第三讲 害虫抗药性机制在线视频

同学们 大家好

我是来自中国农业大学

植物保护学院的梁沛

今天我们来接着学习

昆虫对杀虫药剂产生抗性的机制

我们说

杀虫药剂使用一段时间以后

害虫会对它产生抗性

也就是说

原来同样的药剂

同样的浓度使用以后

能够取得很好的防治效果

打一次就能够解决问题

但是使用一段时间以后

就发现药剂的浓度提高几倍

甚至几十倍

打好几次也不死

这就是抗药性

但害虫是如何产生抗药性的呢

或者说

害虫产生抗药性的机制是什么呢

今天我们就来了解一下

害虫抗药性的机制呢

主要包括行为抗性和生理抗性两个方面

目前对于行为抗性的研究相对较少

绝大部分都集中在生理抗性方面

首先我们看一下行为抗性

所谓行为抗性

是指昆虫能够躲避

致死剂量的杀虫药剂的这种能力

例如抗药性蚊子对DDT的残留就很敏感

所以一般不会在有DDT的地方停留

或者说它停留的时间非常短

这样就基本不会受到药剂的影响

另外北美还有一种角蝇

也叫骚扰血蝇

它喜欢大量聚集在牛犄角基部

颈部,来吸取牛的血

那么为了防治这个角蝇

一般会在牛的耳朵上

挂上用拟除虫菊酯类药剂处理过的耳签

但是产生抗性的角蝇

它会尽量避免在牛的头部停留

更喜欢在牛的这个腹部

也就是牛的肚子上停留

因为和头部相比

牛的腹部这个药剂的浓度会低得多

还有对西维因产生抗性的草地贪夜蛾的幼虫

能够感知

并避免取食西维因处理过的叶片

因此同样暴露在西维因处理的叶片时

抗性幼虫的死亡率要低于敏感幼虫

另外抗药性小菜蛾的这个成虫

那么它在接触到氰戊菊酯以后

它会把后足的跗节断掉

来避免药剂对它的进一步的这个伤害

行为抗性主要由刺激因素

比如说药剂的施用引起

与正常昆虫相比

具有行为抗性的昆虫

会对较低浓度的杀虫药剂作出反应

这表明抗性昆虫具有比普通昆虫更灵敏的

探测杀虫药剂的这种受体

但式这方面的具体的机制

还缺乏研究

第二个方面是生理生化抗性

那么这个分两部分

一个是生理抗性

一个是生化抗性

生理抗性机制

主要包括表皮穿透能力的下降

对药剂的隔离

以及排泄

生理抗性的产生往往需要较长的时间

这是因为在产生的过程中

需要不同的生理通路上的

多个分子的相互协调

并且需要进行精细的调控

保证既产生抗药性

又不能丧失正常的这个生理功能

生化抗性

主要是由单一大分子的改变引起的

比如像这个P450

CarE

GSTs等解毒酶

它催化的对外源有毒化合物的降解反应

另外还有这个靶标位点的突变

引起的这个对药剂敏感度下降

或这代谢抗性和靶标抗性同时存在

生理抗性和生化抗性往往是同时存在的

那么这种情况下

它产生的抗性水平

比单独存在时更高

具体我们来看一下

第一个方面我们看一下

表皮穿透能力下降导致的抗性

由于药剂对昆虫表皮穿透能力下降

引起的抗药性比较普遍

虽然这种机制单独存在的时候

引起的抗性水平并不高

一般只有2-5倍

但是当穿透抗性与其它的抗性因子

在遗传学上结合在一起的时候

特别是代谢性抗性

也同时存在的话

那么会导致非常高的这个抗性水平

因为表皮穿透能力的降低

导致解毒代谢系统有充足的时间

来降解进入昆虫体内的药剂

表皮穿透能力的下降

主要有三个方面的原因

一个是表皮中的可能存在某些蛋白

或者脂质的这个库

能够结合

并将杀虫药剂贮存在表皮里面

第二个方面

可能是表皮中

存在某些药剂的解毒代谢酶

第三个是表皮的单纯的加厚

从而使药剂更不容易穿透

比如说

溴氰菊酯对敏感品系棉铃虫表皮的穿透半时

仅为1h

但是在抗性品系中

要穿透的话就需要6h

另外与敏感品系相比

β-氯菊酯

对抗性橘小实蝇的穿透性明显下降

进一步的研究发现

主要是在抗性品系中

它体壁的表皮层更厚

另外内表皮里面几丁质层也更厚 更密

所以就阻止了药剂的穿透

大量研究证实

昆虫体壁中的表皮蛋白呢

可以调控表皮的厚度

硬度

以及角质化的程度

从而影响杀虫药剂的穿透

在抗药性中

发挥相应的这个作用

但目前有关

表皮蛋白参与杀虫药剂抗性的研究

还相对比较少

那么表皮蛋白参与抗药性的机制

还有待进一步的探索

第二方面是靶标不敏感导致的抗药性

杀虫药剂进入昆虫体内以后

那它必须要与某个

具有重要生理功能的蛋白结合

然后破坏这个蛋白的正常的生理功能

这样才能够杀死昆虫

那么这些蛋白就是杀虫剂的作用靶标

所谓的靶标不敏感

就是说

这些靶标蛋白的结构发生变化

这样使杀虫剂不能够与它结合

或者结合能力下降

这样就不能杀死昆虫

导致害虫产生抗药性

目前已经明确的

因靶标不敏感导致的抗药性

大概有六种情况

分别是乙酰胆碱酯酶突变

神经的不敏感

中肠靶标结合位点的减少

线粒体电子传递链突变

几丁质合成酶突变

以及脂类生物合成酶的突变

下面我们分别来看一下

第一个方面是乙酰胆碱酯酶变构

乙酰胆碱酯酶变构实际上就是

因为编码乙酰胆碱酯酶的基因发生突变

从而导致呢

所编码乙酰胆碱酯酶的三维结构发生变化

这样的话乙酰胆碱酯酶

对药剂的抑制就不敏感

所以也称为不敏感的乙酰胆碱酯酶

或者叫变构的乙酰胆碱酯酶

那么这个最早是在1964年

第一次证明棉叶螨的乙酰胆碱酯酶

对有机磷的敏感性下降

1968年

有人研究发现铜绿蝇对二嗪农的抗性

也是由于乙酰胆碱酯酶

对二嗪农敏感性下降所致

这是第一个昆虫AChE变构的案例

目前已经在很多的昆虫包括家蝇

稻黑尾叶蝉

库蚊

按蚊、黑腹果蝇

粘虫

烟蚜、小菜蛾等等

很多昆虫里面证明

有机磷和氨基甲酸酯类杀虫药剂的抗性

与这些昆虫的乙酰胆碱酯酶的变构

有密切的关系

除了基因突变以外

乙酰胆碱酯酶基因的复制也与抗药性有关

这在尖音库蚊

和冈比亚按蚊中

都已经得到了证实

ace1基因的复制呢

可以导致昆虫有两个不同的

ace1的等位基因

那么一个对杀虫药剂敏感

另一个不敏感

那么对杀虫药剂敏感的AChE

它的复制可以补偿抗性AChE基因

因为突变带来的适合度代价

从而增强它对环境的适应能力

第二个方面是神经不敏感

我们知道

Na+通道是DDT

和拟除虫菊酯类杀虫药剂的作用靶标

那么最早在1954年

在家蝇里面发现

用DDT处理以后

家蝇不仅没有被击倒

杀死

反而活了下来

所以当时就把这种现象称为击倒抗性

这种对DDT的这种击倒抗性

与拟除虫菊酯类的药剂

还存在这种交互抗性

进一步对击倒抗性的

这个分子机制进行研究

发现家蝇钠离子通道基因

第1014位的这个亮氨酸

突变为苯丙氨酸

那么这是导致它产生击倒抗性的一个原因

另外第918位的甲硫氨酸到苏氨酸的突变

和L1014F的这个突变

这两个突变如果同时存在的话

那么产生的抗性

比L1014F突变单独存在时

产生的抗性水平更高

所以把这个也称为超击倒抗性

到目前为止

发现在几乎所有的农业害虫和卫生害虫里面

都存在击倒抗性

在不同昆虫的钠离子通道上

目前已经发现了50多个

与拟除虫菊酯类杀虫药剂抗性相关的突变

或者突变组合

类似的

在昆虫的GABA受体

谷氨酸门控氯离子通道

烟碱型乙酰胆碱受体

鱼尼丁受体

还有章鱼胺受体等等

那么在这些作用靶标上呢

都存在特定的突变位点

导致相应蛋白的结构发生改变

从而使这个药剂与

蛋白的结合能力下降

引起昆虫的这个抗药性

第三个方面是Bt杀虫蛋白作用靶标的改变

目前已经报道的

Bt杀虫蛋白的作用靶标

主要有钙黏蛋白

氨肽酶

碱性磷酸酯酶

还有ATP结合盒转运蛋白

在烟芽夜蛾

棉红铃虫

甜菜夜蛾里面呢

都已经发现这些受体基因的突变

或者表达量下调

导致了这些害虫对不同种类的Bt毒素

产生了抗药性

第四个方面是线粒体电子传递链中的突变

线粒体复合体III的Qo位点

也叫泛醌细胞色素c氧化还原酶

和细胞色素bc1复合体

那么在这个复合体上的4个点突变

分别是第126位

136位

141位和262位的这个突变呢

与二斑叶螨对联苯肼酯的抗性有关

在某些情况下

对联苯肼酯的高水平抗性

与Q位点上的另外两个突变位点有关

第五个方面是几丁质合成酶的突变

我们知道苯甲酰脲类的杀虫药剂

另外还有乙螨唑

噻嗪酮

那么这些药剂都属于几丁质合成抑制剂

现在已经研究明确

二斑叶螨

和小菜蛾等害虫的几丁质合成酶1

它的第1017的基因突变呢

导致了这些几丁质合成抑制剂

和几丁质合成酶的结合能力下降

从而产生了抗药性

这也说明这些几丁质合成抑制剂

虽然它的化学结构差别比较大

属于不同的类型

但是它的作用靶标都是相同的

第六个方面

是脂类生物合成酶的突变

螺甲螨酯是乙酰辅酶A羧化酶

它的这个抑制剂

我们在温室白粉虱里面发现

它对螺甲螨酯产生抗性

与这个乙酰辅酶A羧化酶的基因突变

存在明确的相关性

这是基因突变导致靶标对药剂不敏感

产生抗性的6个方面

生理生化抗性机制的第三个方面

就是害虫的解毒代谢能力增强

杀虫药剂进入昆虫体内以后

它要杀死昆虫

那么昆虫也不会坐以待毙

它自身有一套强大的解毒代谢系统

可以有效地降解进入昆虫体内的杀虫药剂

在杀虫剂的长期胁迫下

这些解毒酶的活性会被诱导增强

那么从而更高效的去降解这些杀虫药剂

使它不能够对害虫产生杀伤作用

也就是说

产生了的这个抗药性

昆虫的解毒系统有多种类型

已经被证明与昆虫抗药性有关的

主要有细胞色素P450单加氧酶

水解酶

包括羧酸酯酶和磷酸酯酶

另外还有谷胱甘肽S-转移酶

ABC转运蛋白

以及尿苷二磷酸葡萄糖转移酶等等

那么这些解毒酶呢

它可以单独起作用

也可以相互协同

形成多抗性品系

也就是说

在这些解毒酶的作用下

同时呢

对多种不同类型的杀虫药剂产生抗药性

目前认为

高效的解毒机制呢

可以通过以下途径获得

第一

解毒酶本身发生基因突变

导致酶的结构发生改变

从而更适合降解杀虫药剂

第二是在相关调控基因的作用下

那么引起解毒酶的基因复制

或者转录增强

从而过量表达

那么这些过量表达的解毒酶呢

可以高效的降解杀虫药剂

从而产生抗药性

也有的过量表达的酶

通过与药剂结合

将其隔离贮存起来

这样使它不能够到达作用靶标

从而发挥杀虫的活性

那么这部分就是关于害虫产生抗药性的

生理生化

以及行为机制

我们今天就介绍到这儿