害蟲抗藥性遺傳分析論文

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摘要根據(jù)生物進(jìn)化理論深入理解害蟲抗藥性進(jìn)化的遺傳起源，并根據(jù)解釋基因新功能進(jìn)化的基因重復(fù)理論，推測認(rèn)為基因重復(fù)為抗性基因變異提供了原材料。最后，根據(jù)現(xiàn)有抗性報(bào)道的例子將抗性突變的分子機(jī)制進(jìn)行歸類，并發(fā)現(xiàn)在多樣化的抗性突變中存在一定的規(guī)律性，如靶標(biāo)位點(diǎn)的點(diǎn)突變導(dǎo)致抗性的機(jī)制是靶標(biāo)抗性機(jī)制的主要形式，基因擴(kuò)增或基因過表達(dá)導(dǎo)致的代謝酶活性增加是代謝抗性的重要機(jī)制，這種規(guī)律性與變異的適合度密切相關(guān)。

關(guān)鍵詞害蟲，抗藥性，進(jìn)化，起源，遺傳，機(jī)制

害蟲對化學(xué)農(nóng)藥的抗性進(jìn)化歷史不到100年，就已經(jīng)有500多種害蟲對一種或多種殺蟲劑產(chǎn)生了抗性。害蟲抗藥性的進(jìn)化導(dǎo)致化學(xué)防治的失效，給農(nóng)業(yè)產(chǎn)量造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，例如據(jù)Palumbi估計(jì)，在美國每年由于害蟲產(chǎn)生抗性導(dǎo)致的損失至少有30多億美元，這其中包括由于抗性加大農(nóng)藥使用的額外消費(fèi)以及抗性害蟲對農(nóng)產(chǎn)品的直接損失。

早在1951年Dobzhansky就認(rèn)為，殺蟲劑抗性是一種進(jìn)化現(xiàn)象。遺傳分析可以有助于研究抗性機(jī)制和制訂抗性治理策略，是研究抗性的一個(gè)主要工具。本文從遺傳角度對抗性進(jìn)化的本質(zhì)進(jìn)行探討，并歸納分析抗性基因突變的主要類型，以期對害蟲抗藥性的進(jìn)化的有更好的理解。

1、害蟲抗藥性進(jìn)化的遺傳起源

1.1遺傳變異是害蟲抗藥性進(jìn)化的基礎(chǔ)

由于害蟲對殺蟲劑的抗性是生物進(jìn)化的一個(gè)特例，可以從生物進(jìn)化角度對害蟲抗藥性進(jìn)化進(jìn)行分析。生物進(jìn)化的基礎(chǔ)是生物遺傳結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性即遺傳的相對保守性和變異的絕對性，這種變異的絕對性結(jié)合環(huán)境的復(fù)雜性造成了生物的多樣性，給生物進(jìn)化帶來可能。誘導(dǎo)變異大致分2種情況，一種是生物在自身的遺傳體系中發(fā)生的變異，這種變異具有普遍性；另一種是由外在的多樣化的環(huán)境條件誘導(dǎo)的(包含輻射誘導(dǎo)、化學(xué)和物理誘導(dǎo)等)。

在藥劑選擇前，害蟲種群內(nèi)存在著大量的變異，這其中就包括在歷史進(jìn)化過程中由于自身的繁殖發(fā)育而產(chǎn)生的遺傳變異和由于外在的環(huán)境誘導(dǎo)的變異。這些變異是抗性進(jìn)化選擇的原料，故藥劑首先作為抗性基因型的選擇劑存在，這符合“前適應(yīng)假說”的解釋。最近一個(gè)研究報(bào)道很好地證明了這個(gè)假說，Hartley等研究表明在采自于殺蟲劑應(yīng)用前的澳大利亞羊綠蠅Luciliacuprina品系中檢測到對馬拉硫磷的抗性。但這不是說藥劑不會誘導(dǎo)抗性發(fā)生，若藥劑長期作用，害蟲種群肯定會慢慢適應(yīng)進(jìn)化出對應(yīng)的變異，但這類變異的進(jìn)化過程很漫長，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及藥劑的選擇作用快，故藥劑普遍作為選擇劑。藥劑除了可能對遺傳變異有誘導(dǎo)作用的可能之外，還有可能存在對抗性變異的促進(jìn)作用，如殺蟲劑可以促進(jìn)基因擴(kuò)增，從而促進(jìn)抗性進(jìn)化。

通常變異是不利性，因?yàn)槠涓蓴_了在歷史長河中進(jìn)化而成的正常穩(wěn)定的遺傳結(jié)構(gòu)。若無外在的定向選擇作用，此變異會因隨機(jī)性而以極低頻率存在，甚至?xí)蛔匀贿x擇所淘汰。也就是說，只有當(dāng)外在的選擇對某種變異有定向的篩選作用時(shí)，此變異才呈定向性。所以說害蟲抗藥性的進(jìn)化是定向選擇，而不是定向變異的結(jié)果。

遺傳變異是害蟲抗藥性進(jìn)化的基礎(chǔ)，原始野生害蟲種群中存在大量頻率極低的變異等位基因，這些基因都是殺蟲劑選擇的原材料。殺蟲劑選擇是抗性進(jìn)化的主要動力，即人類是進(jìn)化的最大驅(qū)動力。因此被殺蟲劑選擇的變異基因的頻率上升就是害蟲抗藥性進(jìn)化的本質(zhì)。

1.2基因重復(fù)為遺傳變異提供了原材料。是抗性進(jìn)化的主要根源

突變是所有遺傳變異最本質(zhì)的起源，但是從短期來看，普遍認(rèn)為基因重復(fù)是新基因功能的主要原材料。理論認(rèn)為基因重復(fù)在初期階段導(dǎo)致功能過剩，基因重復(fù)后，早期存在對保留原始功能的基因拷貝具有正向選擇(positiveselection)作用，即其它重復(fù)基因有可能會簡單地通過退化突變(degenerativemutations)而成為沉默基因或無功能基因，因隨機(jī)漂變而生存下來。又因?yàn)榇蟛糠滞蛔儗m合度是有害的，故所有模型預(yù)測這種無功能化(non－functionalization)是最常見的情況。極少數(shù)情況下，在一個(gè)基因拷貝保留原有的功能的基礎(chǔ)上另一個(gè)拷貝可能接受了一個(gè)新的有益的功能，通過自然選擇而被保持下來也即是新功能化(neofunctionalization)過程。雖然基因重復(fù)被進(jìn)化成新功能的幾率很罕見，但這些重復(fù)基因的隨機(jī)沉默對新物種的被動起源進(jìn)化起了明顯作用。

由于抗性進(jìn)化是一種進(jìn)化現(xiàn)象，基于以上理論，抗性基因變異的主要原料是基因重復(fù)，其進(jìn)化實(shí)質(zhì)是由原來的基因進(jìn)化成具有新功能(表現(xiàn)為抗性相關(guān))的基因。進(jìn)一步推論，與抗性相關(guān)的變異基因在藥劑選擇前有2種存在可能，一種是抗性變異基因以沉默基因形式存在于害蟲基因組中，即基因重復(fù)后這些無功能基因因隨機(jī)漂變而生存下來。現(xiàn)研究證明了抗性基因家族中存在沉默基因，如岡比亞按蚊Anophelesgambiae的P450家族下的5個(gè)成員是假基因，GST家族的一個(gè)基因(GSTd6)也可能是無功能基因。又如研究證明無效等位基因met調(diào)控met基因的轉(zhuǎn)錄水平引起保幼激素(JH)受體基因met的產(chǎn)物完全消失導(dǎo)致保幼激素類似物(JHAs)抗性產(chǎn)生。另一種可能是抗性變異基因以功能基因形式寄存在害蟲個(gè)體內(nèi)隨機(jī)存在，因變異基因大部分伴隨著適合度的下降，其存在幾率極低，也就是抗性等位基因初始頻率很低。

因此，藥劑對抗性基因的選擇作用也可以分成2種，一是在基因組中對抗性基因的選擇作用，即有利于在藥劑選擇壓力下生存的變異的無功能等位基因漸漸取代基因組中原始基因拷貝的主導(dǎo)地位的過程。另一種是對抗性基因型的選擇作用，即對抗性基因的寄主——表現(xiàn)為抗性的害蟲個(gè)體的篩選。由于害蟲種群中隨機(jī)存在著抗性個(gè)體，而且沉默基因取代原始基因的過程很慢，故一般情況下藥劑直接對抗性基因型進(jìn)行篩選。但是若從田間采集昆蟲在室內(nèi)進(jìn)行抗性篩選時(shí)采集的試蟲基數(shù)很小，很可能該昆蟲群體中沒有抗性變異的害蟲個(gè)體來配合藥劑的篩選，這種情況下對抗性基因的選擇作用就有可能出現(xiàn)，但抗性上升速度很慢。

2、害蟲抗藥性進(jìn)化的分子機(jī)制

由于基因重復(fù)后導(dǎo)致的功能過剩，重復(fù)基因由于不受功能上的限制，很可能會出現(xiàn)豐富多樣的變異類型，所以說抗性基因變異機(jī)制很豐富。但在多樣化的基因變異中，又有一定的規(guī)律性，如靶標(biāo)位點(diǎn)的點(diǎn)突變導(dǎo)致抗性的機(jī)制是靶標(biāo)抗性機(jī)制的主要形式，基因擴(kuò)增或基因過表達(dá)導(dǎo)致的代謝酶上調(diào)是代謝抗性的重要機(jī)制。這種規(guī)律性是由在自然選擇下對基因變異的隨機(jī)選擇作用和在藥劑選擇壓下對更適應(yīng)此環(huán)境的變異的定向選擇作用共同導(dǎo)致的。這也說明抗性基因的變異機(jī)制的存在受到其本身所伴隨的適合度代價(jià)(fitnesscost)和對藥劑選擇壓的適應(yīng)能力的影響。

從現(xiàn)有的害蟲抗藥性事例來歸納，抗性基因變異主要有以下3種機(jī)制。

2.1結(jié)構(gòu)基因的變化(genestructurechange)

現(xiàn)有的害蟲抗藥性研究表明基因結(jié)構(gòu)的變化機(jī)制主要是點(diǎn)突變(其中絕大部分是屬于單個(gè)點(diǎn)突變)。

2.1.1點(diǎn)突變點(diǎn)突變有2種機(jī)制，一種是無義突變(nonsensemutation)，即某個(gè)核苷酸的突變導(dǎo)致了終止密碼子(如ATT)的出現(xiàn)，使轉(zhuǎn)錄提前終止。例如昆蟲對生物農(nóng)藥Bacillussphaericus(球形芽孢桿菌)的抗性機(jī)制就是無義突變。其抗性機(jī)制為編碼毒素結(jié)合蛋白Cpm1蛋白的Cpm1基因發(fā)生點(diǎn)突變，導(dǎo)致翻譯的提早終止，使Cpm1的疏水末端被切除，阻止了Cpm1蛋白與胞質(zhì)膜的結(jié)合，使毒素的殺蟲作用消失，但對毒素與Cpm1蛋白的結(jié)合沒有影響。另外一個(gè)事例是Xu等報(bào)道由于一個(gè)提早終止密碼子的出現(xiàn)導(dǎo)致一個(gè)鈣粘素基因Ha-BtR的分裂與棉鈴蟲Helicorverpaarmigera對Bt抗性緊密聯(lián)系。

另一種突變機(jī)制是錯(cuò)義突變(missensemutation)，即基因的編碼區(qū)中的一個(gè)核苷酸被另一個(gè)不同的核苷酸取代，導(dǎo)致產(chǎn)生不同的氨基酸，使基因產(chǎn)物的三維結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而產(chǎn)生抗性。由于三維結(jié)構(gòu)的改變而導(dǎo)致與其作用部位結(jié)合能力的降低或增加(靶標(biāo)抗性機(jī)制)，或降低基因產(chǎn)物對殺蟲劑的代謝能力(代謝抗性機(jī)制)。這種結(jié)構(gòu)的改變并不改變產(chǎn)物的量，而是改變產(chǎn)物的質(zhì)。大多數(shù)殺蟲劑都是以一個(gè)關(guān)鍵蛋白作為靶標(biāo)，現(xiàn)研究表明Ace.Nla.Rdl.para.met基因的點(diǎn)突變就可相應(yīng)地導(dǎo)致殺蟲劑靶標(biāo)受體——昆蟲體內(nèi)的乙酰膽堿酯酶(AChE)、乙酰膽堿煙堿受體(nAChR)、γ－氨基丁酸(GABA)受體、鈉通道、保幼激素(JH)受體的結(jié)構(gòu)的變化，從而導(dǎo)致昆蟲個(gè)體對相應(yīng)的殺蟲劑的靶標(biāo)抗性產(chǎn)生。另外，也有研究表明代謝酶如酯酶的基因結(jié)構(gòu)的改變，可導(dǎo)致基因產(chǎn)物代謝酶的質(zhì)的變化，從而導(dǎo)致昆蟲個(gè)體對相應(yīng)的殺蟲劑的代謝抗性產(chǎn)生或變化。

靶標(biāo)位點(diǎn)的點(diǎn)突變所造成的變異程度相對于其他變異機(jī)制而言是較弱的，這樣的基因相對保守性既保證了蟲體內(nèi)在機(jī)能的正常運(yùn)作足以使其存活下來，又使殺蟲劑結(jié)合能力下降，從而表現(xiàn)出對殺蟲劑的抗性。因此在以靶標(biāo)機(jī)制作用的殺蟲劑的選擇壓下，靶標(biāo)位點(diǎn)的點(diǎn)突變更具有生存的優(yōu)勢。

2.1.2基因重組一個(gè)品種中可能同時(shí)存在幾個(gè)突變的組合，這樣可導(dǎo)致更高水平的抗性產(chǎn)生。如Mutero等將在黑腹果蠅Drosophilamelanogaster的不同抗性品系的Ace基因中發(fā)現(xiàn)的不同點(diǎn)突變的組織進(jìn)行表達(dá)后發(fā)現(xiàn)，高水平的抗性可能是由不同點(diǎn)突變的組合所引起，這些點(diǎn)突變單獨(dú)存在時(shí)只表達(dá)很低的抗性；Kozaki等也證明了Ace內(nèi)的多點(diǎn)突變和基因內(nèi)重組能使害蟲的抗性明顯增加。

基因重組增加了異常等位基因的數(shù)量和頻率，因此對抗性基因進(jìn)化有重要的影響。Mmem等認(rèn)為自然種群中存在的抗性等位基因之間的重組是害蟲迅速適應(yīng)新的選擇壓的一個(gè)機(jī)制。幾個(gè)點(diǎn)突變的重組可產(chǎn)生較高的抗性水平，但同時(shí)也造成了較大的適適合度代價(jià)。當(dāng)有殺蟲劑選擇壓時(shí)，單個(gè)突變可以通過重組形成產(chǎn)生較高的抗性雜合子的種群而生存下來，當(dāng)無選擇壓時(shí)，有多個(gè)點(diǎn)突變的個(gè)體可以和敏感個(gè)體雜交而保存抗性突變，具有這種雜合子的種群也具有一定水平的抗性，最初表現(xiàn)出一定的雜種優(yōu)勢。但隨著殺蟲劑選擇壓消退，這種雜種優(yōu)勢也漸漸退化。

2.1.3移碼突變——基因缺失與插入染色體的缺失具有很大的致死性，這對生物個(gè)體的生存非常不利。目前在抗藥性基因的研究中也發(fā)現(xiàn)抗性基因或基因片段的缺失機(jī)制。如Morin等報(bào)道抗Bt棉紅鈴蟲Pectinophoragossypiella品系的3個(gè)鈣粘素突變等位基因都發(fā)生了氨基酸的片段缺失；蘇建亞報(bào)道棉鈴蟲抗性品系對Bt棉高水平抗性是由于鈣粘素基因發(fā)生了大片段缺失突變所至。Gahan等報(bào)道的因反轉(zhuǎn)座子介導(dǎo)的序列插入導(dǎo)致鈣粘素基因家族的一個(gè)基因的突變是一種基因序列的插入機(jī)制。

由于移碼突變相對于錯(cuò)義突變而言，其變異程度較大，并伴隨較大的適合度代價(jià)，故在藥劑選擇前這些突變的存在幾率就相對較低，而且藥劑選擇后對生物個(gè)體的生存也不利，因此發(fā)現(xiàn)移碼突變的抗性機(jī)制的事例不是很多。

2.2基因擴(kuò)增

基因擴(kuò)增是生物對環(huán)境有害化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)生抗性的一種基本而普遍的機(jī)制。一個(gè)基因擴(kuò)增的結(jié)果是在DNA中呈現(xiàn)該基因的許多拷貝。基因擴(kuò)增和基因表達(dá)的改變導(dǎo)致基因產(chǎn)物的過表達(dá)是代謝抗性的主要機(jī)制。

對于酯酶介導(dǎo)的抗性，基因擴(kuò)增是酯酶過表達(dá)引起抗性的主要機(jī)制。例如這些酶的產(chǎn)物過量在桃蚜Myzuspersieae，庫蚊Culicinemosquitoes以及褐飛虱等昆蟲體內(nèi)被證實(shí)。

然而，大部分抗性品系P450s過表達(dá)的事例不是由基因擴(kuò)增引起，但Nikou等報(bào)道通過southern印跡分析法，發(fā)現(xiàn)基因擴(kuò)增是菊酯抗性按蚊A.gambiae品系的CYP621基因過表達(dá)的一個(gè)原因。

另外，目前尚未發(fā)現(xiàn)GST酶系的基因擴(kuò)增與殺蟲劑抗性有關(guān)。這表明在GSTs引起的抗性中，若不是全部但至少是大部分事例似乎與基因擴(kuò)增無關(guān)。

基因擴(kuò)增的機(jī)制可能有轉(zhuǎn)座子(transposableelement)或可移動因子(mobileelement)的作用、跳遠(yuǎn)式重復(fù)(saltatoryreplication)、無插入序列的頭尾連接式(hcad-to-tailtandemfashion)排列方式、姐妹染色體間的隨機(jī)不平等交換(randomunequalcross-over)以及基因重復(fù)后誤排導(dǎo)致串聯(lián)重復(fù)(tandemrepeat)等機(jī)制。

在代謝抗性中，解毒酶的量變更有利于害蟲在維持蟲體的生存的基礎(chǔ)上對毒物的不利作用的抵抗。由于中等水平的基因擴(kuò)增的變異速率較高且其多效性適合度下降(Dleiotropiefitnesscost)較弱，基因擴(kuò)增機(jī)制在代謝酶的上調(diào)節(jié)中很普遍。

2.3基因表達(dá)的改變

這類機(jī)制在與抗性相關(guān)的GSTs和P450單加氧酶系中已被證實(shí)，但是雖然基因調(diào)節(jié)可以解釋酯酶A1的產(chǎn)物過量，可尚未在酯酶介導(dǎo)的代謝抗性中發(fā)現(xiàn)。

基于GSTs的抗性的分子基礎(chǔ)已在家蠅Muscadomestica及蚊類昆蟲A.gambiae和Aedesaegypti中很好地被研究。在所有的事例中，抗性昆蟲的GS％上調(diào)節(jié)是由于反式上調(diào)作用引起；而在P450s的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)中，順式或反式作用都有可能。

目前，許多事例研究發(fā)現(xiàn)了抗性品系的P450s過量表達(dá)，例如，抗DDT果蠅D.melanogaster品系的CYP6A2和CYP6G1基因的過表達(dá)、抗二嗪磷家蠅肘，domestica品系的CYP6A1基因過表達(dá)、抗菊酯棉鈴蟲(H.armigera)的CYP687基因過表達(dá)、抗菊酯庫蚊品系的CYP6E1基因過表達(dá)、抗菊酯按蚊A.gambiae品系的CYP621基因過表達(dá)，以及抗溴氰菊酯庫蚊C.PiPienspallens品系的CYP6F1基因過表達(dá)等。

當(dāng)藥劑直接以毒物形式作用于蟲體時(shí)，解毒酶的上調(diào)節(jié)導(dǎo)致抗性增加；而當(dāng)藥劑作為前體殺蟲劑應(yīng)用即須先被代謝成毒物，代謝酶的下調(diào)節(jié)將增加抗性。這種機(jī)制有許多事例，但分子機(jī)制尚不祥。例如，在Bt抗性中，就可以通過蛋白酶下調(diào)引起Cry毒素的活性下降從而導(dǎo)致抗性。

在靶標(biāo)抗性中也有關(guān)于基因表達(dá)的改變導(dǎo)致的抗性機(jī)制的報(bào)道，如鈉離子通道的para基因的反式下調(diào)作用(trans-down-regulation)機(jī)制。

另外，Wilson和Ashok試驗(yàn)證明JH受體基因met的產(chǎn)物完全消失(也就是基因沉默現(xiàn)象)導(dǎo)致抗性產(chǎn)生，并證明了是由無效等位基因met調(diào)控met基因的轉(zhuǎn)錄水平引起的。JH受體蛋白不是個(gè)體生存所必需的，也就是說編碼JH受體蛋白的基因是無效基因(nullgene)，分子分析已證明JH抗性基因met是無效基因。因這些無效基因的缺失或沉默導(dǎo)致受體蛋白的消失或其功能消失從而能使抗性產(chǎn)生，而且適合度下降的程度也不會很大。假如這種推測被驗(yàn)證是正確的，那么無效基因的變異就拓寬了抗性基因變異范圍，使害蟲對殺蟲劑選擇壓的適應(yīng)范圍加大。

另外，小幅度的缺失、插入和調(diào)控元件的轉(zhuǎn)座可能會擾亂基因表達(dá)的空間和時(shí)間形態(tài)，從而導(dǎo)致抗性。

雖然基因表達(dá)的調(diào)控方式多樣，但是代謝酶的上調(diào)機(jī)制在代謝抗性中很普遍。

本文在生物進(jìn)化理論的基礎(chǔ)上分析了害蟲抗藥性進(jìn)化的遺傳本質(zhì)，在現(xiàn)有的研究結(jié)果的基礎(chǔ)上總結(jié)了害蟲抗藥性的分子基礎(chǔ)，這將有助于理解抗性進(jìn)化的基礎(chǔ)，而且對抗性研究以及抗性治理與預(yù)防工作有很好的理論指導(dǎo)意義。

隨著一些昆蟲(例如家蠅Drosophila和按蚊Anopheles)的基因組全序列被克隆及分析，殺蟲劑抗性的研究進(jìn)入基因組時(shí)代，抗性的分子基礎(chǔ)將會被更好的理解。特別是在酯酶，細(xì)胞色素P450酶系和谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶等多基因家族的基因成員控制的抗性研究中，基因組途徑將是一個(gè)很有前景的研究方法。