杀虫剂的选择性与害虫抗药性问题探讨

郭子俊 孙志伟 桂富荣

(云南农业大学植物保护学院，云南 昆明 650201)

前言

当今，人口总量不断增长，有机构预测2025年的人口总数量会达到90亿。人口的增长给予农业生产更大的压力，也对农作物的产量提出了更高的要求。农业种植需要提高生产效率，确保产量与质量，以满足人们的需求。在当前的农业生产中，精细的作物生产模式给一些害虫创造了可乘之机。害虫会破坏植物生长，降低作物质量，使农产品产量下降。基于农作物种植中害虫泛滥的情况，在农业生产中，针对农作物种植采取一系列保护行为能够有效保证粮食产量和质量安全。昆虫作为重要的农业害虫，是限制农作物生长的原因之一。化学防治适用于农业害虫大面积防治，具有效率高、见效速度快等优势，是农业害虫防治的主要手段。一直以来，化学防治在农作物害虫防治方面发挥了重要的作用。但随着化学杀虫剂大范围应用，一系列严重问题也显现出来。害虫在化学杀虫剂长期使用的情况下，对于一般的杀虫剂多少都产生了一定的抗性，这降低了杀虫剂的成本使用效果，从而不利于农作物害虫防治。据研究显示，至今已有500多种昆虫对一种或多种常用的杀虫剂产生了抗药性。害虫产生了抗药性，原先的防治效果只能通过增加剂量和使用频率来实现，而长此以往，剂量和频率的增加会使害虫的抗药性得到更大提升，形成一个恶性循环。

靶标敏感性降低和解毒代谢的增强是害虫对与化学杀虫剂产生抗性的主要机制，也是研究的重点。昆虫体内的杀虫剂靶标位点或组成发生变化都可能导致杀虫剂于靶标之间的亲和力降低，靶标敏感性下降等，从而使得昆虫产生抗药性。同时，杀虫剂达到昆虫靶标的量较少，大部分进入昆虫体内的杀虫剂都被解毒酶储存在脂肪中或排出体外。增加昆虫体内这些解毒酶的代谢能力，可以减少杀虫剂达到靶标的剂量，提高昆虫对杀虫剂的抗性。因此明确杀虫剂的选择性和害虫的抗药性，合理研制、利用杀虫剂对于农业生产具有重要的意义。

1 靶标敏感性下降导致昆虫抗药性

1.1 靶标突变导致的敏感性下降

1.1.1 单个氨基酸位点突变

受到杀虫剂作用的靶标被赋予了药物效应，其是在昆虫和杀虫剂之间的相互作用中产生一种特殊并确定的分子。昆虫神经系统中重要的受体、酶、离子通道等是当前常见杀虫剂中的靶标。根据一些实验数据，在杀虫剂和靶标的相互作用背景下，只需要单个的靶蛋白的氨基酸位点突变或许就会造成昆虫对杀虫剂的敏感性下降，使昆虫的抗药性得到提高。其中，击倒抗性是昆虫对DDT和拟除虫菊酯类杀虫剂的主要抗性机制之一。击倒抗性在生产作物的有害昆虫中很常见到，有调查显示，到目前为止，已检测到50多个kdr突变位点。其中一些在许多昆虫中都有发现。由此可见，某些氨基酸位点在农药与靶标的互作中起着重要的作用。因此可以得出结论：某些单个氨基酸位点突变会造成靶标敏感性下降。

1.1.2 多个氨基酸位点突变

有研究表示，除了个别氨基酸位点的突变可导致敏感性降低外，同时多个氨基酸的突变也可以提高昆虫抗药性，或弥补个别氨基酸突变所造成的适应成本。以拟除虫菊酯对昆虫做实验，研究其击倒抗性和超击倒抗性的结果能够明显地体现这一观点。有实验研究显示，对某种昆虫进行实验，多个氨基酸位点同时突变时存在对抗性的贡献度是单个氨基酸位点突变的20多倍。由此可知，多个氨基酸位点突变也能造成靶标敏感性下降的情况。

1.2 表达量变化导致的敏感性下降

除了氨基酸突变引起的靶标敏感性下降，使得靶标的结构与性质遭到了改变，针对由多个亚基所构成的离子通道或者受体来说，如果靶标的表达量产生变化，其敏感性也有可能下降。而靶标的敏感性下降，会使害虫对于杀虫剂产生抗药性或提高害虫对杀虫剂的抗药性，不利于农作物的安全高效种植。一些研究表明，有些对某种杀虫剂产生抗药性的昆虫体内靶标的表达量低于敏感品系。

2 解毒酶代谢能力增强导致昆虫抗药性

2.1 解毒酶的上调表达

上调表达是细胞色素P450、羧酸酯酶、谷胱甘肽-S-转移酶等解毒酶参与抗性的主要途径。有实验表明，褐飞虱对有机磷类杀虫剂抗药性较高的主要原因是其体内羧酸酯酶表达量的提高。昆虫的谷胱甘肽-S-转移酶在其对抗有机氯类杀虫剂、有机磷类杀虫剂和拟除虫菊酯类杀虫剂中解毒代谢的过程中形成了很大的影响。近年来的研究表示，UDP-葡萄糖醛酸转移酶、ABC运转蛋白等都能够参与到昆虫对杀虫剂解毒代谢的过程中。有实验研究证实，ABC运转蛋白在昆虫抗药机制中起到重要的作用。

2.2 解读酶过量表达的调控机制

研究表明，解毒酶和转运蛋白基因的过量表达是由顺式作用因子、反式作用因子和顺式作用与反式作用因子共同参与的，这些因子构成了一个相互调节控制的网络。并且，在与昆虫的抗药性有关联的一些基因的表达中，起到重要作用的是其中的某些转录因子。目前CncC:Maf转录因子已经将由多个实验被证实在多个种类的昆虫体内参与一些解毒酶的调控。

2.3 解毒酶的突变与基因复制

解毒酶的突变可以使其活性得到增强，从而进一步推进其新陈代谢能力，解读酶代谢能力的提高会增强害虫的抗药性，但活性增加会使得稳定性下降，有部分研究认为，解毒酶突变在解毒酶导致的抗药性中起到次要作用。在相同的种类里，突变、基因复制、表达量上调等情况一起进行，是解毒酶可能会采取的方式，使昆虫的抗药性增强。

3 杀虫剂的选择性机制

杀虫剂的选择性指杀虫剂能够只对某种害虫或多种害虫有致死性，而对其它非靶标生物无害。有些杀虫剂还能够在防治害虫的同时保护其天敌，不仅能够达到农产品防治效果，还能使生态系统的多样性得到维护。因此，研究杀虫剂的选择机制对于农作物防治来说十分重要。靶标的选择性和代谢差异的选择性是杀虫剂研制过程中其选择性的杀虫剂的重要机制。

3.1 作用靶标的选择性

作用靶标的选择性是目前很多杀虫剂更加关注与追求的，这种选择性主要来自于两种情况。杀虫剂的作用靶标为昆虫所特有。这个种类的杀虫剂可以看作是昆虫的生长调节剂，能够对昆虫的生长进行调节；如，对蜕皮激素受体产生作用的蜕皮激素类似物、对保幼激素受体产生作用的保幼激素类似物等。杀虫剂的敏感性对不同的物种来说是不同的。杀虫剂作用靶标是具有药物效应的特定分子，这些靶标主要为昆虫生命活动中不可缺少的，生物学功能的离子通道、酶或者结构蛋白等；有些实验显示，选择性杀虫剂和靶标的互作具有相互的特异性要求，昆虫中同一个物种中不同的群体或者不同的物种之间对于杀虫剂的敏感程度差别很大的原因有可能为靶标蛋白关键功能位点的氨基酸存在差异。由此可见，想要使杀虫剂研制成果同时具有选择性和高活性的条件是与昆虫的重要功能蛋白发生特异性互作。随着人们环保意识的提高和生态农业理念的兴起，杀虫剂对于害虫和害虫天敌的选择性也更加受到人们关注，相关研究也在不断深入。

3.2 代谢差异的选择性

对于不一样的生物体而言，杀虫剂对其选择毒性是不一样的。生物的代谢是杀虫剂选择毒性程度的重要因素。生物的代谢水平不同，对于杀虫剂的抗药性也不同。害虫和非靶标生物的杀虫剂选择性在一定程度上取决于代谢水平的差异。生物体体内解毒酶基因的数量、代谢活性、丰富度等都会影响其对于杀虫剂的代谢能力，从而使选择毒性受到影响。在杀虫剂的选择性研究方向上，对于靶标差异的研究较多，而对于代谢水平差异的选择性的相关研究不多。

4 相关问题

4.1 抗性基因的鉴定

从当前来看，根据各种调查和研究显示，多种农作物有害昆虫对于许多杀虫剂都具有一定的抗药性。害虫抗药性问题在化学防治过程中已较为普遍。并且，随着各种新的杀虫剂不断被应用，害虫发生和发展抗药性的概率增大，相关研究中的数据正在逐渐增加。因此，抗性基因的鉴定对于研究害虫抗药性机制具有重要意义，进行抗性基因鉴定有利于在杀虫剂研发和设计阶段增加对害虫的致死率，减少抗药性的发生，从而提高杀虫剂的使用效率，降低化学防治成本，保护生态环境与消费者健康。对杀虫剂靶标基因的变异鉴定相对较为容易，并且具有可预期性。而在代谢抗性相关的基因方面，因为数量较多，并且参与代谢抗性的基因家族数量仍在上升，基因鉴定变得更加困难和复杂。但是代谢抗性基因的鉴定是非常重要的。近年来，技术的不断进步为基因鉴定提供了一定的技术基础，高通量测序技术、新型基因功能验证技术等的发展，都推动了靶标和代谢抗性的基因鉴定工作，有利于抗性基因鉴定的深入研究。

4.2 昆虫抗药性基因调控网络

代谢抗性研究的主要内容之一就是解毒酶和转运蛋白介导的有害生物抗药性机理。通过基因突变、扩增和上调表达等方式，这些解毒酶和转运蛋白参与了昆虫对杀虫剂的抗药性。与抗药性有关的解毒酶和转运蛋白基因的过量表达受到顺式作用分子、反式作用分子、顺式和反式作用因子的联合调控，在其控制之下形成了交叉调控网络。其中，一些转录因子是重要因素。因此，想要明确有害生物抗药性调控网络的机理，就应对这些因子的原因、规律进行研究。

4.3 杀虫剂靶标结构生物学与选择性杀虫剂的开发

选择性杀虫剂和靶标的互作具有相互的特异性要求，这二者之间的变化会造成昆虫中同一个物种中不同的群体或者不同的物种之间对于杀虫剂的敏感程度差别很大。因此，在进行杀虫剂的研制与开发中，应该基于有害生物药敏性分子结构生物学，对分子靶标的药敏性、抗药性位点进行明确，设计合成亲和性高、选择性强的农药小分子，提高杀虫剂的效率。当前，基于已知药剂靶标结构进行农药创制并未取得较大成就，其主要是因为靶标及靶标蛋白结构并非直接来自于害虫，而是来自于非靶标生物的同源蛋白。所以，虽然在实验中可以观察到杀虫剂对靶标有很好的结合力，但在真正应用中对害虫的作用却很低。因此，应对害虫的杀虫剂作用靶标的结构生物学进行深入研究，为设计农药分子提供数据参考。

5 结语

害虫对农作物具有很强的危害性，会影响产品产量及质量，从而不利于我国农业产业的发展。化学防治是当前我国农作物种植中针对害虫危害的主要防治手段，其具有见效快、效率高、方便快捷等优点，同时也带来了一系列问题。这些问题如不被重视，会对人类健康和生态环境造成双重危害。本文主要研究杀虫剂的选择性与害虫抗药性，探讨了靶标敏感性下降导致昆虫抗药性和解毒酶代谢能力增强导致昆虫抗药性，研究了杀虫剂的选择性机制，分析了抗性基因的鉴定、昆虫抗药性基因调控网络、杀虫剂靶标结构生物学与选择性杀虫剂的开发等相关问题。研究杀虫剂的选择性和害虫的抗药性，明确其机制，对于研制、利用杀虫剂具有重要意义。希望本文能为相关理论与实践研究提供一定参考。