增強是害蟲對與化學殺蟲劑產(chǎn)生抗性的主要機制，也是研究的重點。昆蟲體內(nèi)的殺蟲劑靶標位點或組成發(fā)生變化都可能導致殺蟲劑于靶標之間的親和力降低，靶標敏感性下降等，從而使得昆蟲產(chǎn)生抗藥性。同時，殺蟲劑達到昆蟲靶標的量較少，大部分進入昆蟲體內(nèi)的殺蟲劑都被解毒酶儲存在脂肪中或排出體外。增加昆蟲體內(nèi)這些解毒酶的代謝能力，可以減少殺蟲劑達到靶標的劑量，提高昆蟲對殺蟲劑的抗性。因此明確殺蟲劑的選擇性和害蟲的抗藥性，合理研制、利用殺蟲劑對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的意義。

1 靶標敏感性下降導致昆蟲抗藥性

1.1 靶標突變導致的敏感性下降

1.1.1 單個氨基酸位點突變

受到殺蟲劑作用的靶標被賦予了藥物效應，其是在昆蟲和殺蟲劑之間的相互作用中產(chǎn)生一種特殊并確定的分子。昆蟲神經(jīng)系統(tǒng)中重要的受體、酶、離子通道等是當前常見殺蟲劑中的靶標。根據(jù)一些實驗數(shù)據(jù)，在殺蟲劑和靶標的相互作用背景下，只需要單個的靶蛋白的氨基酸位點突變或許就會造成昆蟲對殺蟲劑的敏感性下降，使昆蟲的抗藥性得到提高。其中，擊倒抗性是昆蟲對DDT和擬除蟲菊酯類殺蟲劑的主要抗性機制之一。擊倒抗性在生產(chǎn)作物的有害昆蟲中很常見到，有調(diào)查顯示，到目前為止，已檢測到50多個kdr突變位點。其中一些在許多昆蟲中都有發(fā)現(xiàn)。由此可見，某些氨基酸位點在農(nóng)藥與靶標的互作中起著重要的作用。因此可以得出結(jié)論：某些單個氨基酸位點突變會造成靶標敏感性下降。

1.1.2 多個氨基酸位點突變

有研究表示，除了個別氨基酸位點的突變可導致敏感性降低外，同時多個氨基酸的突變也可以提高昆蟲抗藥性，或彌補個別氨基酸突變所造成的適應成本。以擬除蟲菊酯對昆蟲做實驗，研究其擊倒抗性和超擊倒抗性的結(jié)果能夠明顯地體現(xiàn)這一觀點。有實驗研究顯示，對某種昆蟲進行實驗，多個氨基酸位點同時突變時存在對抗性的貢獻度是單個氨基酸位點突變的20多倍。由此可知，多個氨基酸位點突變也能造成靶標敏感性下降的情況。

1.2 表達量變化導致的敏感性下降

除了氨基酸突變引起的靶標敏感性下降，使得靶標的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)遭到了改變，針對由多個亞基所構(gòu)成的離子通道或者受體來說，如果靶標的表達量產(chǎn)生變化，其敏感性也有可能下降。而靶標的敏感性下降，會使害蟲對于殺蟲劑產(chǎn)生抗藥性或提高害蟲對殺蟲劑的抗藥性，不利于農(nóng)作物的安全高效種植。一些研究表明，有些對某種殺蟲劑產(chǎn)生抗藥性的昆蟲體內(nèi)靶標的表達量低于敏感品系。

2 解毒酶代謝能力增強導致昆蟲抗藥性

2.1 解毒酶的上調(diào)表達

上調(diào)表達是細胞色素P450、羧酸酯酶、谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶等解毒酶參與抗性的主要途徑。有實驗表明，褐飛虱對有機磷類殺蟲劑抗藥性較高的主要原因是其體內(nèi)羧酸酯酶表達量的提高。昆蟲的谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶在其對抗有機氯類殺蟲劑、有機磷類殺蟲劑和擬除蟲菊酯類殺蟲劑中解毒代謝的過程中形成了很大的影響。近年來的研究表示，UDP-葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)移酶、ABC運轉(zhuǎn)蛋白等都能夠參與到昆蟲對殺蟲劑解毒代謝的過程中。有實驗研究證實，ABC運轉(zhuǎn)蛋白在昆蟲抗藥機制中起到重要的作用。

2.2 解讀酶過量表達的調(diào)控機制

研究表明，解毒酶和轉(zhuǎn)運蛋白基因的過量表達是由順式作用因子、反式作用因子和順式作用與反式作用因子共同參與的，這些因子構(gòu)成了一個相互調(diào)節(jié)控制的網(wǎng)絡。并且，在與昆蟲的抗藥性有關聯(lián)的一些基因的表達中，起到重要作用的是其中的某些轉(zhuǎn)錄因子。目前CncC:Maf轉(zhuǎn)錄因子已經(jīng)將由多個實驗被證實在多個種類的昆蟲體內(nèi)參與一些解毒酶的調(diào)控。

2.3 解毒酶的突變與基因復制

解毒酶的突變可以使其活性得到增強，從而進一步推進其新陳代謝能力，解讀酶代謝能力的提高會增強害蟲的抗藥性，但活性增加會使得穩(wěn)定性下降，有部分研究認為，解毒酶突變在解毒酶導致的抗藥性中起到次要作用。在相同的種類里，突變、基因復制、表達量上調(diào)等情況一起進行，是解毒酶可能會采取的方式，使昆蟲的抗藥性增強。

3 殺蟲劑的選擇性機制

殺蟲劑的選擇性指殺蟲劑能夠只對某種害蟲或多種害蟲有致死性，而對其它非靶標生物無害。有些殺蟲劑還能夠在防治害蟲的同時保護其天敵，不僅能夠達到農(nóng)產(chǎn)品防治效果，還能使生態(tài)系統(tǒng)的多樣性得到維護。因此，研究殺蟲劑的選擇機制對于農(nóng)作物防治來說十分重要。靶標的選擇性和代謝差異的選擇性是殺蟲劑研制過程中其選擇性的殺蟲劑的重要機制。

3.1 作用靶標的選擇性

作用靶標的選擇性是目前很多殺蟲劑更加關注與追求的，這種選擇性主要來自于兩種情況。殺蟲劑的作用靶標為昆蟲所特有。這個種類的殺蟲劑可以看作是昆蟲的生長調(diào)節(jié)劑，能夠?qū)ハx的生長進行調(diào)節(jié)；如，對蛻皮激素受體產(chǎn)生作用的蛻皮激素類似物、對保幼激素受體產(chǎn)生作用的保幼激素類似物等。殺蟲劑的敏感性對不同的物種來說是不同的。殺蟲劑作用靶標是具有藥物效應的特定分子，這些靶標主要為昆蟲生命活動中不可缺少的，生物學功能的離子通道、酶或者結(jié)構(gòu)蛋白等；有些實驗顯示，選擇性殺蟲劑和靶標的互作具有相互的特異性要求，昆蟲中同一個物種中不同的群體或者不同的物種之間對于殺蟲劑的敏感程度差別很大的原因有可能為靶標蛋白關鍵功能位點的氨基酸存在差異。由此可見，想要使殺蟲劑研制成果同時具有選擇性和高活性的條件是與昆蟲的重要功能蛋白發(fā)生特異性互作。隨著人們環(huán)保意識的提高和生態(tài)農(nóng)業(yè)理念的興起，殺蟲劑對于害蟲和害蟲天敵的選擇性也更加受到人們關注，相關研究也在不斷深入。

3.2 代謝差異的選擇性

對于不一樣的生物體而言，殺蟲劑對其選擇毒性是不一樣的。生物的代謝是殺蟲劑選擇毒性程度的重要因素。生物的代謝水平不同，對于殺蟲劑的抗藥性也不同。害蟲和非靶標生物的殺蟲劑選擇性在一定程度上取決于代謝水平的差異。生物體體內(nèi)解毒酶基因的數(shù)量、代謝活性、豐富度等都會影響其對于殺蟲劑的代謝能力，從而使選擇毒性受到影響。在殺蟲劑的選擇性研究方向上，對于靶標差異的研究較多，而對于代謝水平差異的選擇性的相關研究不多。

4 相關問題

4.1 抗性基因的鑒定

從當前來看，根據(jù)各種調(diào)查和研究顯示，多種農(nóng)作物有害昆蟲對于許多殺蟲劑都具有一定的抗藥性。害蟲抗藥性問題在化學防治過程中已較為普遍。并且，隨著各種新的殺蟲劑不斷被應用，害蟲發(fā)生和發(fā)展抗藥性的概率增大，相關研究中的數(shù)據(jù)正在逐漸增加。因此，抗性基因的鑒定對于研究害蟲抗藥性機制具有重要意義，進行抗性基因鑒定有利于在殺蟲劑研發(fā)和設計階段增加對害蟲的致死率，減少抗藥性的發(fā)生，從而提高殺蟲劑的使用效率，降低化學防治成本，保護生態(tài)環(huán)境與消費者健康。對殺蟲劑靶標基因的變異鑒定相對較為容易，并且具有可預期性。而在代謝抗性相關的基因方面，因為數(shù)量較多，并且參與代謝抗性的基因家族數(shù)量仍在上升，基因鑒定變得更加困難和復雜。但是代謝抗性基因的鑒定是非常重要的。近年來，技術(shù)的不斷進步為基因鑒定提供了一定的技術(shù)基礎，高通量測序技術(shù)、新型基因功能驗證技術(shù)等的發(fā)展，都推動了靶標和代謝抗性的基因鑒定工作，有利于抗性基因鑒定的深入研究。

4.2 昆蟲抗藥性基因調(diào)控網(wǎng)絡

代謝抗性研究的主要內(nèi)容之一就是解毒酶和轉(zhuǎn)運蛋白介導的有害生物抗藥性機理。通過基因突變、擴增和上調(diào)表達等方式，這些解毒酶和轉(zhuǎn)運蛋白參與了昆蟲對殺蟲劑的抗藥性。與抗藥性有關的解毒酶和轉(zhuǎn)運蛋白基因的過量表達受到順式作用分子、反式作用分子、順式和反式作用因子的聯(lián)合調(diào)控，在其控制之下形成了交叉調(diào)控網(wǎng)絡。其中，一些轉(zhuǎn)錄因子是重要因素。因此，想要明確有害生物抗藥性調(diào)控網(wǎng)絡的機理，就應對這些因子的原因、規(guī)律進行研究。

4.3 殺蟲劑靶標結(jié)構(gòu)生物學與選擇性殺蟲劑的開發(fā)

選擇性殺蟲劑和靶標的互作具有相互的特異性要求，這二者之間的變化會造成昆蟲中同一個物種中不同的群體或者不同的物種之間對于殺蟲劑的敏感程度差別很大。因此，在進行殺蟲劑的研制與開發(fā)中，應該基于有害生物藥敏性分子結(jié)構(gòu)生物學，對分子靶標的藥敏性、抗藥性位點進行明確，設計合成親和性高、選擇性強的農(nóng)藥小分子，提高殺蟲劑的效率。當前，基于已知藥劑靶標結(jié)構(gòu)進行農(nóng)藥創(chuàng)制并未取得較大成就，其主要是因為靶標及靶標蛋白結(jié)構(gòu)并非直接來自于害蟲，而是來自于非靶標生物的同源蛋白。所以，雖然在實驗中可以觀察到殺蟲劑對靶標有很好的結(jié)合力，但在真正應用中對害蟲的作用卻很低。因此，應對害蟲的殺蟲劑作用靶標的結(jié)構(gòu)生物學進行深入研究，為設計農(nóng)藥分子提供數(shù)據(jù)參考。

5 結(jié)語

害蟲對農(nóng)作物具有很強的危害性，會影響產(chǎn)品產(chǎn)量及質(zhì)量，從而不利于我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?；瘜W防治是當前我國農(nóng)作物種植中針對害蟲危害的主要防治手段，其具有見效快、效率高、方便快捷等優(yōu)點，同時也帶來了一系列問題。這些問題如不被重視，會對人類健康和生態(tài)環(huán)境造成雙重危害。本文主要研究殺蟲劑的選擇性與害蟲抗藥性，探討了靶標敏感性下降導致昆蟲抗藥性和解毒酶代謝能力增強導致昆蟲抗藥性，研究了殺蟲劑的選擇性機制，分析了抗性基因的鑒定、昆蟲抗藥性基因調(diào)控網(wǎng)絡、殺蟲劑靶標結(jié)構(gòu)生物學與選擇性殺蟲劑的開發(fā)等相關問題。研究殺蟲劑的選擇性和害蟲的抗藥性，明確其機制，對于研制、利用殺蟲劑具有重要意義。希望本文能為相關理論與實踐研究提供一定參考。