第四章

三,抗药性形成的机制 抗性是杀虫剂选择的结果.产生抗性的原因有多种,按其由 遗传引起的种群特征的变化,或形态,生理生化特性的变化,可 分为行为抗性,生理抗性和生化抗性(或代谢抗性).可用图解 为:
1.行为抗性 行为抗性 杀虫剂的选择压也可选择行为的有利性,即能使其减 少或避免与杀虫剂接触.这些行为有二类:依赖于刺激的 行为回避[如应激性(irritability)和驱避性(repellency)]和非依 赖刺激的行为回避[如户外性(exophily)和喜动物性 (zoophily)].前者是指对昆虫的感觉给予瞬间刺激才表 现的回避;后者是指群体中部分昆虫对某种环境或寄主具 有天然的回避性. 总之,行为抗性就是指在药剂的选择压力下,那些有 利于昆虫生存的行为得以保存和发展,从而使昆虫种群中 具有这些行为的个体增多.
2. 抗药性的发展 2.2 生物学因子 昆虫世代周期;繁殖方式;昆虫行为; 昆虫世代周期;繁殖方式;昆虫行为;种群增长率 2.3 操作因子 操作因子包括人们操作和控制的因子.主要指选择压的强度 和范围,包括施药的剂量,次数,范围等. 另外,长期使用作用机理相近的或结构相近的药剂容易产生 抗药性;对同一种药剂,使用面积大或空间范围大的也容易产生 抗药性;防治指标低的较防治指标高的容易产生抗药性;在田间 施药时,要求的防效偏高而致使用药量大的易产生抗药性;长期 单一使用的药剂也易产生抗药性.这些操作因子均是延长药剂对 害虫的选择时间,从而增大了选择压,造成抗药性的产生. 上述三种因子并不是独立起作用的,而是相互影响的.结论: 上述三种因子并不是独立起作用的,而是相互影响的.结论: 某些因子对抗性发展的影响主要依赖于有无敏感个体的迁入, 某些因子对抗性发展的影响主要依赖于有无敏感个体的迁入,以 基因的功能显性( 及R基因的功能显性(即取决于用药量). 基因的功能显性 即取决于用药量).
2. 几个基本概念 自然耐药性(natural resistance):指一种昆虫在不同发育阶段,不同 生理状态及所处的环境条件的变化对药剂产生不同的耐药力. 交互抗性(cross resistance):昆虫的一个品系由于系统抗性机理 或相似作用机理或类似化学结构,对于选择药剂以外的其他从未 使用过的一种药剂或一类药剂也产生抗药性的现象. 负交互抗性(negative resistance):指昆虫对一种杀虫剂产生抗性后, 反而对另一种药剂变的更为敏感的现象. 多抗性(multiple resistance):昆虫的一个品系由于存在多种不同的 抗性基因或等位基因,能对几种或几类药剂都产生抗性. 选择性:指不同昆虫对药剂敏感性的差异. 抗性倍数(R/S):= R的LD50 (LC50 )/S的LD50 (LC50 ),如果 >5,轻度抗性;>10,明显抗药性.
2.生理生化抗性 生理生化抗性 生理抗性包括表皮和神经膜穿透作用降低,脂肪体等惰性部位 贮存杀虫剂的能力增强,排泄作用增强,围食膜特别发达,或能 引起呕吐,或分泌大量水分而引起水泻,加速将药剂排出体外等. 生化抗性主要是指由解毒作用增强,代谢加速而引起的,故 又称为代谢抗性.简单地说,昆虫对各类杀虫剂涉及的主要生理 生化抗性机理有以下几个方面: (1)穿透速率降低.包括两种类型:一是杀虫剂穿透昆虫表皮 的速率降低,二是杀虫剂对神经系统穿透作用降低; (2)代谢抗性:涉及到的酶有,细胞色素P450酶系,水解酶 (主要是酯酶),谷胱甘肽转移酶,DDT-脱氯化氢酶等; (3)靶标部位敏感度降低等.
二,抗药性的形成和发展 1.抗药性的形成 抗药性的形成 昆虫对杀虫剂产生抗性的问题,实质上是一个种群遗传学的 问题,服从Hardy-Weinberg Law这一种群遗传学的基本规律. 选择学说 认为抗药性是一种前适应现象(preadaptive phenomenon),完全取决于杀虫剂的选择作用. 诱导变异学说 认为昆虫种群中原来不存在抗性基因.而是 由于杀虫剂的直接作用,使昆虫种群内某些个体发生突变,产生 了抗性基因.药剂不是选择者而是诱导者. 抗性的形成实际上是一种进化现象,至少包括3个因素:(1) 变异.(2)遗传.(3)选择.选择起了定向的作用,即使基因 频率向一个方向发展,逐代累加.
2.2 代谢抗性 昆虫在杀虫剂的选择压力下,通过增强体内解毒酶的活力 和提高酶蛋白与杀虫剂分子的亲和性以及加强各种形式的酶促结 合等方式,加速对进入昆虫体内的杀虫剂的解毒代谢作用而使昆 虫表现出的抗药性,就是代谢抗性,简单地说就是解毒能力增 强. 参与代谢作用并与抗性有关的酶系主要有细胞色素P450酶系, 谷胱甘肽转移酶和水解酶(主要是脂族酯酶,DDT-脱氯化氢酶 等)等.
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2.2.2 酯酶与昆虫抗药性 酯酶是能够水解酯键的一类水解代谢酶. 昆虫中的酯酶主要是B类酯酶,包括胆碱酯酶,磷酸酯酶和羧 酸酯酶.与抗性有关的主要是羧酸酯酶. 羧酸酯酶实际上是由许多同功酶组成的.例如棉铃虫幼虫体内 有10个羧酸酯酶同功酶.羧酸酯酶解毒能力的增强在某些昆虫对有 机磷杀虫剂的抗性中起重要作用,对拟除虫菊酯类杀虫剂的抗性中 起一定的作用,而对氨基甲酸酯类杀虫剂的抗性主要是MFO的作用, 羧酸酯酶的作用很小. 酯酶活力增强主要有两个方面的原因:一是质的改变,即某一 个或某一些同功酶发生了变构;二是量的改变,即酶量的增加.酯 酶量的增加又有三种途径:一是基因扩增;二是基因表达调控的改 变;三是这两个途径兼而有之.酯酶在昆虫对杀虫剂的抗药性机制 中起两方面的作用:一方面是催化杀虫剂酯键断裂,代谢解毒;另 一方面是作为结合蛋白和进入体内的杀虫剂结合,从而减少到达作 用靶标的量.
2.1 穿透作用降低与抗药性 表皮穿透作用降低作为一中抗药性机理是由Forgash等首先 提出来的,他们发现了一个多种抗性的家蝇品系是对二嗪农的 穿透速率. 表皮穿透降低可能是延缓杀虫剂到达靶标部位的时间.在这 一时期内使抗性昆虫有更多的机会来降解这这些化合物. 根据穿透定律,穿透作用降低实际上是穿透常数降低,即 杀虫剂穿透昆虫表皮的速率降低,而并不是穿过表皮的杀虫剂 最终数量的减少. 穿透速率降低,作为一个抗性因子单独起作用时对抗性影 响较小.但若与其他抗性因子,比如解毒代谢因子互做时,抗 性就会大大加强.
第四章 农药抗药性原理
迄今至少有500多种昆虫及螨,150多种植物病原菌,180 多种杂草生物型产生了抗药性. 了解有害生物抗药性形成的机理及抗药性治理的策略, 对于正确合理地使用农药及研制新农药都有重要意义.
第一节 害虫抗药性
一,害虫抗药性的概念 1.定义 定义 关于昆虫的抗药性,世界卫生组织(WHO)曾在1957年作 了如下的定义:昆虫具有耐受杀死正常种群大部分个体的药量的 能力在其种群中发展起来的现象. 害虫抗药性专家Sawicki的表达可能较通俗:抗药性是指害 虫能够降低田间防效的一种反应,这是对毒物选择作出的一种遗 传上的改变.其特点是:(1)抗药性是对有害生物群体而言的 (种群性);(2)是针对某种特定的药剂而作出的反应(特定 性);(3)是药剂选择的结果(选择性);(4)是可以在群体 中遗传的(可遗传性);(5)是相对于敏感种群或正常种群而 言的(相对性).此外,应注意不要将"抗药性"和"自然耐药 性"相混淆.
2.3 靶标敏感性降低与抗药性 靶标敏感性降低是昆虫抗药性极为重要的生理生化机制之一. 目前,研究较多的主要有:有机磷和氨基甲酸酯类杀虫剂的靶标 乙酰胆碱酯酶,DDT和拟除虫菊酯类杀虫剂的主要靶标钠通道, 环戊二烯类杀虫剂的靶标GABA受体.
2.3.1 AchE 一般认为AchE的不敏感性主要由AchE变构引起,而AchE的 变构则是结构基因的点突变造成的.例如,果蝇中的AchE是由一 个独特的位点Ace编码的.Ace中的一个T突变为A将导致AchE的 苯丙氨酸(368)突变为酪氨酸后改变了AchE的催化特性,结果 降低了对杀虫剂的敏感性. 点突变可以发生在不同的部位,从而导致不同的抗性型. Fournier和Mutero(1994)从果蝇的田间品系中发现了4种突变型; 苯丙氨酸(115)变为丝氨酸;异亮氨酸(199)变为缬氨酸或苏 氨酸;甘氨酸(303)变为丙氨酸. 一个突变型的AchE中几个点突变的组合不但会导致产生不同 的抗性型,而且对抗性有明显的增强作用,即高抗性有可能来自 几个低抗性点突变的组合. AchE敏感性下降,除了AchE质的改变,即上述变构AchE外, AchE量的增加即AchE基因表达调控也可能对抗性产生影响.
2.2.4 DDT-脱氯化氢酶 昆虫体内的DDT在DDT-脱氯化氢酶的作用下,将DDT转 化为无毒的DDE.DDT-脱氯化氢酶有称为DDT酶,存在于各 种组织,包括化感器,保护神经系统免受积累过多的DDT.大 量的研究表明昆虫对DDT的抗性程度由于DDT酶活性存在正相 关性.
总之,代谢抗性的化学本质是杀虫剂代谢活性的增强,归 因于相关酶在数量或质量上的改变,可能涉及的机制包括基因 扩增,酶基因突变以及基因转录的增强等.
2.2.3 谷胱甘肽转移酶(GSTs)与昆虫抗药性 谷胱甘肽转移酶( ) 催化亲电子物质与内源的还原性谷胱甘肽(GSH)反应(主要 是将底物中的某个基团转移到GSH的硫原子上)的一类酶称为谷 胱甘肽S转移酶,简称GSTs.依所转移的基团种类将GSTs分为5 类:烷基转移酶,芳基转移酶,芳烷基转移酶,链烯转移酶和环 氧化物转移酶. 在昆虫抗性机制中主要涉及到烷基转移酶和芳基转移酶. 研究表明,GSTs代谢能力增强是家蝇对有机磷的抗性机制之一. 如抗二嗪农的家蝇品系较敏感酶系的GSTs代谢强度高5.2倍.此 外,谷胱甘肽(GSH)是GSTs催化结合反应的辅助因子,GSH的 含量对GSTs的催化有很大影响.已有实验证明某些昆虫的抗性与 GSH含量增加有关. GSTs结合杀虫剂后,增强了杀虫剂分子的水溶性,因此有利于 被害虫排出体外,从而使杀虫剂解毒.
2. 抗药性的发展 2.1 遗传学因子 2.1.4 抗性基因的共适应 就抗性而言,共适应(coadaptation)是指选择作用和抗性基 因同改善抗性有害作用的其它基因的整合作用(integration).在 抗性形成的早期,抗性不是上升而是下降,如做进一步选择,则 抗性会变的更为稳定,即停止药剂选择后仍较稳定,这就是共适 应的结果. 2.1.5 过去使用的杀虫剂的选择作用 过去广泛使用的杀虫剂可使群体内集聚了与这些杀虫剂有关 的抗性因子,因此往往容易对新的杀虫剂产生交互抗性而加速抗 性水平的发展. 2.1.6 抗性基因之间的互相作用 大多数抗性昆虫种群都是由多基因(2-5个)支配的.多个抗 性基因还可能存在相互作用.二个抗性基因结合时对抗性的影响 是倍增作用,而不是简单的相加作用.
2. 抗药性的发展 2.1 遗传学因子 2.1.1 起始抗性基因频率 昆虫种群的原始抗性基因频率是决定抗性发展速度的主要因 素.频率越高,在同样的选择压力下,形成抗性种群的速度越快. 2.1.2 抗性显性与杀虫剂剂量 如果抗性基因在功能上是显性,就容易被选择下来,抗性发 展快;如果抗性基因在功能上是隐性,其表现型在杂合子时依然 敏感,就不会被选择,只有纯合子的抗性基因才会被选择,因此 形成抗性较慢.RR,RS,SS 2.1.3 抗性基因的相对适合度与抗性的稳定性 适合度是指一个生物能生存并把它的基因传给下一代的相对 能力.当害虫对某种杀虫剂产生抗性后,往往是换用另一种无交 互抗性的杀虫剂.适合度强则抗性稳定. 适合度强则抗性稳定. 适合度强则抗性稳定
2.2.1 细胞色素 细胞色素P450酶系与抗药性 酶系与抗药性 P450酶系对杀虫剂代谢作用的增强是大多数重要害虫对杀虫 剂产生高水平抗性和交互抗性的主要原因(Scott,1996). 其间接证据是通过研究一些增效剂的作用发现的.其直接证 据来自MFO的离体测定,主要是通过:a 杀虫剂氧化代谢的直接 测定;b 模型底物氧化代谢的测定;c 对MFO酶系中P450水平的 测定;d P450光谱特征的变化.研究结果表明,抗性的发展普遍 与微粒体氧化作用增强有关( Wilkinson,1983). 增效醚(pbo)是MFO的专一性抑制剂,并对抗性品系的增 效作用大于敏感品系.利用pbo的增效作用来判断MFO是否参与 害虫抗药性形成,是研究抗药性性生理生化机制的常用工具之一. 昆虫抗药性除与MFO中的细胞色素P450水平有关外,还和其 他组分,特别是P450还原酶和细胞色素b5水平有关. MFO解毒能力增强:P450量的增加;P450质的改变.另外, MFO活性增强可能也是造成交互抗性的原因之一.