黃柯程，曾鑫年，黎卓瑩

華南農業(yè)大學農藥與化學生物學教育部重點實驗室，廣州510642

低劑量殺蟲劑對昆蟲的興奮性效應

黃柯程，曾鑫年*，黎卓瑩

華南農業(yè)大學農藥與化學生物學教育部重點實驗室，廣州510642

傳統(tǒng)的殺蟲劑毒理學應用線性非閾值模型評價殺蟲劑的毒力及風險，但是沒有考慮到低劑量殺蟲劑所產生的毒物興奮效應（Hormesis）.殺蟲劑對昆蟲的低劑量興奮效應主要表現(xiàn)在對昆蟲的發(fā)育歷期、體重和生殖力以及毒力等方面所產生的影響.在概述毒物低劑量興奮效應理論及研究方法的基礎上，重點介紹了殺蟲劑對昆蟲的低劑量興奮性效應研究進展及其與殺蟲劑亞致死劑量效應的區(qū)別，最后討論了殺蟲劑的興奮效應對農業(yè)害蟲防治所帶來的影響.關鍵詞：殺蟲劑；昆蟲；毒物興奮效應；亞致死效應

Schulz于1887年報道了大量的毒性物質低濃度能提高真菌的新陳代謝，而高濃度則抑制真菌的新陳代謝（Schulz,1887）；1943年，Southam和Ehrilich發(fā)現(xiàn)高劑量橡樹皮萃取物能抑制菌類生長，低劑量卻刺激其生長，并將這種現(xiàn)象正式命名為Hormesis（Southam and Ehrilich,1943）.毒物興奮效應（Hormesis）即低劑量接觸呈刺激或促進作用而高劑量接觸呈抑制作用的一種雙相劑量-效應關系（Biphasic dose-response relationship），具體為U型或倒U型曲線（Calabrese and Baldwin,2001）.近年來，污染物的低劑量興奮效應已成為毒理學研究的一個熱點，然而對農藥方面的研究還不多，尤其是低劑量殺蟲劑對昆蟲的低劑量興奮效應尚未引起足夠重視.

傳統(tǒng)上，大家關注高劑量殺蟲劑對昆蟲的不良效應，如：致死、抑制生長發(fā)育、干擾昆蟲的交配和取食等行為，很少注意低于無不良效應水平（NOAEL,No observed adverse effect level）的殺蟲劑劑量對昆蟲的影響.忽略甚至不考慮低劑量殺蟲劑對昆蟲的影響，將導致人們不能對殺蟲劑的毒理學效應做出全面、客觀的評價.

1 毒物興奮效應理論及研究方法

劑量-反應關系是毒理學研究的基礎，劑量-反應關系及劑量-反應模型在毒理學研究中占有非常重要的地位（Calabrese,2006）.

閾值模型和線性非閾值模型是有毒物質風險評價的兩種傳統(tǒng)模型.前者評價非致癌物，后者主要外推低劑量致癌物的風險（圖1a、b）.Calabrese對這兩個風險評價模型提出了異議，認為評價風險的劑量-反應曲線不是這兩種傳統(tǒng)模型，而是毒物興奮效應模型（圖1c）（Calabrese and Baldwin,2003）.從圖1c中可知：有毒物質在低劑量時的效應與高劑量時的效應完全相反，即具有低劑量刺激而高劑量抑制的特性.

毒物興奮效應可用U-型曲線（又稱J型曲線）或倒U型曲線來表示，這取決于所采用的評價指標.若采用的是腫瘤或癌癥等不利指標應使用前者；如果是壽命、生殖或發(fā)育等有利指標，則使用后者.

對毒物興奮效應進行深入研究，現(xiàn)今最重要的是找到具體的毒理學證據(jù)來證明這個理論的可評價性，這需要特定的終點指標以及合適的劑量區(qū)間來進行研究.因此，合適的劑量區(qū)間及終點指標成為這項研究的重點.

Calabrese和Baldwin（2001）為證明這個理論的可評價性，設計了兩種不同的數(shù)據(jù)庫.一種是評價毒物興奮效應是否存在（Hormesis-Frequency Database）；另一種是毒物興奮效應的分級與分類（Hormesis Database）.Calabrese和Baldwin認為實驗設計只要滿足3個條件，毒物興奮效應出現(xiàn)幾率就會很大：1）一個定義好的NOAEL；2）大于或等于2組低于NOAEL的劑量；3）評價終點指標具有刺激或抑制效應.在約75種不同類化學物質中發(fā)現(xiàn)大約有900多種不同藥劑具有興奮效應，這表明毒物興奮效應現(xiàn)象存在于大部分的藥劑（包含殺蟲劑）中；另外，存在這種現(xiàn)象的生物模型也非常廣泛，包括動物（昆蟲）、植物、細菌和真菌等（Calabrese and Blain,2005）.因此，毒物興奮效應是可以發(fā)生在不同的藥劑、生物模型和終點指標上.

研究發(fā)現(xiàn)生物在接觸低劑量毒物后的某個合適的時間點才能觀察到興奮效應，這可能是因為興奮效應與適應性反應有關（Calabrese and Blain,2005）.對同一終點指標的923個劑量反應關系進行研究，用3～5個時間點去測量時，發(fā)現(xiàn)具有興奮效應的劑量反應關系達49%，而用2個或5個以上時間點來測量，卻分別只有30%和22%（Calabrese and Blain,2005）.這表明除了劑量和終點指標外，合適的觀察時間也是觀察到興奮效應的重要因素.

毒物興奮效應也存在一些數(shù)量特征（Calabrese and Blain,2005）：興奮效應的最大值一般為對照的130%～160%，但低于對照的2倍；興奮區(qū)間為一般為低于NOAEL水平的10～20倍，但最大也可以達到大于1000倍.興奮區(qū)間的巨大差異可能是由于種群研究的不均勻性造成的，研究種群相似度越高，則刺激效應的范圍越窄.

2 殺蟲劑對昆蟲的低劑量興奮性效應

當前，殺蟲劑對昆蟲的毒理效應主要是針對殺蟲劑對害蟲的控制特性，研究其致死、生長發(fā)育抑制、行為干擾（如取食與產卵驅避）等不利于昆蟲生存和繁殖的效應.由于殺蟲劑在田間使用的不均勻性及存在于田間的殘留農藥，昆蟲具有大量接觸無有害效應劑量（低劑量）的可能性.根據(jù)毒物興奮效應理論，在農業(yè)生產上大量使用的農藥（殺蟲劑、殺菌劑和殺螨劑等）對病蟲害有可能存在興奮性效應，這種興奮效應的評價應使用倒U型劑量-曲線模型.從相關毒物興奮效應數(shù)據(jù)庫中收集到與農藥或有機磷類農藥有關的劑量-反應共285個，僅占被收集的劑量-反應總數(shù)的7%（Calabrese and Blain,2005）.可見殺蟲劑對昆蟲的低劑量興奮效應研究尚不完善.

殺蟲劑對昆蟲的低劑量興奮效應的評價指標一般是采用終點類型來進行評價，如生長、新陳代謝、繁殖、存活率、壽命、發(fā)育和行為等，其中新陳代謝包括激素水平、活性氧（ROS）產物、三磷酸腺苷（ATP）反應、耗氧量、尿量等；繁殖包括孵化率、卵量·雌蟲數(shù)-1、新蟲數(shù)量等；行為指標包括害蟲的行動距離和害蟲啃咬次數(shù)等；也可以采用終點參數(shù)來評價，如昆蟲的體重等.雖然殺蟲劑對昆蟲的低劑量興奮效應與劑量有很大的關系，但并不意味著劑量越低出現(xiàn)這種效應的幾率就大.對柑桔薊馬（Scirtothrips citri（Moulton））的研究表明：施藥劑量過低反而不能觀察到產卵量的增加，如果劑量是中間值（可造成0.01%～1%的雌成蟲死亡的劑量）卻能導致雌薊馬產卵力的增加（Morse and Zareh,1991）.因此，不同的昆蟲以及不同的殺蟲劑應找到合適的終點評價指標及合理的劑量區(qū)間來進行評價.

理論上，害蟲和天敵昆蟲都應具有低劑量興奮效應，但是由于天敵昆蟲對農藥更敏感、更易被殺死，而天敵種群的增加又建立在食物或寄主充足的情況下，所以Morse認為害蟲具有毒物低劑量興奮效應，但天敵沒有（Morse,1998）.對此也有不同觀點，如Zanuncio等（2003）發(fā)現(xiàn)芐氯菊酯對天敵昆蟲Supputius cincticeps（Stal,1860）具有低劑量興奮效應，表現(xiàn)為可提高其存活率和雌蟲體重，并可縮短雌蟲的3齡齡期以及預產期.

分析已取得的成果可知，殺蟲劑對昆蟲的低劑量興奮效應的研究主要集中在對昆蟲生殖和行為的影響上.Morse和Zareh（1991）利用含殘留農藥的柑桔葉片喂食桔梗薊馬，發(fā)現(xiàn)桔梗薊馬接觸施用三氯殺螨醇后21天的葉片及施用馬拉硫磷后32、41和64天的葉片，其成蟲產卵能力相比于接觸未處理葉片的有顯著提高；Jarrad（2008）報道高效氯氟菊酯和七氟菊酯對捕食性天敵Scarites quadriceps的活動影響，發(fā)現(xiàn)接觸低劑量藥劑后其在活動距離、最大運動速度及運動時間上均有明顯增加.除昆蟲生理生殖外，部分生化指標也常被用于殺蟲劑低劑量興奮效應研究.如用低劑量甲胺磷處理黑腹果蠅（Drosophila melanogaster）幼蟲后，可引起成蟲耐藥力上升及其壽命延長，激活其乙酰膽堿酯酶（AChE）活性；處理成蟲也可激活其AChE活性（黎卓瑩，2007）.

以上所述，均采用個體評價指標，如發(fā)育歷期、生殖力等.但Stark等指出這樣的評價方法并不完整，認為應將評價建立在種群水平上，并采用生命表作為研究手段（Stark and Wennergren,1995;Stark and Banks,2003）；Maia等持有類似的觀點，同時建議采用Jackkinfe法對有關生命表參數(shù)進行統(tǒng)計分析（Maia et al.,2000）.

另外，殺蟲劑的興奮效應與害蟲的再猖獗以及次要害蟲大爆發(fā)也存在一定的關系.Morse（1998）認為除施用農藥導致害蟲天敵大量死亡這個因素外，殺蟲劑對害蟲的興奮效應也是引起其頻繁發(fā)生的重要原因；興奮效應還造成現(xiàn)今殺蟲劑被更多使用，進而導致殺蟲劑使用量呈螺旋式上升.

3 殺蟲劑低劑量興奮效應與亞致死劑量刺激效應的區(qū)別

亞致死劑量即昆蟲個體受到一定的毒害但未致死，并有一定行為能力時所接觸的劑量（Haynes,1988）.如果使用劑量是低于無不良效應的劑量（NOAEL），則此劑量為低劑量.亞致死劑量與低劑量的定義不同，所引起的效應也有差別.

殺蟲劑的亞致死劑量能引起昆蟲的不良效應（蛹期變長或存活率降低等），也可引起殺蟲劑對昆蟲的刺激效應，如用溴氰菊酯和氰戊菊酯處理若螨會延長當代雌成螨的壽命，處理卵會提高卵的孵化速率，處理雌成螨會增加產卵量等（陳道茂和陳衛(wèi)民，1992）.因此，Cohen（2006）將亞致死劑量所引起的刺激效應歸到毒物低劑量興奮效應中.但亞致死劑量所引起的刺激作用并不是真正的興奮效應，因為亞致死劑量的刺激效應僅僅對昆蟲的某些指標具有刺激作用（生殖力增強等），對其它指標卻是抑制，如Fujiwara等（2002）將4齡小菜蛾接觸亞致死劑量氰戊菊酯后，發(fā)現(xiàn)小菜蛾在接觸劑量為LD25時其產卵量與未處理相比增加顯著，但處理蟲所產卵粒大小要顯著小于未處理的，在不同濕度下的孵化率和幼蟲存活率均顯著低于未處理.而低劑量興奮效應則對昆蟲的某些指標具有刺激效應的同時，對昆蟲其它指標雖不是刺激但并不抑制.因此，進行研究時應注意區(qū)別兩者.

4 殺蟲劑低劑量興奮效應的作用機制

現(xiàn)今低劑量興奮效應的作用機制尚不是很清楚，目前占主導地位的是Calabrese的過度補償理論（Modest overcompensation）和Stebbing提出的矯正過度（Overcorrection）控制理論.前者認為當生物體受到刺激，最初的抑制反應后會出現(xiàn)一個補償過程，并逐漸超過控制行為，從而導致了一個凈刺激效應（Calabrese,1999）；后者認為毒物興奮效應是生長控制機制的副產物，是生物體對低水平抑制的矯正過度（Stebbing,1987）.Calabrese和Baldwin（2002）認為興奮效應機制并不是一個，不同的藥劑、生物模型和終點指標都會存在不同的作用機制，但這些機制具有共同點，即通過維持體內平衡來達到興奮效應.也有學者通過研究分子水平上的機制來探討低劑量興奮效應機制，如DNA損失修復作用、自由基清除作用、免疫功能增強以及基因表達與調控作用等（Arinaga et al.,1992;Canman and Kastan,1996;Yamaok et al.,1991;Zglinicki and Von Zglinicki,1992）.

已經報道的30個藥理受體系統(tǒng)中，已證明興奮效應的作用機制是基于受體水平（Calabrese and Baldwin,2003）.殺蟲劑對昆蟲的低劑量興奮效應的具體作用機制尚不清楚，但有理由相信它也是基于受體水平上.隨著研究的深入，將會有更深入的機制在分子、細胞、組織乃至整個生物體中被發(fā)現(xiàn).

5 殺蟲劑低劑量興奮性效應對害蟲防治的影響

殺蟲劑的低劑量興奮效應對害蟲防治將帶來諸多挑戰(zhàn)，如評價新農藥應注意其對害蟲是否具有興奮效應，施用農藥則要考慮由于興奮效應而導致下代害蟲再猖獗或次要害蟲大爆發(fā)所帶來的經濟損失.在農業(yè)生產上，應開發(fā)那些殘留期短、藥效快的新型農藥以避免殺蟲劑對害蟲產生興奮效應.另一方面，我們也可考慮利用興奮效應來控制害蟲，如飼養(yǎng)天敵昆蟲時，可以考慮在飼料中加入適量的農藥以促進其生長發(fā)育、增加繁殖力或擴大其活動范圍；也可考慮利用某種殺蟲劑對天敵的刺激作用，再結合這種殺蟲劑所具有的毒殺作用來控制田間害蟲（Zanuncio et al.,2003）.

殺蟲劑對害蟲的低劑量興奮效應已經被實驗和實踐所證實，但目前仍有諸多問題亟待解決，如，到底有哪些殺蟲劑或害蟲具有這種現(xiàn)象，以及使用劑量多大才會出現(xiàn)？興奮效應是否具有遺傳性？這種效應對未來的害蟲防治將帶來什么樣的影響？又帶來什么樣的挑戰(zhàn)？應怎樣利用興奮效應更好服務人類？這些都需要我們深入思考和研究.

6 結語

毒物低劑量興奮效應理論正逐步被人們接受，但由于興奮效應難以觀察、作用機制不明確、試驗經費高昂以及試驗重復性等原因，離廣泛接受還有很長一段距離.毒物低劑量興奮效應除在生物學、醫(yī)學類和輻射學研究非常廣泛外，在環(huán)境危險評價中也具有非常重要的作用.現(xiàn)階段的研究熱點集中在輻射、重金屬、環(huán)境污染物或醫(yī)藥品對人體、牲畜的影響，但低劑量殺蟲劑對昆蟲的影響研究卻甚少.

隨著殺蟲劑使用種類的增多、使用劑量的加大，害蟲抗藥性、害蟲再猖獗以及次要害蟲上升為主要害蟲等問題一直困擾著我們.而這些可能與殺蟲劑對害蟲的興奮效應有很大的關系，非常值得我們深入研究.這些研究成果將給我們研究害蟲爆發(fā)和害蟲抗藥性等方面帶來新的思維、新的解決途徑甚至于是新的害蟲控制方法.

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Insecticides-Induced Hormesis on Insects

HUANG Ke-cheng，ZENG Xin-nian*，LI Zhuo-ying

Key Laboratory of Pesticide and Chemical Biology of the Ministry of Education,South China Agricultural University,Guangzhou 510642

The linear non-threshold model is used to evaluate the toxicity and risk assessment of insecticides in traditional toxicology,however,it is not considered that the low dose of insecticides can induce the hormesis on insects.Such hormesis can give positive effects on insect’s developmental period,weight,reproduction and toxicity to the insecticides.The theories and the study methods of the hormesis have been reviewed in this article,with emphasis on the research progress of the insecticides-induced hormesis on insects and the differences between the hormesis and sublethal effect.Finally,the influences of insecticide-induced hormesis on the pest control are discussed.

insecticides；insects；hormesis；sublethal effects

30 November 2008accepted5 January 2009

1673-5897（2010）1-026-06

Q965.9

A

2008-11-30錄用日期：2009-01-05

廣東省自然科學基金項目（No.32253）

黃柯程（1982—），男，博士研究生；*通訊作者（Corresponding author），E-mail:zengxn@scau.edu.cn

曾鑫年，男，教授.1993年畢業(yè)于華南農業(yè)大學，獲博士學位，1988～1989年農業(yè)部派美國佛羅里達大學柑桔研究教育中心訪問學者；1998～1999年教育部派西班牙科學院巴塞羅那化學環(huán)境研究所高級訪問學者；2001～2002年赴西班牙科學院巴塞羅那化學環(huán)境研究所合作科研.現(xiàn)為華南農業(yè)大學教授，廣東省昆蟲學會理事、副秘書長.主要從事農藥學和昆蟲毒理學的研究工作，近年共主持承擔科研課題28項，其中國際合作課題3項，國家自然科學基金3項.至今在國內外共發(fā)表學術論文80多篇，參編專著3本，申報國家發(fā)明專利4項.