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                  BSM CHEMICAL IMPORT & EXPORT CO.,LTD.

                  多杀菌素类杀虫剂的应用及其抗性研究进展

                  2022-03-14
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                  多杀菌素类杀虫剂——多杀菌素(又名多杀霉素,spinosad)和乙基多杀菌素,作为一类高效安全的生物杀虫剂,既对靶标害虫具有快速高效杀虫活性,又对非靶标生物安全,主要降解方式是光解和微生物降解,最终分解为碳、氮、氧等,在防治农业害虫、储粮害虫、卫生害虫以及动物寄生虫等方面发挥着重要作用。其主要作用于烟碱型乙酰胆碱受体和 γ–氨基丁酸受体,通过刺激害虫的神经系统从而引起兴奋,导致非功能性的肌肉收缩、颤抖、衰竭和麻痹等,最终致害虫死亡。 


                  多杀菌素是由土壤放线菌——刺糖多孢菌经有氧发酵产生的大环内酯类杀虫剂,具有高效杀虫活性,1999 年获得美国“总统绿色化学品挑战奖”。陶氏益农公司在我国登记的多杀霉素产品为菜喜 SC (Success?)和催杀SC (Conserves?)。研究者通过明确多杀菌素生物合成的中间体及合成路径后,筛选出能合成多种新的多杀菌素类物质的菌株后,应用人工神经网络对多杀菌素类新物质及其活性进行定量-构效关系分析,最终通过半合成修饰获得了第2代多杀菌素——乙基多杀菌素,并于2008年再次获奖。此外,国家粮食和物资储备局科学研究院从国内采集的土样中筛选获得了产多杀菌素结构类似物——丁烯基多杀菌素的须糖多孢菌,并对菌株的生长代谢特性进行了相关研究。 


                  1 多杀菌素和乙基多杀菌素的应用


                  1.1 多杀菌素和乙基多杀菌素对农业害虫的防治 


                  多杀菌素类杀虫剂是新型微生物源杀虫剂,可用于果蔬、水稻、花卉等作物的害虫防治,能有效地防治鳞翅目、双翅目、缨翅目等多种害虫。虽目前市场上没有丁烯基多杀菌素产品,但其对苹果蠹蛾和重要农业害虫烟青虫具有良好的杀虫活性(表1)。多项研究显示,多杀菌素和乙基多杀菌素对不同日龄、性别害虫的毒杀活性不同,且不同处理方式也对致死率有影响,如Moretti等发现经多杀菌素喂食处理的洋葱蛆1周幼虫的死亡率是2周幼虫的2倍,但触杀处理对1周和2周幼虫的毒性相当。金涛等测定了低浓度多杀菌素对云南重大农业害虫草地贪夜蛾幼虫的致死率达100.0%。来有鹏发现多杀菌素对茴香薄翅野螟幼虫的毒性较大,处理24h的LC50为5.3mg/L,48h的LC50为1.4mg/L。 


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                  乙基多杀菌素对某些农业害虫具有高毒性且环境温度对其防效也有影响,Yee发现乙基多杀菌素对美国西部樱桃果蝇雌蝇的防效强于多杀菌素,2种多杀菌素对3~4 d果蝇的产卵率影响较大,且低温下对果蝇的致死率较低。董丽娜等采用叶管药膜法测定发现乙基多杀菌素处理后3~14d对烟蓟马的田间防治效果达90.0%以上,对黄曲条跳甲的防效为68.6%~78.1%、对猿叶甲的防效为100.0%。乙基多杀菌素1000和2000倍稀释液喇叭口点施,处理后7d防效均达90.0%以上,能维持稳定高效的杀虫活性。 


                  1.2 多杀菌素和乙基多杀菌素对储粮害虫的防治 


                  储粮害虫种类繁多,在我国储粮害虫种类达200余种,造成粮食在储藏运输流通环节的大量损失。大量滥用化学农药使粮食品质受到影响,故生物源杀虫剂备受青睐。多杀菌素类杀虫剂的降解方式不会对环境造成负担,在植物中也可快速分解代谢,膳食残留量较低,具有较高的商业推广价值。目前,美国登记的此类杀虫剂可在大麦、玉米、稻谷、小麦等粮食作物上使用,在中国,多杀菌素也应用于仓储害虫的防治。在避光缺氧环境下,在一年的仓储期内此类杀虫剂几乎不分解,杀虫活性可维持1~2年。大量研究结果显示,1.0mg/kg多杀菌素能有效防治常见储粮害虫如锈赤扁谷盗谷蠹、锯谷盗、米象、玉米象等。试验仓中多杀菌素及多杀菌素复配剂组中,玉米象、赤拟谷盗等主要储粮害虫发现时间均晚于未作任何处理的对照仓,对照仓中虫口密度是试验仓的1.4倍。还有学者发现,多杀菌素能提升储粮害虫对温度的敏感性,降低其耐受能力从而起到杀虫作用。为了满足应用需要,此类杀虫剂被开发出多种剂型,如粉剂、水乳剂、复配剂、微乳剂等。 


                  在仓储害虫的防治中,乙基多杀菌素也取得了很好的效果,杨国浩等测得乙基多杀菌素对烟草粉螟幼虫的触杀活性高于高效氯氰菊酯,可大幅降低烟草粉螟的虫口密度。乙基多杀菌素能维持高的子代种群抑制率,4.0mg/kg的剂量条件下对麦蛾子代种群的抑制率为100.0%。 


                  1.3 多杀菌素和乙基多杀菌素对卫生害虫的防治 


                  卫生害虫是传染病传播的重要媒介,对人类的生活和身体健康有严重的影响,长期高剂量有机氯类、有机磷类、氨基甲酸酯类等化学防治使蚊、蝇抗性问题越来越严重,从源头控制和消除病媒生物是保护居民身体健康,促进社会经济发展的根本。


                  多杀菌素和乙基多杀菌素的杀灭效果在伊蚊、按蚊和家蝇等卫生害虫上都得到了验证。利用多杀菌素颗粒剂和片剂对野外模拟水稻田小区施用防治三带喙库蚊幼虫,颗粒剂处理后大龄幼虫减退率高于片剂,2种剂型对三带喙库蚊控制持效期长。Sheele用多杀菌素防治一种以血为食的人体外寄生虫温带臭虫,以施用后的血药浓度峰值为测定药物剂量,多杀菌素1000ng/mL及以上剂量致死能力达75.0%。Gimnig等用多杀菌素乳化剂在处理肯尼亚西部按蚊1周后效果减弱,缓释剂4周后效果减弱,分散片施用后效果立即降低,可见不同剂型对一些卫生害虫的杀灭效果也不同。 


                  乙基多杀菌素对某些害虫具有更好的防治效果,有研究显示,乙基多杀菌素对家蝇的毒性大约是多杀菌素的2倍。 


                  1.4 多杀菌素和乙基多杀菌素对动物寄生虫的防治

                   

                  多杀菌素对家畜、宠物寄生虫也具有优越的防治效果,且低毒易降解,对家畜和宠物本身的伤害小。多项研究结果显示多杀菌素能有效防治宠物寄生虫。Packianathan等在第0、30、60d给狗服药,第14d跳蚤数相对于第0d减少94.6%,第60d对狗的跳蚤的平均有效率大于98.8%。Franc 等使用多杀菌素片治疗和控制猫身上的跳蚤感染,以塞拉霉素为对照组,用药60d后试验组蚤数平均减少96.0%,高于对照组,接受治疗的动物均无不良反应出现。虽然乙基多杀菌素在防治动物寄生虫方面的报道不多,但疗效显著。Paarlberg等对比不同药物对猫蚤的治疗效果,结果为乙基多杀菌素处理后0~37d对猫蚤的有效率大于96.0%,杀虫效果强于氟虫腈,且无不良反应出现。这些研究表明多杀菌素和乙基多杀菌素能安全有效地预防和治疗猫蚤感染。 


                  2 对多杀菌素和乙基多杀菌素的抗性及抗性机制研究 


                  2.1 害虫对多杀菌素和乙基多杀菌素的抗性 


                  随着多杀菌素和乙基多杀菌素的广泛应用,近年来多种害虫对其发展了不同程度的抗性。如伊蚊是几种虫媒病毒的主要传播媒介,埃及伊蚊对多杀菌素和乙基多杀菌素均有中等抗性。从西澳大利亚的核果中采集的西花蓟马出现对乙基多杀菌素的抗性,其LC50和LC99分别为敏感品系的19倍和77倍。多杀菌素是目前巴西用于防治番茄螟虫的主要杀虫剂之一,处理世代第7代时,抗性达到18万倍以上。这2种杀虫剂对小菜蛾有很高的防治效果,但也发展了不同程度的抗性,且这2种杀虫剂之间产生了交互抗性,相似的结构使多杀菌素类杀虫剂有相似的杀虫机制,其作用机制不同于其他类杀虫剂(表2),故与其他杀虫剂间不存在交互抗性。


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                  2.2 害虫对多杀菌素和乙基多杀菌素的抗性机制

                   

                  昆虫的抗性严重影响杀虫剂防治效果,使杀虫剂用量增大。昆虫抗性机制来自多个方面如代谢作用增强、靶标敏感性降低、穿透率降低、行为抗性等,目前研究最深入的2个方面是靶标抗性机制和代谢增强机制。研究表明,靶标突变使得自身结构功能特性发生改变而导致多杀菌素与烟碱型乙酰胆碱受体(nAChR)或 γ-氨基丁酸受体的结合能力下降或靶标表达量改变导致靶标敏感性降低,最终使昆虫产生抗性。此外一些昆虫对多杀菌素的抗性与细胞色素P450s(CYP450s)、羧酸酯酶(CarE)、谷胱甘肽-S-转移酶(GSTs)介导代谢增强有关。 


                  2.2.1 代谢抗性 


                  抗性的发展是害虫治理面临的重大挑战,代谢抗性表现为害虫的解毒酶代谢能力增强。从分子水平研究P450s是否参与了昆虫对多杀菌素类杀虫剂产生抗性是有效的方法。此外多项研究表明CarE和GSTs等活性升高也是导致昆虫产生抗性的机制。例如,有学者利用转录组分析从低、中和高抗性烟草蓟马中发现多个可能参与多杀菌素抗性的不同表达基因,并且CYP450s表达量随着抗性程度增加而增加。但也有人对田间桔小实蝇抗性种群采用杀虫增效剂-羧酸酯酶抑制剂(DEF)和CYP450s 酶抑制剂(PBO)进行增效生物测定,发现其对多杀菌素毒性的协同作用不显著,对多杀菌素抗性达到18万倍以上的番茄螟虫CarE和CYP450s酶活性降低,表明CarE和CYP450s没有参与这些昆虫对多杀菌素的抗性。还有试验发现在家蝇中抗性的产生与性别有关,抗性家蝇品系791spin中,外源生物代谢相关的基因CYP4d9和CYP6G4表达高于敏感品系,CYP4G2基因在雌性家蝇中高表达,表明CYP4G2可能与雌性家蝇对多杀菌素产生高抗性有关。 


                  不同害虫及同种害虫不同种群产生抗性的机制不同,乙基多杀菌素为蓟马、小菜蛾等提供了有效的防治方案,从西花蓟马中发现代谢增强是其对乙基多杀菌素产生抗性的机制,其羧酸酯酶CarE、谷胱甘肽-S-转移酶GSTs、微粒体多功能氧化酶MFOs、细胞色素单加氧酶P450活性显著增强。但黄胸蓟马抗性品系增效试验结果显示,代谢抗性不是其对乙基多杀菌素产生抗性的机制。小菜蛾的乙基多杀菌素抗性品系中,显示有3个上调蛋白GSTs、CarE、AchE,2种品系在mRNA水平上差异显著。 


                  2.2.2 靶标抗性 


                  尽管多项研究表明昆虫的CYP450s介导增强是导致抗性的机制,但在番茄螟虫、桔小实蝇等昆虫中发现与代谢抗性无关。nAChR α6亚基是多杀菌素的作用靶标,其中氨基酸替换是果蝇和蓟马种群对多杀菌素产生抗性的原因。例如,在抗多杀菌素的果蝇和花蓟马品系中分别发现了nAChR α6亚基的氨基酸替换G275E和G275V,将该突变引入到果蝇的nAChR α6亚基,其对多杀菌素的敏感性降低66倍。此外,还有靶标基因突变及其相对表达量改变可能导致昆虫产生高抗性,在多杀菌素高抗性的地中海果蝇中,在nAChR α6亚基中鉴定出了3个隐性突变等位基因。Wang等证实了小菜蛾对多杀菌素高抗性水平的产生与nAChR α6亚基中的3个氨基酸缺失有关。 


                  在中国,瓜蓟马和棕榈蓟马对乙基多杀菌素的抗性主要是由nAChR α6亚基的氨基酸替换G275E和F314V引起,突变频率超过90%的品系,其LC50范围是未突变品系的60~276倍。 


                  3 结 语


                  多杀菌素类杀虫剂为广谱高效的绿色生物农药,在害虫综合防治中具有很好的应用前景,但多杀菌素和乙基多杀菌素现已出现交互抗性,在抗性治理中需避免二者轮用,延缓抗性发展。通过化学修饰和生物合成改造,得到其结构类似物是扩大此类杀虫剂杀虫谱,提高杀虫活力和延缓害虫抗性发展的有效途径。丁烯基多杀菌素为天然合成产物,比多杀菌素具有更广泛的杀虫谱,能杀灭多杀菌素和乙基多杀菌素防治效果不佳的苹果蠹蛾和烟青虫等,在延缓害虫抗性方面极具潜力。目前,丁烯基多杀菌素的发酵产量较低,在市场上未见相关产品登记的报道,如何提高其发酵产量是亟待解决的一大难题。通过基因工程改造、理化诱变筛选丁烯基多杀菌素高产菌株和培养基优化提高发酵产量已成为近年研究的热点。此外,不同害虫种群对多杀菌素类杀虫剂显示出代谢抗性和靶标抗性两种抗性机制,对此类杀虫剂代谢抗性机制研究仅在抗性害虫的代谢解毒酶活性和CYP450s基因表达量的变化等方面,还需对代谢抗性的调控机制进一步研究。 


                  我国越来越重视低毒低残留和对生态环境无污染的新型农药开发,发展生物农药是增强农产品国际竞争力和发展绿色产业的主要路径。因此,要加大对生物农药的分析和研究,以理性、客观的方式看待生物防治和化学防治的优缺点。 


                  作者:王珂慧、郭超、刘艳丽、王靖楠、王超 

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