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甲氨基阿維菌素苯甲酸鹽的抗性機理研究進展
作者:沈陽農業大學 車午男 李新宇 李修偉 張鑫宇 王 睿 王 凱 紀明山 更新時間:2019-06-03

    甲氨基阿維菌素苯甲酸鹽(emamectin benzoate),簡稱甲維鹽,是1984年美國默克公司對4″-(α-1-齊墩果糖基)-α-1-齊墩果糖上的羥基進行衍生化研究的結果。甲維鹽作為一種新型抗生素類生物源殺蟲劑,具有廣譜、高效、低毒、低殘留等優點,對鱗翅目害蟲具有良好的殺蟲效果,甲維鹽對一些鱗翅目昆蟲的LC90值范圍在0.002~0.89 mg/L。與其先導化合物阿維菌素相比較,甲維鹽的毒性更低,對大鼠的毒性僅為阿維菌素的1/6,常規劑量下對人、畜等安全,且易降解。

 

    在過去的幾十年里,由于新型殺蟲劑甲維鹽具有獨特的作用方式,且對鱗翅目害蟲幼蟲表現出很好的毒性,如小菜蛾、菜青蟲等重要蔬菜害蟲,尤其對小菜蛾、甜菜夜蛾有特效,同時對螨類害蟲有較高活性,我國引入其來控制鱗翅目害蟲的危害,最初應用于甘藍、白菜和蘿卜等蔬菜上防治小菜蛾,后逐步推廣到經濟作物,乃至大田作物。其在防治效果上對很多害蟲顯示出其他農藥無法比擬的活性:對小菜蛾、甜菜夜蛾、二化螟和朱砂葉螨的相對毒力分別是阿維菌素的10.54、10.50、1.50、0.69;對亞熱帶黏蟲的毒力比滅多威、硫雙威和氰戊菊酯毒力高1720、884、268倍;對鱗翅目害蟲殺蟲活性比阿維菌素高1,500倍,如甜菜夜蛾;對灰翅夜蛾、煙草夜蛾及谷類夜蛾的胃毒毒力分別是阿維菌素的1,166、43、105倍。

 

    盡管我國鱗翅目害蟲對阿維菌素類殺蟲劑抗藥性的發展還沒有引起明顯的田間防治失敗,大規模的阿維菌素類殺蟲劑抗性暴發還未出現,但是近年的研究和田間抗性監測發現,部分蔬菜害蟲已經對其產生了抗性,且抗藥性有逐步升高的趨勢。所以必須高度重視這一潛在風險,以防防治失敗造成作物大面積減產甚至絕收。為了延緩害蟲對甲維鹽抗藥性的產生及發展,延長其使用壽命,必須對其作用機制、抗性現狀和抗性機理進行深入研究。

 

甲維鹽抗性發展研究概況

    目前,甲維鹽/阿維菌素常用于防治蔬菜害蟲,如小菜蛾、甜菜夜蛾、斜紋夜蛾等,由于其防治效果良好,在十字花科蔬菜害蟲防治上得到廣泛應用且有效控制了鱗翅目害蟲種群的發生規模,延緩了其對傳統殺蟲劑的抗性演化速度。但是,鱗翅目害蟲對甲維鹽等十六元大環內酯類殺蟲劑抗性的適應性進化問題使該類殺蟲劑對鱗翅目害蟲的可持續控制作用面臨重大挑戰,已有抗藥性相關報道證實小菜蛾對該類殺蟲劑的抗性發展日趨嚴重。尹勇對部分地區甜菜夜蛾田間種群進行了抗藥性監測工作,發現某些地區的甜菜夜蛾種群已對甲維鹽產生低等到中等水平抗性。司升云等報道了宜昌地區甜菜夜蛾田間種群對甲維鹽的抗性已達中等抗性水平。Che等也報道了部分甜菜夜蛾田間種群對甲維鹽具有高水平抗性(上海及云南等地)。

 

甲維鹽的抗性機理研究概況

    現有研究認為,節肢動物和線蟲對大環內酯類藥劑,如阿維菌素,甲維鹽的抗藥性,大多數情況下與多個遺傳因素有關。主要機制包括:代謝抗性,包括解毒代謝酶中的細胞色素P450單氧酶(P450)、谷胱甘肽S-轉移酶(GST)和酯酶(EST);減少殺蟲劑的角質層滲透;靶標位點不敏感,如門控氯通道的構象變化;細胞膜上三磷酸腺苷結節盒轉運蛋白(簡稱ABC轉運蛋白,ATP-binding cassette transporter,ABC-transporter)在phase Ⅲ的解毒過程中,ABC轉運蛋白可以主動將細胞內的有毒物質泵出細胞,有助于昆蟲抵抗異生物質。

 

2.1  解毒代謝酶抗性

    研究人員認為甲維鹽的作用機制與其類似物阿維菌素相似或相同,也可由多功能氧化酶活性的變化引起。郭煒通過增效劑試驗證實了稻縱卷葉螟解毒代謝酶對甲維鹽的解毒代謝作用,說明解毒代謝酶活性的變化可能導致稻縱卷葉螟對甲維鹽抗性的形成。有報道通過增效劑試驗證明小菜蛾對阿維菌素抗性與多功能氧化酶相關,同樣的結果也在馬鈴薯甲蟲中有所發現。還有研究發現,三大解毒代謝酶的活性變化是西花薊馬對甲維鹽產生抗藥性的主要原因。

 

2.2  靶標抗性

    趙衛東等報道,乙酰膽堿酯酶活性變化是導致二斑葉螨對阿維菌素產生抗藥性的重要原因之一,同樣的結果在西花薊馬甲維鹽抗性種群中也得到了驗證。但是,乙酰膽堿酯酶活性的改變作為昆蟲對阿維菌素類殺蟲劑抗藥性機理的報道較少。

 

    大多數研究仍認為該類藥劑是作用于半胱氨酸換配體門控離子通道家族基因,通過破壞寄生蟲神經肌肉系統達到殺蟲目的。在最初的研究中,并不知道寄生蟲存在谷氨酸門控氯離子通道(GluCls),大環內酯類殺蟲劑的作用靶標被認為是GABA受體。大約10年后,在秀麗隱桿線蟲中克隆出2個GluCl亞基,并在非洲爪蟾蜍卵母細胞中成功表達。這2個亞基能夠形成對谷氨酸、鵝膏蕈氨酸鹽、伊維菌素和其他阿維菌素類敏感的雜聚肽通道。Etter等認為α亞基可以為谷氨酸提供1個結合位點,但是不能打開離子通道。GluCl α1基因在咽肌細胞pm4、pm5和一些神經中表達,GluCl β在pm4中表達。Vassilatis等發現伊維菌素和谷氨酸均能降低谷氨酸受體的敏感性,點突變可導致結合能力下降。

 

    在非洲爪蟾蜍卵母細胞中表達捻轉血矛線蟲的GluCl亞基,該亞基被伊維菌素和莫昔克丁緩慢的不可逆轉的激活。盡管GluCl作為靶標位點似乎被更廣泛的接受,然而,人們普遍認為,阿維菌素類藥劑對GABA和GluCl都起作用。Arena等的研究發現:阿維菌素和米爾貝霉素可以與線蟲GluCl結合并激活,表明GluCl是阿維菌素和米爾貝霉素在線蟲的主要靶標位點。伊維菌素對捻轉血矛線蟲GluCl具有高親和力,進一步證明這種受體是伊維菌素在線蟲的靶標位點。其他阿維菌素類藥劑與伊維菌素在GluCl上的結合位點相同,但是其親和力相對較低。苦味毒、氟蟲腈和谷氨酸與GluCl通道上的其他位點結合。伊維菌素可不可逆轉地激活秀麗隱桿線蟲GluCl α和GluCl β通道以及果蠅GluCl通道,但是伊維菌素無法與捻轉血矛線蟲和秀麗隱桿線蟲的GluCl β亞基相結合,表明線蟲GluCl α亞基對藥物具有選擇性。使用抗-HcGluCl α/β和抗-GABA抗體,HcGluCl αβ亞基定位在捻轉血矛線蟲GABA運動神經元,進一步證明這2個亞基構成受體的形式。用特定的抗體定位捻轉血矛線蟲GluCl3α,發現其定位在線蟲的主要化學感覺器官——頭感器。上述研究結果均可證明GluCl及GABA是大環內酯類藥劑的主要作用靶標。

 

2.3  ABC轉運蛋白誘導抗性產生

    ABC轉運蛋白作為超家族跨膜蛋白,從原核生物到人類均保守存在,基于序列的相似性,這些蛋白被分為8個亞家族,用A~H表示。這類跨膜蛋白不僅可以轉運多種底物,還有其他作用,如細胞信號和核糖體的組裝和翻譯。現有研究認為ABC轉運蛋白可以將毒性物質經過初級和次級代謝(PhaseⅠ和Ⅱ)形成的極性產物或螯合物強制性排出胞外(Phase Ⅲ),有時候ABC轉運蛋白還能直接將有毒物質排出胞外(Phase 0),ABC轉運蛋白這種排出作用可減少胞內藥物的積累,實現解毒,導致耐藥性產生。據報道,ABC轉運蛋白與27種分屬不同種類的殺蟲或殺螨劑的抗性有關,主要是ABCB、ABCC和ABCG 3個亞家族的基因,既有基因突變造成與底物親和力下降,也有增加表達量引起對藥物或其代謝產物的排出作用增強。

 

    隨著研究的深入,有證據表明ABC轉運蛋白可以吸收、結合和消除宿主和寄生蟲中的大環內酯類藥劑,其中包括P-glycoproteins(P-gps,ABCB1)。1976年首次在倉鼠卵巢細胞中發現P-glycoproteins,其由MDR/ABCB1編碼。其在保護組織免受有毒異物和內源性代謝物傷害中起著至關重要的作用,也影響許多重要藥物的吸收和分布。P-gp的底物廣泛且具有特異性,阿維菌素類藥劑,如甲維鹽、伊維菌素均是其底物。P-gp被證實參與了許多寄生蟲和昆蟲對阿維菌素類殺蟲劑的抗藥性形成。此外,P-gp的過量表達已導致多種昆蟲產生抗藥性種群,如二斑葉螨、鮭魚海虱、煙草蚜蟲。

 

    使用ABC轉運蛋白抑制劑維拉帕米處理鮭魚海虱和昆蟲,均證實ABCB HTs/P-gp可通過協同作用抑制大環內酯類的毒性。用大環內酯類藥劑處理人類體虱、海虱成蟲和小菜蛾均可誘導ABC轉運蛋白表達上調,其中甲維鹽/阿維菌素處理海虱成蟲/小菜蛾導致其ABCB FT/P-gp表達量上調。Okechukwu通過ATPase活力測定以及競爭性抑制試驗證明了甲維鹽與ABC轉運蛋白相互作用,大多數的大環內酯類藥物可刺激ABCB FT/P-gp介導的Rhodamine 123流出,通過劑量-時間方式誘導ABCB FTs/P-gp表達,直接激活鈣離子通道,間接地激活氯離子通道提高胞內鈣水平。使用RNAi敲減在人類體虱中上調表達的ABC轉運蛋白基因驗證其功能,發現這些基因在對伊維菌素的代謝及抗藥性產生中起到了至關重要的作用。這些發現均表明,阿維菌素/甲維鹽是P-gp的底物,能誘導ABC轉運蛋白表達增加,P-gp mRNA表達量的增加可能導致阿維菌素類藥劑的有效性降低。

 

結語

    綜上,昆蟲對甲維鹽的抗藥性機理是復雜的,不同昆蟲種群的抗藥性機理也不盡相同,因此研究昆蟲對甲維鹽的抗性機理可為科學合理地使用該類殺蟲劑,延長產品壽命提供重要的科學依據。甲維鹽可與其他多種不同作用機理的殺蟲劑進行混用或

 

    輪換使用,以延緩昆蟲對其抗藥性的產生及發展。在部分阿維菌素類藥劑抗性水平較高地區應立即停用或暫緩使用該類藥劑,等到該地區對阿維菌素類藥劑抗性水平下降再重新策劃使用方案,以防田間害蟲抗性基因頻率增加,喪失該類藥劑對害蟲的可控力。    (來源:農藥)

 

農藥快訊, 2019 (10): 41-42; 36.

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