安徽省草地贪夜蛾对杀虫剂的敏感性和靶标突变检测

2022-04-04 13:52牛多邦檀称龙吴玉杰李秀霞李桂亭盛成旺操海群
植物保护 2022年2期
关键词:草地贪夜蛾敏感性

牛多邦 檀称龙 吴玉杰 李秀霞 李桂亭 盛成旺 操海群

摘要 采用饲料混毒法测定了安徽省6个地区的草地贪夜蛾3龄幼虫对4种常用杀虫剂的敏感性,并对其靶标的抗性突变频率进行检测,以明确2020年迁入安徽省的草地贪夜蛾对杀虫剂的敏感性现状,为后续制定科学防控措施提供依据。结果显示,马鞍山和宿州草地贪夜蛾种群对氟苯虫酰胺分别产生了11.3倍和10.1倍的抗性;而对甲氨基阿维菌素苯甲酸盐、茚虫威和氯虫苯甲酰胺尚未产生抗性。且这4种杀虫剂的靶标基因均未检测到抗性位点突变情况。以上结果表明,6个地区的草地贪夜蛾对甲维盐、氯虫苯甲酰胺和茚虫威均较敏感,在田间防治中仍可轮换使用该类型杀虫剂。部分地区的草地贪夜蛾对氟苯虫酰胺产生了中等水平抗性,因此以后应该减少该药剂的使用频次。

关键词 草地贪夜蛾; 抗药性监测; 敏感性; 靶标突变

中图分类号: S435.132

文献标识码: A

DOI: 10.16688/j.zwbh.2021284

Abstract Insecticide incorporated artificial diet assay was used to determine the susceptibility of the 3rd instar larvae of Spodoptera frugiperda from six regions of Anhui province to four commonly used insecticides, so as to ascertain the sensitivity of S.frugiperda to insecticides and to provide guidance for scientific prevention and control. The results showed that the Maanshan and Suzhou populations of S.frugiperda had 11.3- and 10.1-fold resistance to flubendiamide. There was no change of the susceptibility to emamectin benzoate, indoxacarb and chlorantraniliprole and no site mutation associated with the four insecticides resistance was detected in all the six populations. The above results indicated that S.frugiperda from six areas of Anhui province were all sensitive to emamectin benzoate, chlorantraniliprole and indoxacarb, which could still be used in rotation in field control. But in some areas, the moth has developed moderate resistance to flubendiamide, so the use of this insecticide should be reduced next year.

Key words Spodoptera frugiperda; resistance monitoring; sensitivity; target mutation

草地貪夜蛾Spodoptera frugiperda(J. E. Smith)属鳞翅目夜蛾科灰翅夜蛾属,是一种原产于美洲地区的杂食性害虫[1]。该虫具有寄主范围广、繁殖能力强、迁飞扩散快、适生区域广和抗药性水平高等特点[2]。草地贪夜蛾自2019年1月入侵我国云南[3],截至2020年8月31日,在全国27个省1 388个县均发现该虫为害,其中玉米田幼虫发生面积24.52万hm2[4]。安徽省地处暖温带与亚热带过渡地区,既是草地贪夜蛾的迁飞过渡区又是重点防治区。安徽省于2019年5月17日在黄山市仙源镇洋家村首次发现草地贪夜蛾为害玉米[5],至今已在安徽全省16市89县(区)发现该虫为害。

草地贪夜蛾在其原产地美洲地区有较长的化学药剂防治历史,在20世纪80年代以前,主要以有机磷类和氨基甲酸酯类杀虫剂防治为主[6]。由于长时间使用化学药剂,使得草地贪夜蛾对这两类杀虫剂产生了高水平抗性[7]。随后开始使用拟除虫菊酯类杀虫剂进行防治,到2007年Yu等发现采自美国佛罗里达州的草地贪夜蛾对氯氰菊酯产生了987倍极高水平抗性[8]。在20世纪中后期,美洲地区特别是美国开始推广种植表达苏云金杆菌Bacillus thuringiensis(Bt)杀虫蛋白的转基因玉米等作物后,化学杀虫剂用量大幅下降47.8%[9]。随后关于草地贪夜蛾对转Bt作物的抗性报道逐渐增多,在2006年—2010年间,波多黎各草地贪夜蛾田间种群对转Cry1F基因玉米的抗性达到了1 000~2 600倍[10],之后又有报道在巴西草地贪夜蛾对转Cry1Ab、Cry1F和转Cry1A.105+Cry2Ab2双价玉米品种也产生高水平抗性[11]。近年来,一系列杀虫剂新品种在草地贪夜蛾的防治上发挥了突出的作用,包括甲氨基阿维菌素苯甲酸盐(简称甲维盐)、乙基多杀菌素、茚虫威、氯虫苯甲酰胺等。但是最近也有研究报道草地贪夜蛾对部分新型杀虫剂也产生了高水平抗性,在波多黎各和墨西哥草地贪夜蛾对氯虫苯甲酰胺和氟苯虫酰胺的抗性倍数最高分别达160倍和500倍[12],室内筛选品系对氯虫苯甲酰胺和氟苯虫酰胺抗性水平更是高达225倍和5 400倍[13]。gzslib202204041352

害虫抗药性产生的生理生化机理主要包括解毒代谢作用增强和靶标敏感性下降两个方面,而草地贪夜蛾对化学杀虫剂产生高水平抗性的机理研究中,以靶标突变为主[14]。乙酰胆碱酯酶(acetylcholine esterase, AChE)是有机磷类和氨基甲酸酯类杀虫剂的作用靶标,在草地贪夜蛾抗毒死蜱的品系中,发现编码AChE的ace-1基因发生A201S、G227A和F290V突变[15]。谷氨酸门控氯离子通道(glutamate-gated chloride channel, GluCl)是大环内酯类杀虫剂的主要作用靶标,目前已经在小菜蛾Plutella xylostella中证实,GluCl基因发生A309V和G315E突变与害虫对大环内酯类杀虫剂产生抗药性有关[16]。电压门控钠通道(voltage-gated sodium channel, VGSC)是拟除虫菊酯类杀虫剂和钠离子通道阻断剂茚虫威的作用靶标,研究人员发现田间对茚虫威产生34~850倍抗性的小菜蛾VGSC基因出现F1845Y和V1848I突变,且突变发生频率与抗性水平显著相关[17]。鱼尼丁受体(ryanodine receptor, RyR)是双酰胺类杀虫剂的作用靶标,目前已经在小菜蛾和斜纹夜蛾Spodoptera litura对氯虫苯甲酰胺抗性种群中发现RyR出现G4946E或I4743M突变[1819]。并通过CRISPR/Cas9介导的定点突变技术在甜菜夜蛾Spodoptera exigua和果蝇Drosophila melanogaster中证实该突变是害虫对氯虫苯甲酰胺产生高水平抗性的重要机制[2021]。而Boaventura等室内筛选的高抗氯虫苯甲酰胺和氟苯虫酰胺的草地贪夜蛾品系,RyR发生I4734M突变,而G4891位点并未突变(位置等同于斜纹夜蛾和小菜蛾RyR的I4743和G4946位点)[13]。

本研究依据农业农村部2020年调整后的《草地贪夜蛾应急防治用药推荐名单》,并结合安徽省防治草地贪夜蛾的实际用药情况,对甲维盐、茚虫威、氯虫苯甲酰胺和氟苯虫酰胺进行了抗药性监测和靶标突变检测,同时检测了有机磷类和氨基甲酸酯类杀虫剂的作用靶标ace-1突变情况。研究结果可为安徽省草地贪夜蛾的科学防控提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 供试昆虫

草地贪夜蛾实验室种群由安徽科技学院王增霞老师惠赠,于2019年7月-8月间利用W形五点取样采自安徽科技学院试验基地,在实验室采用人工饲料继代饲养,截至试验已饲养10代,成虫饲喂10%蜂蜜水,期间不接触任何化学农药。饲养条件为(26±1)℃,相对湿度为40%~70%,光周期L∥D=16 h∥8 h。田间种群利用W形五點取样,采自皖南草地贪夜蛾迁飞过渡区和皖北草地贪夜蛾重点防范区等地区,具体样品信息见表1。采集的幼虫活体样品带回实验室,经形态学特征鉴定为草地贪夜蛾后,采用人工饲料饲养至下一代3龄初幼虫作为室内生物活性测定试虫。人工饲料配方参考Pinto等所用D1组分的配方[22]。

1.2 供试药剂

95%甲氨基阿维菌素苯甲酸盐(以下简称甲维盐)原药、99%茚虫威原药购买自上海源叶生物科技有限公司;95%氯虫苯甲酰胺原药购自杜邦公司(上海);98.1%氟苯虫酰胺为标准品,购自北京百灵威科技有限公司。

1.3 生物测定方法

本研究采用国际杀虫剂抗药性行动委员会推荐的饲料混毒法测定不同地区的草地贪夜蛾对常用杀虫剂的敏感性水平[23]。甲维盐原药用丙酮配制成母液,茚虫威、氯虫苯甲酰胺和氟苯虫酰胺原药用二甲基亚砜(dimethyl sulfoxide, DMSO)

溶解,再用丙酮梯度稀释5个浓度。将稀释后的农药按质量比1∶100混入人工饲料中,以混毒的饲料饲喂试虫,以添加相同质量溶剂的饲料为对照。在12孔板中加入适量饲料,在每孔中接入1头3龄初试虫,每次重复试虫共12头,每个浓度重复3次。3 d后检查和统计不同浓度药剂处理的死亡率,试虫死亡判断标准:使用毛笔轻触虫体,以不能正常爬行视为死亡。

1.4 生物信息学分析与引物设计

在国家基因库(https:∥db.cngb.org/search/project/CNP0000513/)下载草地贪夜蛾的基因组数据,利用BioEdit软件建立本地数据库,然后使用本实验室已克隆获得的GluCl、VGSC和RyR基因序列进行同源搜索(设置E<1×10-10),获取其基因序列。根据相关文献报道的GluCl、VGSC和RyR基因序列中与抗药性相关的突变位点,分别在其基因序列中找到相应位置,在该位置前后约100~300 bp处设计包含需要检测的靶标突变位点的特异性引物。检测AChE和RyR基因的I4734M突变的引物,根据已有文献报道设计[13,24],具体引物信息如表2。

1.5 靶标位点突变检测方法

从安徽省6个地区田间采集的草地贪夜蛾幼虫带回实验室,饲养至成虫,完成交配和产卵,在其死亡后收集成虫虫体作为靶标突变检测的材料,共收集120个样品。采用TIANamp Genomic DNA Kit提取试剂盒(北京天根生化科技有限公司)提取单头草地贪夜蛾成虫基因组DNA,具体步骤参照试剂盒说明书进行。以单头草地贪夜蛾成虫基因组DNA为模板,进行PCR扩增,反应体系(25 μL): 2×PrimeSTAR Max Premix 12.5 μL, ddH2O 9.5 μL, 正反向引物各1.0 μL, DNA 模板1.0 μL。降落PCR反应条件:95℃预变性3 min;95℃变性 15 s,58℃退火15 s,72℃延伸5 s,10个循环,每个循环退火温度降低1℃;95℃变性 15 s,48℃退火15 s,72℃延伸5 s,25个循环;最后72℃延伸5 min。PCR产物用1.2%琼脂糖凝胶电泳检测,条带单一且大小符合预期的PCR产物送滁州通用生物系统(安徽)有限公司进行测序验证。gzslib202204041353

1.6 数据分析

采用POLO Plus 2.0软件处理生测数据。抗药性检测方法参照棉铃虫抗药性检测农业行业标准(NY/T 2916-2016)判定不同地区草地贪夜蛾对杀虫剂的敏感性是否发生显著变化(5

2 结果与分析

2.1 抗性监测结果

4种杀虫剂对采自迁飞过渡区安徽宁国、马鞍山和六安,以及重點防范区蚌埠、阜阳和宿州的草地贪夜蛾,以及实验室品系的室内毒力测定结果见表3。结果显示,甲维盐对安徽省不同地区的草地贪夜蛾的毒力水平最高,LD50在0.033~0.051 μg/g;其次是氯虫苯甲酰胺,LD50为0.04~0.79 μg/g;茚虫威和氟苯虫酰胺对草地贪夜蛾的毒力相对较差,LD50均超过14 μg/g。而且安徽省6个地区的草地贪夜蛾种群对氟苯虫酰胺均出现敏感性下降,尤其是马鞍山和宿州的草地贪夜蛾种群对氟苯虫酰胺产生了中等水平抗性(抗性倍数大于10倍)。除马鞍山的草地贪夜蛾种群对氯虫苯甲酰胺出现敏感性下降,其余地区的草地贪夜蛾对氯虫苯甲酰胺还处于敏感水平(抗性倍数低于3倍)。安徽省6个地区的草地贪夜蛾种群对甲维盐和茚虫威的抗性倍数都低于2倍,均还处于敏感水平。

2.2 杀虫剂靶标突变分析

通过序列比对和测序峰图分析发现,安徽省6个地区的120个草地贪夜蛾样品中对甲维盐、茚虫威、氯虫苯甲酰胺和氟苯虫酰胺的主要靶标基因GluCl、VGSC以及RyR均未发现抗性相关突变(如图1所示)。

2.3 ace-1基因突变分析

通过序列比对和测序峰图分析发现,安徽省6个地区的120头草地贪夜蛾以及50头实验室品系编码草地贪夜蛾AChE的ace-1基因中与氨基甲酸酯类和有机磷类农药抗性相关的A201S和F290V突变在田间种群和实验室种群中均能检测到,且A201S和F290V突变在田间种群中均检测到纯合突变(图2),然而G227A突变在田间种群和实验室种群中均未检测到。突变频率分析发现,草地贪夜蛾田间种群的ace-1的A201S和F290V突变频率均高于实验室种群。实验室种群中A201S的突变频率仅为10%,而田间种群该突变频率达到50%;实验室种群中F290V突变全部为抗性杂合子,而田间种群该突变抗性纯合子突变频率达到30%(表4)。

3 讨论

草地贪夜蛾是一种迁飞性入侵害虫,防治工作需要多部门和多地区协同推进。农业农村部根据该虫发生规律将全国划分为周年繁殖区、迁飞过渡区、重点防范区三个区域[26]。安徽省南部属于迁飞过渡区,北部属于重点防范区,开展草地贪夜蛾的抗药性检测与靶标突变检测工作,可为安徽省乃至全国草地贪夜蛾的防控提供重要参考。抗性监测结果表明,2020年迁入安徽省的草地贪夜蛾对甲维盐、茚虫威和氯虫苯甲酰胺均未产生明显抗性,但对氟苯虫酰胺的敏感性降低,尤其是马鞍山和县和宿州埇桥区的草地贪夜蛾种群对氟苯虫酰胺产生了中等水平抗性。该结果与全国草地贪夜蛾的抗性监测结果类似,浙江、四川、湖北、安徽、云南、江苏和广东等7省的草地贪夜蛾对氯虫苯甲酰胺和甲维盐的敏感性差异在4.1倍和2.2倍以内,但浙江余杭地区的草地贪夜蛾对茚虫威的抗性显著上升,是全国最敏感湖北宜昌地区的10.2倍[27]。湖北省4个地区的草地贪夜蛾对氯虫苯甲酰胺和甲维盐的敏感性差异都在3.5倍以内,未出现明显的抗性;其中黄冈地区的草地贪夜蛾对茚虫威的敏感性下降,抗性倍数是武穴地区的15.7倍[32]。然而,广东茂名地区的草地贪夜蛾对甲维盐和氯虫苯甲酰胺抗性分别达到14.4倍和23.2倍[28]。值得注意的是,氯虫苯甲酰胺和氟苯虫酰胺均属于双酰胺类杀虫剂,但安徽省6个地区的草地贪夜蛾种群对这两种药剂的敏感性差异较大。安徽省6个地区的草地贪夜蛾种群对氯虫苯甲酰胺的抗性水平均在4.0倍以下,而对氟苯虫酰胺的抗性水平均在4.0倍以上。类似的现象在巴西也有报道,在巴西巴伊亚州田间采集的草地贪夜蛾对氯虫苯甲酰胺产生237倍抗性,而对氟苯虫酰胺的抗性倍数高于42 000倍[29];室内筛选的品系对氯虫苯甲酰胺产生225倍抗性后,对氟苯虫酰胺的抗性倍数高于5 400倍[13]。以上结果表明,草地贪夜蛾对氟苯虫酰胺的抗性发展速度远高于氯虫苯甲酰胺。生产中应减少使用氟苯虫酰胺防治草地贪夜蛾,而氯虫苯甲酰胺、甲维盐和茚虫威可继续在安徽省草地贪夜蛾防治中使用。

在草地贪夜蛾的原产地美洲地区,对氯虫苯甲酰胺和氟苯虫酰胺产生高水平抗性(分别为225倍和5 400倍)的草地贪夜蛾,其靶标RyR-I4734M突变频率达到100%[13]。本研究测定了安徽省6个地区的草地贪夜蛾种群对甲维盐、茚虫威、氯虫苯甲酰胺和氟苯虫酰胺的靶标突变情况,这些药剂的靶标GluCl、VGSC和RyR均未出现抗性相关位点突变。湖北省草地贪夜蛾中也未发现RyR存在I4734M和G4891E突变[32]。这可能是由于入侵安徽省的草地贪夜蛾目前对氯虫苯甲酰胺抗性水平不高,因此抗性基因突变频率仍处于很低的水平,未能检测到。GluCl基因A309和G315位点以及VGSC基因F1845和V1848位点突变,主要报道在对阿维菌素和茚虫威产生高水平抗性的小菜蛾中[1617],目前在草地贪夜蛾中尚未见报道,本研究亦未检测到该类型突变。草地贪夜蛾对甲维盐和茚虫威的靶标抗性突变是否也为这些位点,仍需要进一步研究和继续监测。

有机磷类和氨基甲酸酯类杀虫剂是防治草地贪夜蛾的传统药剂,目前草地贪夜蛾已对多种有机磷类和氨基甲酸酯类杀虫剂产生了不同程度的抗药性,在其靶标基因ace-1中也检测到A201S、G227A和F290V突变[15]。本研究发现,安徽省6个地区的120头草地贪夜蛾的ace-1基因存在A201S和F290V突变,杂合和纯合突变比例分别高达50.0%和81.7%,但G227A突变在田间种群和实验室种群中均未检测到。该结果与墨西哥和全国12省的草地贪夜蛾检测结果类似,与巴西和湖北省的检测结果有差异,墨西哥草地贪夜蛾田间种群也是只检测到A201S和F290V突变,未检测到G227A突变[30];全国12省的检测结果表明,入侵我国的草地贪夜蛾ace-1基因A201S和F290V突变比例分别达到11.6%和88.8%,523头个体中G227A位点均为敏感纯合基因型[31]。然而,在巴西和湖北省不仅检测到ace-1存在A201S和F290V突变,也检测到G227A突变[4,15]。虽然有机磷类和氨基甲酸酯类杀虫剂在我国并未推荐作为防治草地贪夜蛾的药剂,但检测结果显示安徽省6个田间种群的草地贪夜蛾ace-1的A201S和F290V突变频率均高于实验室种群。这可能是田间仍使用辛硫磷、克百威等有机磷类和氨基甲酸酯类杀虫剂防治玉米螟和黏虫,使草地贪夜蛾也接触到此类药剂,导致草地贪夜蛾田间种群ace-1的突变频率高于实验室品系。因此,在田间防治草地贪夜蛾时,建议少用或不用有机磷类和氨基甲酸酯类杀虫剂,避免ace-1基因的突变频率进一步增加。gzslib202204041353

本研究监测了安徽省草地贪夜蛾田间种群对4种常用杀虫剂的抗药性水平现状,并明确了这些药剂的作用靶标位点突变情况以及有机磷类和氨基甲酸酯类杀虫剂的靶标ace-1基因的突变情况。研究结果对于指导科学防控草地贪夜蛾具有重要实践意义。

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