分子振蕩器影響埃及棉夜蛾對殺蟲劑的敏感性

?振蕩器是生物鐘的核心要素，是一種在分子水平上運行的機制，負責產(chǎn)生節(jié)奏。它由編碼蛋白質(zhì)的時鐘基因產(chǎn)生，調(diào)節(jié)其自身和執(zhí)行基因的表達。振蕩器的活動表現(xiàn)在細胞、器官和整個機體的水平上，從而使生物體在最適當?shù)臅r間執(zhí)行生命功能。一個例子是當身體暴露在異種生物中時，排毒過程的強化。分子振蕩器是生物鐘的核心，由基因和蛋白質(zhì)組成，其周期性表達在轉(zhuǎn)錄-翻譯反饋環(huán)路（TTFLs）中受到調(diào)節(jié)。TTFLs的蛋白質(zhì)既是其自身的調(diào)控者，也是參與控制昆蟲許多過程的執(zhí)行基因的調(diào)控者（例如，包括殺蟲劑在內(nèi)的異生物的節(jié)律性代謝）。

這篇研究的研究人員通過將時鐘基因的dsRNA注入S. littoralis幼蟲的體腔，并在連續(xù)光照下培養(yǎng)幼蟲，從而破壞了S.littoralis幼蟲的節(jié)律。結(jié)果，幼蟲對殺蟲劑的日常敏感度被取消，而在大多數(shù)情況下，敏感度也增加了（圖?1）。在經(jīng)過注射dsRNA處理的幼蟲的脂肪體、中腸和馬氏管（代謝異物的主要器官）中，參與解毒的酶--細胞色素P450單氧酶、谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶和酯酶的日?；顒忧闆r發(fā)生了明顯變化。本研究的結(jié)果證明了分子振蕩器在調(diào)節(jié)幼蟲對殺蟲劑的反應(yīng)中的作用，并為合理使用這些化合物（在一天中的適當時間）提供了依據(jù)，并可能表明時鐘基因是分子操縱的潛在目標，以基于RNAi方法生產(chǎn)植物保護化合物。?在一天中的正確時間實現(xiàn)每個有機體的重要功能是維持平衡的生理過程的有效過程的關(guān)鍵。這些過程旨在優(yōu)化維持穩(wěn)定狀態(tài)所需的能量的使用，并通過有效運行的生物鐘機制來完成。在眾多依賴生物鐘的過程中，那些與對生物體內(nèi)不存在的、來自環(huán)境的化合物（外來生物）的反應(yīng)有關(guān)的過程具有特別高的適應(yīng)價值。事實證明，時鐘功能的紊亂通過異物的低效代謝和排泄對身體產(chǎn)生了極大的破壞性影響，當異物以生物活性形式存在時，會威脅到許多器官和身體系統(tǒng)的平衡。這里介紹的結(jié)果是生物鐘在最大限度地減少異物對機體的負面影響方面的作用的一個例子。這篇研究發(fā)現(xiàn)，如果S. littoralis幼蟲的生物鐘運行正常，它們對殺蟲劑的敏感性就會降低。另一方面，如果我們通過暴露在恒定的光照下，破壞了幼蟲的時鐘（在這些條件下，蛾子的許多節(jié)律過程被取消），它們對最常用的殺蟲劑的敏感性增加。當LD幼蟲的LC50值最高時，在LL和LD中飼養(yǎng)的幼蟲的易感性差異最大?？紤]到LD條件下的幼蟲對殺蟲劑的敏感性（用LC50值的變化表示）在每天的節(jié)奏中波動，而在LL條件下的昆蟲中，它在整個一天中保持在一個可比的水平，這一點是很明顯的。在測試的三種殺蟲劑--戊菊酯（擬除蟲菊酯）、馬拉硫磷（有機磷）和丙溴磷（氨基甲酸酯）的情況下，LD幼蟲在夜間的LC50值明顯高于白天的光照階段；而氟蟲腈（苯吡唑）、啶蟲脒和吡蟲啉（均為新煙堿類）應(yīng)用于LD幼蟲的LC50值在白天較高，在夜間較低。此外，就吡蟲啉而言，在夜間的兩個時間點，在LL飼養(yǎng)的昆蟲的LC50值比LD高（圖?2?）。這表明，時鐘功能紊亂不僅擾亂了對殺蟲劑的日常反應(yīng)，而且還可能導致對其中一些化合物的抗性增加。?

在個體或群體水平上觀察昆蟲對各種殺蟲劑的晝夜敏感性和抗性，是一個研究的熱點。蟑螂、甲蟲、蒼蠅和蛾類對不同毒物的敏感性的分子振蕩模式已被報道，特別是針對20世紀60年代常用的殺蟲劑，如DDT、狄氏劑和異狄氏劑（有機氯）、馬拉硫磷、敵敵畏、對硫磷和谷硫磷（有機磷）、二甲胺（氨基甲酸酯）以及從植物中提取的除蟲菊酯。分析表明，遷徙蝗蟲幼蟲對狄氏劑的易感性和抗性存在晝夜節(jié)律，在夜間投藥時更容易受到這種殺蟲劑的影響。同樣，正如在我們的研究中一樣，在恒定光照?(LL)?下飼養(yǎng)的黑腹果蠅的日常對殘殺威的易感性節(jié)律被取消。然而，對這種殺蟲劑的每日敏感性節(jié)律在黑腹果蠅中具有不同的特征。根據(jù)LC50分析，D. melanogaster在白天對殘殺威的敏感性最低，而對?S. littoralis?的敏感性在晚上最低。在過去的十年中，關(guān)于對殺蟲劑敏感性的日常變化的研究仍然是相關(guān)的。在蜜蜂Apis mellifera中顯示了對戊唑醇、氰戊菊酯、高效氯氟氰菊酯、溴氰菊酯（擬除蟲菊酯）、吡丙醚（吡啶衍生物）、吡蚜酮（氨基甲酸酯）、二嗪農(nóng)（有機磷）、茚蟲威（有機氯）和特氟苯脲（苯甲酰尿素衍生物）敏感性的振蕩。在這種情況下，幸存者的百分比在一天內(nèi)發(fā)生了變化，這取決于它們中毒的時間和使用的殺蟲劑類型。這反過來又類似于在S. littoralis身上觀察到的關(guān)系，在那里，幼蟲對個別殺蟲劑的敏感性在一天中變化很大。有趣的是，棉蚜Aphis gossypii對二嗪農(nóng)（有機磷）的敏感性在白天發(fā)生變化，與我們在用馬拉硫磷（也是有機磷）處理的石南星中觀察到的情況相似。此外，連續(xù)的照明也導致了蚜蟲對二嗪農(nóng)的LC50值的周期性變化的消失，正如馬拉硫磷對S.littoralis的LC50值的情況。在S littoralis和B. mori中，對除蟲菊酯的反應(yīng)似乎是相似的。正如對S. littoralis所顯示的那樣，B. mori在下半夜對這些殺蟲劑的敏感度最低，而在白天最高。蟋蟀，Acheta domesticus，在夜間也表現(xiàn)出對擬除蟲菊酯?-氰戊菊酯的最高抗性，表現(xiàn)為高存活率。當提出的結(jié)果也涉及到特定基因表達的分析時，上述的研究范圍被大大擴展。編碼一般的異生物代謝酶（特別是殺蟲劑）的基因，重點是谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶（GSTs）和細胞色素P450單氧酶（P450s）家族，已被描述為在黃熱病蚊子埃及伊蚊中有節(jié)律地表達。這種表達特性似乎與該物種不同的異生物敏感性的晝夜波動有關(guān)。? ? ? ? ? ??????????????

這項研究表明，研究的新路徑可能以使用RNAi方法的可能性為標志，其中目標將是調(diào)節(jié)參與異物代謝的酶的系統(tǒng)元素，其活動是自然有節(jié)奏的。似乎擾亂編碼調(diào)節(jié)因子的生物鐘基因的表達可能是一個很好的工具，這些調(diào)節(jié)因子在調(diào)控異生物反應(yīng)方面排名靠前（圖?3）。用于控制對殺蟲劑的敏感性的RNAi具有這樣的優(yōu)勢：關(guān)閉個別成分的表達將導致許多從屬代謝途徑的功能障礙。因此，與目標是編碼解毒酶的單一基因時相比，其作用是系統(tǒng)性的，也是更復雜的，這些基因經(jīng)常被推測為使用RNAi技術(shù)的關(guān)鍵關(guān)閉目標。其中包括那些編碼以我們所研究的活性為特征的酶，即P450、GST和酯酶。這篇論文的作者也遵循了這一推理，表明在用時鐘基因的dsRNA處理的S. litura中，有可能關(guān)閉解毒基因的表達（然而，沒有研究酶的活性）。正如文獻所反映的那樣，使用RNAi通過控制蟲害來保護作物的興趣很高，而且在不斷增加。在這種情況下，擬議的目標是通常與發(fā)育和一般代謝有關(guān)的基因。在后者中，敲除這些參與滅活和清除體內(nèi)異物的基因特別重要，因為它們正在形成昆蟲對殺蟲劑的敏感性。使用RNAi來增加昆蟲對殺蟲劑的敏感性也是合理的，例如，用于對這些化合物產(chǎn)生抗性的菌株。RNAi也被應(yīng)用于抗性發(fā)展的研究中。?

在我們的研究中，我們表明，通過使用RNAi敲除時鐘基因（從而編碼影響轉(zhuǎn)錄的因子）來破壞分子振蕩器的功能，有效地改變了專用器官中解毒酶的活性，但也影響了S. littoralis幼蟲對我們測試的殺蟲劑的敏感性（圖?4?）。從結(jié)果可以得出幾個結(jié)論。首先，用per和cyc（幾乎在一天中的每個時間點）和pdp1（在一天中的每個時間點）處理昆蟲，明顯降低了氟蟲腈、馬拉硫磷和丙溴磷的LC50。第二，在注射tim和cry2 dsRNA后的一天內(nèi)，暴露于這些殺蟲劑的昆蟲的易感性（LC50）沒有很大的變化。第三，在暴露于溴氰菊酯的昆蟲中，dsRNA處理的效果主要是在對照組LC50值最高的時段（即夜間）幾乎觀察到。一個例外是施用pdp1dsRNA，它極大地降低了溴氰菊酯的LC50值，而不管其施用時間如何。第四，用編碼TTFL負調(diào)節(jié)器的基因（per、tim和cry2）的dsRNA處理后，幼蟲對新煙堿的反應(yīng)相似，即與對照組幼蟲相比，LC50值增加。然而，當使用TTFL中陽性調(diào)節(jié)器（cyc和pdp1）的dsRNA時，這些殺蟲劑的LC50值下降或（較少且僅在cycdsRNA幼蟲中）沒有變化。生物鐘基因代表了一個特殊的類別，因為當編碼轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子時，它們在生物體對有毒物質(zhì)反應(yīng)的級聯(lián)中處于高度的位置。使用RNAi基因沉默技術(shù)，也證明了在這種層次系統(tǒng)中起作用的基因的重要作用，這些基因通過編碼調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的因子，在解毒過程中對執(zhí)行基因的控制方面有優(yōu)勢。然而，正如我們上面提到的，關(guān)于沉默時鐘基因的表達與生理反應(yīng)的變化（如對殺蟲劑的敏感性差異）之間的關(guān)系的數(shù)據(jù)只有少數(shù)，而且來自對D. melanogaster突變體的研究，以及對S. litura和A.aegypti進行RNAi處理之后。這這個問題似乎非常有趣，而且面向未來，因為它使我們注意到合理使用殺蟲劑的可能性，主要是根據(jù)一天中的不同時間來使用不同的劑量。另一方面，它將最大限度地減少它們的使用規(guī)模。

原文鏈接：https:// doi.org/10.3390/insects13050488