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        定蟲隆對銹赤扁谷盜生長發(fā)育影響及其作用機(jī)理初探

        2020-03-09 03:21:38魯玉杰杜夢園王爭艷
        環(huán)境昆蟲學(xué)報(bào) 2020年1期
        關(guān)鍵詞:劑量研究

        魯玉杰,杜夢園,張 蒙,王爭艷

        ((河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院,河南糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心,糧食儲(chǔ)藏安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,鄭州 450001))

        銹赤扁谷盜Cryptolestesferrugineus(Stephens)是當(dāng)今世界上最難殺死的儲(chǔ)糧害蟲之一,它能夠引起糧食局部發(fā)熱霉變(蘇青峰等,2013)。由于其長期單一使用磷化氫,導(dǎo)致銹赤扁谷盜對磷化氫的抗性急劇提高(曹陽,2006),目前磷化氫熏蒸已經(jīng)很難徹底殺死銹赤扁谷盜。尋找新型的、對環(huán)境友好型的殺蟲劑,已成當(dāng)務(wù)之急。昆蟲生長調(diào)節(jié)劑殺蟲具有不污染環(huán)境、對人畜安全,以及對多數(shù)非靶標(biāo)生物無害的優(yōu)點(diǎn)(楊惠,2001),符合新型殺蟲劑的要求。昆蟲生長調(diào)節(jié)劑的種類很多,其中苯甲?;孱悗锥≠|(zhì)合成抑制劑以其獨(dú)特的作用機(jī)制,對非靶標(biāo)生物具有較高的選擇性、使用濃度低、降解速度快、對環(huán)境友好等傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)無法比擬的優(yōu)點(diǎn),被列為特異性的昆蟲生長調(diào)節(jié)劑,已成為新農(nóng)藥創(chuàng)制的一個(gè)熱門研究領(lǐng)域(羅會(huì)等,2009)。

        定蟲隆(chlorfluazuron)是一種苯甲?;孱悗锥≠|(zhì)合成抑制劑(冒德壽等,2001),能抑制害蟲的幾丁質(zhì)合成,阻斷蛻皮過程,致使蛻皮困難、取食量下降(梁英,2009),從而導(dǎo)致其死亡或不育(李秀峰和李玉新,2001;羅會(huì)等,2009)。因其獨(dú)特的殺蟲機(jī)制、較高的特異性、低殘留等優(yōu)點(diǎn),被稱為新型殺蟲劑,常用來防治鱗翅目、鞘翅目等害蟲(米娜等,2009)。研究表明,定蟲隆能有效的抑制谷蠹Rhizoperthadominica、米象Sitophilusoryzae、鋸谷盜Oryzaephilussurinamensis和赤擬谷盜Triboliumcastaneum4種儲(chǔ)糧害蟲的繁殖,具有很好的防治效果(Elek and Logstaff,1994)。相關(guān)的研究表明,除蟲脲能有效的抑制蚊子Culicidae幾丁質(zhì)的合成,使幼蟲不能形成新表皮,致使幼蟲畸形而死亡(Cetinetal.,2006)。氟蟲脲對東亞飛蝗Locustamigratoria的幾丁質(zhì)合成也有明顯的抑制作用(王貴強(qiáng)等,1996),從而起到了防治害蟲的效果。苯甲?;孱悗锥≠|(zhì)合成抑制劑的作用機(jī)理可能是特異性的干擾昆蟲表皮幾丁質(zhì)的合成,但其作用于幾丁質(zhì)合成中的哪一環(huán)節(jié)至今尚不清楚。已有研究表明,幾丁質(zhì)合成抑制劑影響幾丁質(zhì)合成酶(Postetal.,1974),也有研究表明定蟲隆并不直接抑制幾丁質(zhì)合成酶(Gangishettietal.,2009)。關(guān)于定蟲隆的具體作用靶標(biāo)及毒性機(jī)理,目前還沒有明確的結(jié)論。

        定蟲隆作為一種幾丁質(zhì)合成抑制劑被廣泛應(yīng)用,而目前對于定蟲隆的研究一般集中在殺蟲活性及農(nóng)藥殘留方面(朱烈等,2016),定蟲隆對銹赤扁谷盜產(chǎn)生的影響,及可能的作用靶標(biāo)尚沒有系統(tǒng)性的研究。本研究以銹赤扁谷盜為對象,通過亞致死劑量的定蟲隆處理銹赤扁谷盜,研究定蟲隆對其生長發(fā)育的影響,及可能作用的靶標(biāo),為以后定蟲隆用于儲(chǔ)糧害蟲的防治提供理論基礎(chǔ)。

        1 材料與方法

        1.1 材料

        1.1.1供試?yán)ハx

        銹赤扁谷盜試蟲來源于山西呂梁國家糧食儲(chǔ)備庫,在河南工業(yè)大學(xué)儲(chǔ)糧生態(tài)研究室的人工氣候室培養(yǎng)多代,飼養(yǎng)溫度30℃±1℃,相對濕度60%±5%,選擇同一時(shí)間孵化的幼蟲,轉(zhuǎn)移至玻璃瓶中,飼喂人工飼料,飼料為全麥粉 ∶燕麥 ∶酵母粉的比例為5 ∶4 ∶1。

        1.1.2主要試劑與儀器

        定蟲隆:含量99%,CSSBIO(中國)提供;RNA提取試劑盒Total RNA Miniprep Kit購自Axygen公司;熒光定量PCR試劑盒SYBR Premix Ex Taq購于TaKaRa公司;熒光定量PCR儀Step One Plus Real Time PCR(Thermo Fisher Scientific美國)。PCR引物合成由蘇州金唯智生物科技公司完成。

        1.2 定蟲隆對銹赤扁谷盜的毒力測定

        取1 mg定蟲隆粉劑,用1 mL丙酮溶解,配制1 mg/mL定蟲隆母液。在潔凈的培養(yǎng)皿中,每10 g全麥粉(含5%酵母粉)中加入10 mL含有所需量定蟲隆的丙酮溶液,將飼料配制成0.0050 mg/kg、0.0091 mg/kg、0.0166 mg/kg、0.0302 mg/kg、0.0549 mg/kg、0.1000 mg/kg 6個(gè)濃度梯度,并將懸浮液攪拌搖勻,然后將溶液放在通風(fēng)櫥下,直至丙酮完全揮發(fā)。使用和上述完全一樣的飼料,只添加丙酮作為對照。每組放入30頭銹赤扁谷盜2齡幼蟲,每個(gè)濃度3個(gè)重復(fù)。每天記錄幼蟲死亡數(shù)并觀察表型變化。

        1.3 亞致死劑量下定蟲隆對銹赤扁谷盜生長發(fā)育的影響

        根據(jù)定蟲隆對銹赤扁谷盜的毒力方程計(jì)算出銹赤扁谷盜的亞致死劑量LD10、LD20、LD30。用同樣的飼喂方法,分別用LD10、LD20、LD303個(gè)濃度的定蟲隆處理銹赤扁谷盜2齡幼蟲,以丙酮作為對照,觀察LD10、LD20和LD30下,定蟲隆對銹赤扁谷盜幼蟲發(fā)育歷期、體重、幾丁質(zhì)含量的影響。幾丁質(zhì)含量測定采用氨基葡萄糖法(Lehmann and White,1975)。

        1.4 定蟲隆對幾丁質(zhì)合成酶表達(dá)量的影響

        根據(jù)本實(shí)驗(yàn)室得到的銹赤扁谷盜幾丁質(zhì)合成酶1基因(CfCHS1)的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù),和已經(jīng)提交到GenBank的銹赤扁谷盜幾丁質(zhì)合成酶2基因(CfCHS2)的全長序列(GenBank登錄號(hào):MH234580),設(shè)計(jì)熒光定量PCR引物(表1)。以同樣的飼喂方法,用LD30劑量的定蟲隆處理銹赤扁谷盜3齡幼蟲,每組30頭蟲,3組重復(fù),以丙酮處理為對照。提取定蟲隆LD30處理48 h后的銹赤扁谷盜3齡幼蟲總RNA,反轉(zhuǎn)錄成cDNA,進(jìn)行熒光定量PCR。qPCR反應(yīng)體系:cDNA模板2 μL(<100 ng),SYBR Premix Ex Taq Ⅱ(2×)10 μL,PCR上引物(10 μM)0.8 μL,PCR下引物(10 μM)0.8μL,ROX Reference Dye(50×)0.4 μL,ddH2O 6 μL,總反應(yīng)體系為20 μL。反應(yīng)程序:95℃預(yù)變性30 s,95℃變性5 s,60℃退火延伸30 s,72℃,30 s,40個(gè)循環(huán)。每組樣品進(jìn)行3個(gè)重復(fù),以目的基因在對照組中的表達(dá)量為1,以ARF1為內(nèi)參基因。

        表1 本文中所用引物的名稱、序列

        1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

        死亡率(%)=(死亡數(shù)/總蟲數(shù))×100

        校正死亡率(%)=[(處理組死亡率-對照組死亡率)/對照組存活率]×100

        統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和檢驗(yàn),P=0.05。

        qPCR結(jié)果采用比較CT值得相對表達(dá)量法(2-ΔΔCt)計(jì)算基因的相對表達(dá)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果以平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(SD)表示。表達(dá)量的差異顯著性比較采用SPSS軟件中的單因素方差分析(ANOVA,Tukey氏多重比較法,P<0.05)進(jìn)行。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 定蟲隆對銹赤扁谷盜的殺蟲活性

        根據(jù)生物測定結(jié)果,將其與劑量對數(shù)值進(jìn)行回歸分析,建立定蟲隆毒力方程:y=7.514+1.81x,r=0.974,計(jì)算得LD50為0.041 mg/kg,95%置信區(qū)間為0.025~0.059 mg/kg;LD95為0.331 mg/kg,95%置信區(qū)間為0.270~5.832 mg/kg。亞致死劑量LD10、LD20、LD30分別為0.008 mg/kg、0.014 mg/kg、0.021 mg/kg。

        2.2 亞致死劑量定蟲隆對銹赤扁谷盜生長發(fā)育的影響

        經(jīng)過亞致死劑量定蟲隆處理的銹赤扁谷盜幼蟲,各個(gè)發(fā)育歷期以及蛹期的天數(shù)都是有所增加的。隨著定蟲隆劑量的增加,銹赤扁谷盜的發(fā)育歷期明顯延長(表2)。定蟲隆劑量越高,處理時(shí)間越長,銹赤扁谷盜體重下降越顯著;經(jīng)定蟲隆LD30長期處理的銹赤扁谷盜,體重可下降25%(表3)。低劑量的定蟲隆就可以導(dǎo)致銹赤扁谷盜幾丁質(zhì)含量顯著下降(P<0.05)(圖1)。

        表2 不同濃度定蟲隆處理后銹赤扁谷盜各蟲態(tài)的發(fā)育歷期

        注:同列中不同的字母代表發(fā)育歷期差異顯著(P<0.05,Tukey’s B;n=3)。
        Note: Different letters in the same column represent significant differences in development duration (P<0.05, Tukey’s B; n=3).

        表3 不同濃度定蟲隆處理后銹赤扁谷盜各蟲態(tài)的體重

        注:同列中不同的字母代表體重差異顯著(P<0.05,Tukey’s B;n=3)。
        Note: Different letters in the same column represented significant differences in body weight (P<0.05, Tukey’s B; n=3).

        圖1 定蟲隆處理后銹赤扁谷盜各蟲態(tài)幾丁質(zhì)的含量Fig.1 Content of chitin in different stages of Cryptolestes ferrugineus after treatment with chlorfluazuron注:柱上標(biāo)的不同字母代表幾丁質(zhì)含量差異顯著(P < 0.05,Tukey’s B;n=3)。Note: Different letters of the superscript on the column represent significant differences in the content of chitin (P < 0.05, Tukey’s B; n=3).

        2.3 定蟲隆處理后銹赤扁谷盜幾丁質(zhì)合成酶基因表達(dá)量的變化

        用LD30定蟲隆處理銹赤扁谷盜3齡幼蟲,幾丁質(zhì)合成酶基因表達(dá)量的變化如圖2所示。從圖2可以看出,CfCHS1基因的表達(dá)量明顯上調(diào),是對照組的1.787倍。CfCHS2基因的表達(dá)量也明顯上調(diào),是對照組表達(dá)量的1.274倍。說明了定蟲隆可以顯著提高銹赤扁谷盜幾丁質(zhì)合成酶CfCHS1和CfCHS2基因的表達(dá)量。

        圖2 定蟲隆處理后銹赤扁谷盜3齡幼蟲幾丁質(zhì)合成酶CfCHS1和CfCHS2基因的表達(dá)量Fig.2 Expression level of chitin synthase CfCHS1 and CfCHS2 in the third instar larvae of Cryptolestes ferrugineus treatment with chlorfluazuron注:CK代表對照組,LC30代表處理組。數(shù)據(jù)均代表3次生物學(xué)重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。柱上標(biāo)的不同字母代表基因表達(dá)差異顯著(P<0.05,Tukey’s B;n=3)。Note: The data are means±SD.Histograms with different letters indicate statistically significant difference (P < 0.05, Tukey’s B; n=3).

        3 討論與結(jié)論

        目前關(guān)于苯甲?;逡种苿┑膩喼滤佬?yīng)研究相對較少,其作用機(jī)制也尚不清楚。本研究選取定蟲隆進(jìn)行試驗(yàn),使用亞致死劑量持續(xù)處理銹赤扁谷盜幼蟲,發(fā)現(xiàn)其各個(gè)蟲態(tài)的發(fā)育歷期都明顯延長,體重下降,幾丁質(zhì)含量減少,并出現(xiàn)畸形死亡個(gè)體,這一結(jié)果與除蟲脲對中華稻蝗Oxyachinensis的影響(曾慧花等,2008)相同,與滅幼脲能顯著降低家蠅Muscadomestica幾丁質(zhì)的含量(Ishaaya and Casida,1974)的結(jié)果也是一致的。這說明定蟲隆作為幾丁質(zhì)合成抑制劑,的確抑制了銹赤扁谷盜幼蟲幾丁質(zhì)的合成,但發(fā)育歷期的延長,和體重的下降,暗示著定蟲隆可能對幼蟲產(chǎn)生其他影響。

        在滅幼脲處理家蠶Bombyxmori和四斑按蚊Anophelesquadrimaculatus中,其幼蟲的體重均顯著減少(Leonardietal.,1996;Zhuetal.,2006),這與本研究的結(jié)果相同。在除蟲脲對中華稻蝗的研究中發(fā)現(xiàn),除蟲脲不僅抑制了中華稻蝗的體重的增長,還對其進(jìn)食產(chǎn)生了抑制(曾惠花等,2008)。Clarke用除蟲脲處理東亞飛蝗,發(fā)現(xiàn)除了表皮結(jié)構(gòu)外,東亞飛蝗圍食膜中的幾丁質(zhì)合成也受到了抑制(Clarkeetal.,1977)。根據(jù)前人的研究,幾丁質(zhì)合成酶2參與中腸圍食膜的形成(Merzendorfer,2006)。劉曉健利用RNAi干擾技術(shù),對飛蝗幾丁質(zhì)合成酶2基因進(jìn)行沉默,其試蟲的取食量也明顯減少,體重降低(劉曉健等,2014)。根據(jù)大量研究推測,定蟲隆可能對銹赤扁谷盜幾丁質(zhì)合成酶2產(chǎn)生影響,使其不能正常反應(yīng),致使圍食膜的形成受到影響,從而產(chǎn)生了與RNAi干擾相似的結(jié)果。

        為了探究定蟲隆作用機(jī)理,本文在用定蟲隆處理銹赤扁谷盜之后,利用qPCR技術(shù),測定了幾丁質(zhì)合成酶基因相對表達(dá)量的變化。結(jié)果顯示,亞致死劑量定蟲隆處理后,銹赤扁谷盜幾丁質(zhì)合成酶1和酶2的表達(dá)量顯著提高。為什么定蟲隆可以使幾丁質(zhì)合成酶基因的表達(dá)量提高?我們推測,定蟲隆可能作用于銹赤扁谷盜幾丁質(zhì)合成酶。定蟲隆抑制了幾丁質(zhì)合成酶,使其不能正常的進(jìn)行幾丁質(zhì)的合成,從而引起幾丁質(zhì)合成受阻,銹赤扁谷盜為了維持機(jī)體的穩(wěn)定,提高幾丁質(zhì)合成酶基因的表達(dá)量,從而形成一種代償性增加的反饋機(jī)制。Zhang and Zhu(2006)使用除蟲脲處理四斑按蚊,發(fā)現(xiàn)其AqCHS1的表達(dá)量增加也顯著提高。在氟蟲脲對東亞飛蝗和中華稻蝗處理后,其CHS1基因的表達(dá)量都有顯著的升高(劉曉健等,2010)。至于定蟲隆是如何作用于幾丁質(zhì)合成酶,幾丁質(zhì)含量的減少與幾丁質(zhì)合成酶表達(dá)量增加之間的關(guān)系,需要我們進(jìn)一步去研究。

        本研究用定蟲隆處理銹赤扁谷盜,結(jié)果表明定蟲隆對銹赤扁谷盜的生長發(fā)育有明顯的抑制作用,可以有效控制銹赤扁谷盜,至于如何在儲(chǔ)糧環(huán)境中使用定蟲隆,還有待進(jìn)一步的研究,并需符合農(nóng)藥管理相關(guān)要求。定蟲隆在抑制幾丁質(zhì)合成的同時(shí),也使銹赤扁谷盜的幾丁質(zhì)合成酶基因表達(dá)量提高,這表明定蟲隆可能作用于幾丁質(zhì)合成途徑中的幾丁質(zhì)合成酶。這為以后利用定蟲隆防治銹赤扁谷盜提供理論基礎(chǔ)。

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