張 勇,寧 旭,謝云茜,王 敏,崔汝強(qiáng),彭文文,傅小香,石緒根**
(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,南昌 330045;2. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源與環(huán)境學(xué)院,南昌 330045)
草地貪夜蛾Spodopterafrugiperda,是一種雜食性鱗翅目害蟲,原產(chǎn)于美洲熱帶和亞熱帶地區(qū),具有較強(qiáng)的遷飛性、繁殖能力強(qiáng),生活周期短,可危害玉米、甘蔗、高粱、大麥和水稻等353種植物,并造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失,2018年聯(lián)合國糧農(nóng)組織將其列為全球預(yù)警的超級害蟲(FAO, 2018;Liuetal., 2020)。自2019年1月,草地貪夜蛾從云南入侵我國后,不到一年時間迅速蔓延至全國20余省(自治區(qū)、直轄市)發(fā)生為害(楊學(xué)禮等, 2019; 章婉賢等, 2019)。
化學(xué)防治具有見效迅速、防效徹底等特點(diǎn),被廣泛用于爆發(fā)性和突發(fā)性有害生物的控制(吳孔明, 2018)。目前,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,草地貪夜蛾的防治主要以化學(xué)防治為主。然而,在農(nóng)業(yè)害蟲防治過程中,抗藥性的產(chǎn)生是降低農(nóng)藥防治效果的主要原因之一。目前草地貪夜蛾已在全世界范圍內(nèi)對超過40種殺蟲劑產(chǎn)生了不同程度的抗性,其中既包括有機(jī)磷類、氨基甲酸酯類和擬除蟲菊酯類等傳統(tǒng)殺蟲劑,也包括雙酰胺類、多殺菌素等新型殺蟲劑(Sparksetal., 2020)。入侵我國的草地貪夜蛾同樣對有機(jī)磷類等傳統(tǒng)殺蟲劑產(chǎn)生了高水平抗性(Zhangetal., 2021),而對氯蟲苯甲酰胺等雙酰胺類藥劑的抗性處于較低水平(Lvetal., 2021)。但已有證據(jù)表明,該蟲對氯蟲苯甲酰胺、乙基多殺菌素等新型殺蟲劑的抗性風(fēng)險很高(Gutiérrez-Morenoetal., 2018; Boaventuraetal., 2020; Liraetal., 2020)。
溴蟲氟苯雙酰胺是一種新型γ-氨基丁酸(GABA)門控氯離子通道別構(gòu)調(diào)節(jié)劑,不同于氯蟲苯甲酰胺(作用于魚尼丁受體)的作用機(jī)理,其作用于昆蟲神經(jīng)細(xì)胞中的GABA受體,別構(gòu)抑制GABA激活的Cl-通道,抑制Cl-向神經(jīng)細(xì)胞傳遞,引起受藥昆蟲過度的興奮和抽搐,最后實(shí)現(xiàn)快速的殺蟲作用(柳愛平等, 2020)。
草地貪夜蛾對化學(xué)殺蟲劑的代謝抗性機(jī)制,主要包括微粒體多功能氧化酶、谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶和酯酶等相關(guān)酶系代謝能力的增強(qiáng)(Amezianetal., 2021; Hilliouetal., 2021)。保護(hù)酶與昆蟲防御外來有害物質(zhì)相關(guān),可以避免害蟲體內(nèi)膜系統(tǒng)受損,降低蟲體于逆境中所受傷害,其活性增強(qiáng)亦可能增強(qiáng)害蟲對化學(xué)殺蟲劑的抵抗力(Bolteretal., 1990)。
在田間施用化學(xué)殺蟲劑時往往會存在藥劑低劑量殘留或噴灑不均勻,會對田間害蟲產(chǎn)生亞致死效應(yīng)(全林發(fā)等, 2016; Pérez-Aguilaretal., 2018)?;瘜W(xué)殺蟲劑對昆蟲的亞致死效應(yīng)涉及的學(xué)科領(lǐng)域包括害蟲行為學(xué)、生物學(xué)、生理學(xué)及抗藥性發(fā)展等很多方面,有關(guān)研究可為藥劑的合理使用和抗藥性治理提供一定的理論依據(jù)(Dongetal., 2017; 梁煒博等, 2017; Jungetal., 2018)。有關(guān)溴蟲氟苯雙酰胺對草地貪夜蛾的亞致死效應(yīng)目前缺乏研究,因此,本研究采用亞致死劑量溴蟲氟苯雙酰胺處理草地貪夜蛾3齡幼蟲,研究其對草地貪夜蛾生物學(xué)特性、體內(nèi)解毒酶和保護(hù)酶活性的影響,以期為大田作物生產(chǎn)中合理使用全新殺蟲劑溴蟲氟苯雙酰胺提供依據(jù)。
供試草地貪夜蛾種群幼蟲于2020年6月采自江西省南昌市新建區(qū)樂化鎮(zhèn)(115.87° W,28.82° N)前期未施過藥的玉米田。將采集的幼蟲在人工氣候箱內(nèi)(溫度25±1℃、相對濕度70%±5%、光周期L∶D=16 h∶8 h)用新鮮未施藥的玉米葉片飼養(yǎng),成蟲以10%蜂蜜水提供營養(yǎng)。以F10代3齡初孵幼蟲作為試驗(yàn)蟲源。
97.0%溴蟲氟苯雙酰胺原藥(Broflanilide)來源于德國巴斯夫公司;乙二胺四乙酸(EDTA)來源于石家莊杰克化工有限公司;苯基硫脲(PTU)來源于上海阿拉丁生化科技有限公司;二硫蘇糖醇(DTT)來源于上海吉至生化科技有限公司;苯甲基硫酰氟(PMSF)、二硝基氯苯(CDNB)均來源于上海恪敏生物科技有限公司;牛血清蛋白(BSA)來源于上海藍(lán)季生物有限公司;十二水磷酸氫二鈉(Na2HPO4·12H2O)、十二水磷酸二氫鈉(NaH2PO4·12H2O)均來源于天津市大茂化學(xué)制劑廠;多功能氧化酶(MFO)酶活性測定試劑盒(ELISA法)購自江蘇酶免實(shí)業(yè)有限公司;超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)及過氧化氫酶(CAT)酶活性測定試劑盒購自南京建成生物工程研究所;底物和顯色劑混合液:0.2 mol/L pH6.0 PBS與固藍(lán)RR鹽與100 mmol/L α-NA乙醇溶液按1∶2∶0.01比例混合(定性濾紙過濾,并現(xiàn)用現(xiàn)配)。
人工氣候箱(上海新苗QHX-300BSH-Ⅲ)、萬分之一天平(日本島津ATX224型)、手動微量點(diǎn)滴儀(Burkard PDE0003)、培養(yǎng)皿(直徑9 cm)、酶標(biāo)儀(SpectraMax190)、高速冷凍離心機(jī)(Eppendorf Centrifuge5430R)、渦旋儀(美國SIvortex-genie2)、玻璃勻漿器(5 mL)。
1.4.1室內(nèi)毒力測定方法
用點(diǎn)滴法對玉米草地貪夜蛾3齡初孵幼蟲進(jìn)行毒力測定,蟲重平均3 mg。將原藥用丙酮配置成1×104mg/L的母液,然后用丙酮將母液稀釋成5個系列濃度梯度(10、15、20、25、30 μg/mL),并用丙酮處理作空白對照。用微量點(diǎn)滴器將藥液逐個點(diǎn)滴于3齡初孵幼蟲(長度約0.8 cm)的前胸背板上,每頭0.2 μL,點(diǎn)滴后的幼蟲放入培養(yǎng)皿(9 cm),給予充足的新鮮玉米葉片并每天更換。每濃度4次重復(fù),每重復(fù)10頭3齡幼蟲。藥劑處理后的試蟲放在人工氣候箱(溫度25±1℃、相對濕度70%±5%、光周期L∶D=16 h∶8 h)中飼養(yǎng)。48 h后觀察結(jié)果,毛筆輕觸無反應(yīng)或出現(xiàn)畸形、抽搐、停止取食等明顯中毒癥狀,判定為死亡。記錄死亡蟲數(shù)、存活蟲數(shù),計算校正死亡率。
1.4.2試蟲處理
1.4.2.1 生物學(xué)指標(biāo)觀察
利用室內(nèi)生物測定測得的亞致死劑量(LD15和LD30),分別點(diǎn)滴處理草地貪夜蛾3齡幼蟲。每濃度5次重復(fù),每重復(fù)20頭幼蟲,并用丙酮處理組做對照,處理好的幼蟲放入培養(yǎng)皿(9 cm),給予新鮮充足玉米葉片。48 h后將對應(yīng)濃度剩余活蟲單頭飼養(yǎng)于培養(yǎng)皿中,每天定時給予新鮮且充足玉米葉片,每間隔24 h觀察記載不同處理組各生物學(xué)指標(biāo)。在各處理組中隨機(jī)選取同日羽化的雌、雄成蟲各1頭配對,每對作為1次重復(fù),每處理至少重復(fù)25次。將配對成蟲放入保鮮袋(28 cm×25 cm)內(nèi),袋中放已浸泡10%蜂蜜水的脫脂棉,給予成蟲補(bǔ)充營養(yǎng),并用標(biāo)簽紙封口。每天更換保鮮袋和含10%蜂蜜水的脫脂棉,直到雌蛾死亡,收集并記錄產(chǎn)于保鮮袋上的蟲卵量,計算單雌產(chǎn)卵量。試蟲的生長在人工氣候箱(溫度25±1℃、相對濕度70%±5%、光周期L∶D=16 h∶8 h)條件下進(jìn)行。
1.4.2.2 酶活性試驗(yàn)
分別采用溴蟲氟苯雙酰胺LD15、LD30、LD503個劑量點(diǎn)滴處理草地貪夜蛾3齡初孵幼蟲。每濃度5個重復(fù),每重復(fù)30頭幼蟲,并用丙酮處理作對照。48 h后收集仍存活幼蟲,液氮速凍,置于-80℃保存,作為酶活測定的樣本備用。
1.4.3酶活性測定
1.4.3.1 解毒酶酶液制備
用萬分之一電子天平,稱取8~12 mg (3~4頭)的3齡幼蟲為一個樣本,加入1.2 mL 0.1 mol/L磷酸緩沖液(pH7.6,含1 mmol/L EDTA,1 mmol/L DTT,1 mmol/LPTU,1 mmol/L PMSF,20%甘油)冰浴勻漿。放入4℃,13 000 g離心30 min,取上清液到新的1.5 mL離心管中。再次在4℃,13 000 g離心10 min,取上清液到新的1.5 mL離心管中。最后在4℃,13 000 g離心5 min,得到酶粗提液。將其稀釋10倍(用0.1 mmol/L,pH7.6 PBS稀釋),后用于谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶(GST)酶活力、羧酸酯酶(EST)酶活力及蛋白濃度測定。
MFO酶源制備:分別隨機(jī)稱取8~12 mg(3~4頭)的3齡幼蟲加入適量的預(yù)冷pH 7.2~7.4左右的PBS,然后用冰浴研磨器研磨,4℃離心20 min(2 000~3 000 r/min),取上清液作為待測酶液。
1.4.3.2 解毒酶活性測定
(1) GST活性測定
依據(jù)Yang等(2004)的方法測定GST活性。分別在96孔酶標(biāo)板中加入稀釋10倍的酶液10 μL、1.2 mmol/L CDNB 100μL、6 mmol/LGSH 100 μL。用酶標(biāo)儀在波長340 nm處測定吸光值,溫度設(shè)定為30℃,每10 s記錄一次,反應(yīng)20 min。
(2) EST活性測定
依據(jù)Yang等(2004)的方法測定EST活性。在96孔板中依次加入稀釋10倍的酶液20 μL、底物和顯色劑混合液205 μL,然后用酶標(biāo)儀在450 nm處測定吸光值,溫度設(shè)定為27℃,每30 s記錄一次,反應(yīng)10 min。
(3) MFO活性測定
MFO活性測定用酶聯(lián)免疫法。在標(biāo)準(zhǔn)品孔中加入不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)品50 μL,樣本孔中先后加入待測樣品10 μL和樣本稀釋液40 μL;兩類孔中每孔加入辣根過氧化物酶(HRP)標(biāo)記的檢測抗體100 μL,恒溫箱溫育30 min,20倍洗滌液重復(fù)洗板5次,于每孔中加入底物A、B各50 μL,震蕩混勻,37℃避光孵育15 min;每孔加入終止液50 μL,以空白孔調(diào)0,15 min內(nèi)在450 nm波長下測定吸光度(OD值),計算酶的比活力。
1.4.3.3 總蛋白測定
參照Bradfold等的考馬斯亮藍(lán)(G-250)法(Bradford, 1976)測定。
1.4.3.4 保護(hù)酶酶源制備
分別取上述試蟲3~4頭(約8~12 mg),加入適量的預(yù)冷勻漿液后冰浴研磨,4℃下12 000 r/min離心10 min,取上清液作為待測酶液。
1.4.3.5 保護(hù)酶活性測定
均按照南京建成對應(yīng)試劑盒說明書進(jìn)行測定。
(1) SOD活性測定(羥胺法)
SOD活性測定:以SOD抑制率達(dá)50%時所對應(yīng)的酶量為1個SOD活力單位(U)。
SOD抑制率(%)={(對照OD值-對照空白OD值)-(測定OD值-測定空白OD值)}/(對照OD值-對照空白OD值)×100
SOD活性=SOD抑制率/(50%)×反應(yīng)體系稀釋倍數(shù)/待測樣本蛋白濃度
(2) POD活性測定
POD活性測定: 以1 mg組織蛋白在37℃每分鐘催化1 μg底物的酶量定義為1個酶活性單位(U)。
POD活性=(測定OD值-空白OD值)/(12×比色光徑)×反應(yīng)液總體積/樣本量×1000/(反應(yīng)時間×待測樣本蛋白濃度)
(3) CAT活性測定(紫外法)
CAT活性測定: 以1 mg組織蛋白每秒分解1 μmol H2O2的量定義為1個酶活性單位(U)。
CAT活性={(對照OD值-測定OD值)×271×[1/(60×取樣量)]}/待測樣本蛋白濃度
蛋白含量測定:
待測樣品蛋白濃度(μg/mL)=(測定OD值-空白OD值)/(標(biāo)準(zhǔn)OD值-空白OD值)×樣品測試前稀釋倍數(shù)×標(biāo)準(zhǔn)品濃度
利用SPSS 25.0軟件計算溴蟲氟苯雙酰胺對草地貪夜蛾3齡初孵幼蟲的致死中量及95%置信限、相關(guān)系數(shù)等,采用Duncan’s新復(fù)極差(DMRT)法分析酶活數(shù)據(jù)的差異性。
溴蟲氟苯雙酰胺對草地貪夜蛾3齡幼蟲室內(nèi)毒力結(jié)果如表1所示:致死中量為0.50 μg/g,亞致死劑量LD15和LD30分別為0.30 μg/g和0.38 μg/g。
表1 溴蟲氟苯雙酰胺對草地貪夜蛾3齡幼蟲的室內(nèi)毒力
在溴蟲氟苯雙酰胺亞致死劑量(LD15和LD30)脅迫下,草地貪夜蛾各生物學(xué)指標(biāo)變化情況如表2所示。與對照相比,LD30處理能顯著延長產(chǎn)卵前期和升高了成蟲畸形率,但LD15處理的產(chǎn)卵前期和成蟲畸形率與對照相比無明顯差異。LD30處理較對照的產(chǎn)卵前期延長了14.9%,成蟲畸形率升高了376%;幼蟲存活率隨處理劑量的增加顯著降低。與對照相比,LD30處理顯著降低蛹重、成蟲重和單雌產(chǎn)卵量,并縮短產(chǎn)卵期,但LD15處理無明顯差異。LD30處理較對照的蛹重、成蟲重和單雌產(chǎn)卵量降低率分別4.5%、13.2%和20.3%,產(chǎn)卵期縮短率為11.8%。各處理間幼蟲期、蛹期、化蛹率、雌雄性比、成蟲羽化率無明顯差異。
表2 溴蟲氟苯雙酰胺亞致死劑量處理對草地貪夜蛾存活和生長發(fā)育的影響
2.3.1溴蟲氟苯雙酰胺對草地貪夜蛾體內(nèi)解毒酶活性影響
不同劑量溴蟲氟苯雙酰胺(LD15、LD30和LD50)處理草地貪夜蛾后,其體內(nèi)解毒酶活力變化情況如圖1所示。結(jié)果表明,草地貪夜蛾體內(nèi)GST和EST的比活力隨藥劑濃度的升高而增加,呈明顯正相關(guān)。高劑量溴蟲氟苯雙酰胺(LD50)處理組GST和EST比活力最高,分別為對照組的1.84倍和1.54倍。LD30和LD50兩個處理顯著誘導(dǎo)草地貪夜蛾3齡幼蟲體內(nèi)MFO的比活力升高,LD30劑量處理組MFO的比活力最高,為對照組的1.33倍,但LD15處理體內(nèi)MFO的比活力與對照組無差異。
圖1 溴蟲氟苯雙酰胺各劑量處理后草地貪夜蛾體內(nèi)解毒酶活性比較
2.3.2溴蟲氟苯雙酰胺各劑量處理對草地貪夜蛾體內(nèi)保護(hù)酶活性影響
不同劑量溴蟲氟苯雙酰胺(LD15、LD30和LD50)處理后,草地貪夜蛾體內(nèi)保護(hù)酶的活性變化情況如圖2所示。結(jié)果表明,各處理組SOD活性與對照組相比無顯著性差異,POD和CAT的活性隨藥劑處理劑量的增加呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢,LD15和LD30處理能顯著誘導(dǎo)CAT活性升高,LD30處理能顯著提高POD活性,但LD50處理體內(nèi)3種保護(hù)酶活性與對照無差異。其中,LD30處理體內(nèi)POD和CAT活性最高,分別為對照組的1.34倍和1.35倍。
圖2 溴蟲氟苯雙酰胺各劑量處理后草地貪夜蛾體內(nèi)保護(hù)酶活性比較
本研究利用點(diǎn)滴法測定了溴蟲氟苯雙酰胺對草地貪夜蛾3齡幼蟲的室內(nèi)毒力。結(jié)果顯示其LD50值為0.50 μg/g,表明溴蟲氟苯雙酰胺對草地貪夜蛾具有很高的觸殺活性。亞致死劑量溴蟲氟苯雙酰胺對草地貪夜蛾生物學(xué)特性的影響研究結(jié)果表明,亞致死劑量LD30處理能顯著延長其生長發(fā)育歷期,并導(dǎo)致蛹重、成蟲重、幼蟲存活率和單雌產(chǎn)卵量等生物學(xué)指標(biāo)顯著降低。這一結(jié)果與斜紋夜蛾Spodopteralitura(桑松等, 2014)、玉米螟Pyraustanubilalis(馮從經(jīng)等, 2008)和棉鈴蟲Helicoverpaarmigera(宋永輝等, 2021)等害蟲在化學(xué)殺蟲劑亞致死劑量脅迫下的反應(yīng)類似。如溴氰蟲酰胺LC20和LC40劑量處理斜紋夜蛾3齡幼蟲,其幼蟲期延長,單雌產(chǎn)卵量顯著降低;雙氧威和蟲酰肼亞致死劑量處理玉米螟,其幼蟲體重及化蛹率同樣明顯降低;多殺霉素LC25處理棉鈴蟲幼蟲,其幼蟲期顯著延長,蛹重和化蛹率均顯著降低。
解毒酶活性增強(qiáng)可提高昆蟲代謝殺蟲劑的能力,保護(hù)酶活性的增強(qiáng)可提高昆蟲對殺蟲劑的防御能力,兩者在昆蟲耐藥性和抗藥性機(jī)制中的貢獻(xiàn)均有大量的研究證實(shí)。研究表明,不同殺蟲劑對草地貪夜蛾體內(nèi)各解毒酶活性的誘導(dǎo)作用不同。蔣興川等(2019)通過同樣作用于GABA受體的甲維鹽亞致死劑量(LD20)處理草地貪夜蛾72 h后,其體內(nèi)EST酶活性明顯高于對照組。王芹芹等人(2020)采用茚蟲威亞致死劑量(LD20)處理草地貪夜蛾后,其體內(nèi)MFO比活力顯著高于對照組。李浩等(2021)發(fā)現(xiàn),草地貪夜蛾3齡幼蟲體內(nèi)GST活性與氯蟲苯甲酰胺亞致死劑量呈正相關(guān),細(xì)胞色素單加氧酶CYP450與羧酸酯酶CarE活性則隨處理劑量升高呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢。
溴蟲氟苯雙酰胺處理對不同生物體內(nèi)解毒酶的誘導(dǎo)作用有所差異。齊浩亮等(2017)研究表明,亞致死劑量(LC20和LC40)的溴蟲氟苯雙酰胺可誘導(dǎo)小菜蛾P(guān)lutellaxylostella體內(nèi)CarE活性升高,但對MFO和GST活性沒有顯著影響。本研究發(fā)現(xiàn)不同劑量溴蟲氟苯雙酰胺處理草地貪夜蛾后,其體內(nèi)解毒酶GST和EST的比活力與藥劑處理濃度均呈正相關(guān),LD50脅迫下兩者比活力最高。而解毒酶MFO的比活力以LD30處理組最高。LD50處理組的MFO比活力高于對照,但低于LD30處理,可能是由于溴蟲氟苯雙酰胺在草地貪夜蛾體內(nèi)的積累抑制了MFO的活性,這與Zhan等人(2021)的研究結(jié)果類似。研究結(jié)果證明GST、MFO和EST可能都參與了草地貪夜蛾對溴蟲氟苯雙酰胺的解毒過程,且以GST發(fā)揮的作用最大。
外源毒物可使昆蟲體內(nèi)自由基(O2-、-OH和H2O2)的清除系統(tǒng)出現(xiàn)故障(Allenetal., 1989),對蟲體產(chǎn)生毒害作用,而其體內(nèi)保護(hù)酶(SOD、POD和CAT)可通過清除多余的活性氧自由基,使蟲體不受外源有毒物質(zhì)的侵害(Bashanetal., 2009)。害蟲體內(nèi)的保護(hù)酶對不同殺蟲劑的反應(yīng)程度不同。李浩等(2021)研究發(fā)現(xiàn)甲維鹽處理草地貪夜蛾3齡幼蟲后,其體內(nèi)兩種保護(hù)酶均呈現(xiàn)下降趨勢,但氯蟲苯甲酰胺處理后其體內(nèi)SOD和POD均上升,推測以上兩種酶可能是草地貪夜蛾對氯蟲苯甲酰胺敏感性較甲維鹽低的原因。本研究則發(fā)現(xiàn)亞致死劑量溴蟲氟苯雙酰胺脅迫下草地貪夜蛾體內(nèi)保護(hù)酶SOD活性無明顯變化,說明SOD在降低溴蟲氟苯雙酰胺對草地貪夜蛾的傷害中可能并未發(fā)揮作用;CAT和POD活性隨處理劑量增加均明顯上升,且兩者在亞致死劑量LD30處理下的活性顯著高于對照組,說明POD和CAT在降低機(jī)體受到溴蟲氟苯雙酰胺脅迫的氧化損傷中發(fā)揮了作用,但LD50處理組的活性與空白對照組無差異,可能是高劑量藥劑處理對保護(hù)酶活性有明顯抑制作用。因此,POD和CAT活性的增強(qiáng)也有可能成為將來草地貪夜蛾對溴蟲氟苯雙酰胺產(chǎn)生不同水平抗性的原因。
本研究通過生物學(xué)特性及酶活性測定,初步明確了溴蟲氟苯雙酰胺對草地貪夜蛾的亞致死效應(yīng),而草地貪夜蛾經(jīng)溴蟲氟苯雙酰胺處理引起GST、MFO和EST活性增加的分子機(jī)制,及POD和CAT在該蟲體內(nèi)清除多余自由基的作用機(jī)制均有待進(jìn)一步研究探明。