小菜蛾对多杀霉素和氯虫苯甲酰胺抗性的特征及机理

1、小菜蛾对多杀霉素和氯虫苯甲酰胺抗性的特征及机理小菜蛾 Plutella xylostella (Lepidoptera:Yponomeutidae)属于鳞翅目菜蛾科 , 是世界范围内的一种重要害虫, 每年造成的经济损失达4050 亿美元。小菜蛾寄主植物种类达40 多种 , 主要为害十字花科蔬菜。由于生活周期短、繁殖能力强、世代重叠严重及田间不合理用药, 使小菜蛾几乎对所有的防控用药 ( 至少涉及 84 种杀虫剂 ) 产生了不同程度的抗性。小菜蛾抗药性问题给十字花科蔬菜生产带来严重威胁和巨大挑战, 抗性治理形势严峻。多杀霉素是一种作用于烟碱型乙酰胆碱受体的抗生素类药剂, 氯虫苯甲酰胺是作用于昆虫

2、鱼尼丁受体的二酰胺类杀虫剂。这两种新型杀虫剂均对鳞翅目等靶标害虫具有优异的防治效果, 并具备良好的环境安全性。本文系统研究了小菜蛾对多杀霉素和氯虫苯甲酰胺抗性的特征( 包括抗性筛选、抗性稳定性、交互抗性谱及抗性遗传方式等) 以及抗性机理 , 研究结果对于了解小菜蛾对新型杀虫剂抗性演化的分子机理及制订抗性治理对策具有重要意义。1. 小菜蛾对多杀霉素抗性特征的分析利用浸叶法对小菜蛾SZ-Spin56 品系进行26 代连续筛选 , 获得多杀霉素高抗品系SZ-Spin83 。与室内敏感品系 Roth 和室内对照品系SZ 相比 ,SZ-Spin83 品系对多杀霉素的抗性分别达到10,000 倍和 4,0

3、00 倍。对该高抗品系用多杀霉素继续筛选或停止筛选 , 抗性均无显著变化 , 表明小菜蛾 SZ-Spin83 品系对多杀霉素抗性稳定( 抗性基因已经纯合 ) 。交互抗性测定结果显示 ,SZ-Spin83 品系对阿维菌素和乙基多杀菌素存在高水平交互抗性 ( 交互抗性分别为 468 倍和 2396 倍), 对茚虫威、高效氯氰菊酯、 氟虫腈、溴虫腈、巴丹、啶虫隆、丁醚脲、虫酰肼、氰氟虫腙和氯虫苯甲酰胺均没有明显交互抗性。抗性遗传方式分析表明, 小菜蛾 SZ-Spin83 品系对多杀霉素的抗性受位于常染色体、共显性遗传的两个或两个以上基因控制。2. 小菜蛾对多杀霉素的抗性机制三种解毒酶抑制剂 (PBO

4、、DEM和 DEF)在室内敏感品系 Roth、室内对照品系 SZ和抗性品系 SZ-Spin83 中对多杀霉素均不存在显著的增效作用 ( 增效比 <2 倍) 。SZ-Spin83 品系多功能氧化酶、酯酶和谷胱甘肽 S- 转移酶活性相对于敏感品系 Roth 有所升高 (<2 倍), 但与其初始种群SZ品系水平相当 (<1.2倍 ) 。因此 , 代谢酶介导的解毒作用与SZ-Spin83 品系对多杀霉素的抗性关系不大,其主导抗性机理可能为靶标变异。 通过 RT-PCR和 RACE技术克隆了小菜蛾烟碱型乙酰胆碱受体 Pxa2 基因 , 该基因在多杀霉素抗性品系和

5、敏感品系间不存在保守的氨基酸突变位点 , 并且该基因 mRNA表达水平在抗性品系SZ-Spin83 与其初始种群 SZ 之间没有显著差异。另外 , 对已报道的多杀霉素抗性基因Pxa6 进行了研究。通过对敏感品系Roth55 个和抗性品系 SZ-Spin8358 个阳性克隆的测序 , 检测到 Pxa6 亚基的 6 种转录本 , 其中 3 种类型为本研究首次发现。Pxa6 基因在抗性和敏感品系间不存在保守的氨基酸突变位点, 同时SZ-Spin83 品系与其初始种群SZ相比 ,Pxa6 的 mRNA表达量没有差异。因此 , 我们认为小菜蛾对多杀霉素的抗性机理以靶标抗性为主, 但与烟碱型乙酰胆碱受体a

6、6 亚基 (Pxa6) 和 2 亚基 (Pxa2) 无关 , 或为 nAChR其它亚基突变所致 , 亦不排除其它靶标基因参与抗性演化的可能性。3. 小菜蛾对氯虫苯甲酰胺的敏感毒力基线和抗性监测利用浸叶法测定了2007-2009 年间采集自我国 11 个地区的 16 个田间种群和 7 个室内饲养品系对氯虫苯甲酰胺的敏感性。 16 个田间种群的 LC50值介于 0.221-1.104mg/L之间 , 敏感性波动幅度在5 倍以内； 7 个室内饲养品系基于LC50值的敏感性波动范围小于10倍。同时 , 利用 16 个田间种群的毒理学数据确定了15mg/L 的诊断剂量 ,7 个室内品系和 5 个田间小菜

7、蛾种群在该剂量下的平均死亡率为99.75%(98%-100%)。该结果表明我国小菜蛾田间种群对尚未用于蔬菜害虫防控的氯虫苯甲酰胺具有较高的敏感性。本研究建立的小菜蛾对氯虫苯甲酰胺敏感毒力基线对于抗性监测与预警具有重要价值。在2010-2011 年间 , 监测了我国 12 个地点采集的 20 个小菜蛾种群对氯虫苯甲酰胺敏感性的变化。结果表明 , 采自北部地区的 14 个田间种群对氯虫苯甲酰胺仍然敏感,LC50 值在 0.226-0.71mg/L, 波动范围仅 3 倍。采自广东省的 6 个田间种群对该药剂的抗性水平差异很大 ,LC50 值在 0.343-256.2mg/L 之间 , 波动幅度达 7

8、70 倍。与敏感品系 Roth 相比 , 广东珠海 (ZH) 和增城 (ZC) 种群分别具有 150 倍和2,140 倍的抗性。该结果表明 , 必须合理使用氯虫苯甲酰胺防治小菜蛾以延缓抗性；同时 , 加强小菜蛾对氯虫苯甲酰胺抗性的监测, 在高抗地区必须停止使用氯虫苯甲酰胺。4. 小菜蛾对氯虫苯甲酰胺抗性特征的分析 2011 年秋季采集的对氯虫苯甲酰胺具有抗性的 PY、ZH和 ZC种群 (F3 测定抗性倍数为 18-1,150 倍), 对氟虫双酰胺表现出相近的抗性水平 (15-800 倍), 说明二酰胺类的两种药剂之间存在着交互抗性。药剂选择压力移除以后 ,ZC 种群对氯虫苯甲酰胺的抗性表现出不

9、稳定性 ,由 2,040 倍下降至 25 倍仅用 6 代时间。抗性遗传方式分析表明 , 小菜蛾 ZC高抗种群对氯虫苯甲酰胺的抗性为常染色体、不完全隐性遗传。由ZC分离一部分建立 ZC-R品系 , 对其进行的增效实验表明 PBO、 DEF和 DEM对氯虫苯甲酰胺毒力具微弱的增效作用( 增效比为 2.2 2.9), 表明代谢酶介导的解毒作用在氯虫苯甲酰胺的抗性形成中作用有限, 靶标抗性可能为小菜蛾对氯虫苯甲酰胺抗性的主要机理。5. 小菜蛾鱼尼丁受体的变异与氯虫苯甲酰胺抗性的关系昆虫鱼尼丁受体是二酰胺类杀虫剂的作用靶标。我们克隆了小菜蛾的鱼尼丁受体基因(PxRyR)cDNA全长 , 从而为研究靶标抗

10、性奠定基础。PxRyR由 15,495bp 的 ORF框、267bp 的 5-UTR区和 351bp 的 3-UTR区组成 , 编码 5164 个氨基酸 , 分子量约为 583.7KDao PxRyR具备鱼尼丁受体的普遍特征：保守的羧基端结构 , 此区域含 6 个跨膜结构域可形成功能性的 Ca2+通道 , 胞浆区为大的氧基端结构域。 PxRyR与昆虫 RyR在氨基酸水平上的一致性很高 , 为78%-80%. PxRyR全长 cDNA存在 10 个缺失多态性位点 , 说明单个 PxRyR基因可以产生多种类型的转录本。同时 ,PxRyR基因在小菜蛾卵期、 幼虫期和成虫期mRNA表达量分别是蛹期的1.36 、2.47 和 1.40 倍, 幼虫期表达量显著高于蛹期；在幼虫不同组织部位中的表达量相对一致 , 没有显著差异。分别以氯虫苯甲酰胺抗性小菜蛾品系ZC-R和室内敏感品系 Roth 为材料 , 利用 PxRyR碱基 13,349 位存在的保守替换位点作为抗性、敏感个体的分子标记, 通过遗传分析发现氯虫苯甲酰胺抗性与PxRyR基因连锁。对抗性和敏感品系PxRyR基因羧基端 1691 个氨基酸序列进行了比对分析,发现抗性品系 ZC-R在氨基酸 4790(I 到 K)和 4946(G 到 E)位存在 50%和 41%的突变频率 , 遗传分析结果表明G4946E点突变与氯虫