斜纹夜蛾（Spodoptera littoralis）生物合理杀虫剂效应评估：从营养干扰、遗传毒性到计算机模拟风险分析

《The Journal of Basic and Applied Zoology》：Evaluating the biorational profile of selected insecticides in Spodoptera littoralis: from nutritional disruption and genotoxicity to in silico risk analysis

　　

背景：斜纹夜蛾（Spodoptera littoralis）是一种具有高度破坏性的害虫，威胁多种具有重要经济价值的作物。本研究采用叶片浸渍生物测定法，在LC10和LC50浓度下，评估了五种杀虫剂（氯虫苯甲酰胺、噻虫啉、甲氨基阿维菌素苯甲酸盐、茚虫威和苏云金芽孢杆菌）对3龄和5龄幼虫营养指数及生长的影响。研究人员分析了食物转化效率和幼虫生长速率。通过遗传毒性测定确定了所选杀虫剂的安全性。计算机模拟分析（一种用于预测脱靶安全性和生态风险的计算建模方法）为杀虫剂应用的有效性和安全性提供了整体性认识。 结果：结果显示杀虫剂对取食和生长具有显著的亚致死效应。苏云金芽孢杆菌（B. thuringiensis）对5龄幼虫表现出最高的取食忌避指数（FDI），超过50%。相反，Coragen和茚虫威表现出中等的FDI效应。LC50浓度的噻虫啉导致摄入食物转化效率（ECI）的最大程度降低。相对生长速率在各处理间变化不一，大多数处理为负值，表明生长受到抑制，其中噻虫啉造成的降低最为显著。各处理均检测到食物转化效率受损，尤其是噻虫啉和Coragen处理。近似消化率（AD）在各处理中保持较高水平，其中Coragen（99.393%）和苏云金芽孢杆菌（99.276%）的AD值最高。通过彗星实验进行的比较遗传毒性分析显示，取食噻虫啉处理植物叶片后DNA损伤最为严重，对应II型效应（25–45%损伤）。而细菌处理显示I型效应，对应0–25%损伤。毒性研究得到了计算机模拟理化性质和毒性谱的支持。计算机模拟鉴定出甲氨基阿维菌素苯甲酸盐的主要危害包括免疫毒性、呼吸毒性、经口和经皮毒性、潜在肝毒性和水生毒性。相反，预测其致突变性、皮肤致敏和刺激以及吸入毒性较低。 结论：研究结果强调，微生物杀虫剂如苏云金芽孢杆菌是有效的取食忌避剂，对食物利用具有中等亚致死效应，而化学杀虫剂如噻虫啉和Coragen则显著干扰生长和营养同化。这些结果为斜纹夜蛾综合治理计划中杀虫剂的使用提供了重要见解。

论文解读

一、研究背景与意义

斜纹夜蛾（Spodoptera littoralis）是一种臭名昭著的多食性害虫，可对热带和亚热带地区40个科超过87种植物造成严重危害。该害虫具有高繁殖率和快速产生抗药性的能力，对全球农业构成重大威胁，被欧洲和地中海植物保护组织（EPPO）列为A2检疫性害虫。在埃及，传统上依赖常规化学杀虫剂防治斜纹夜蛾，但大量且不负责任的使用已导致抗药性发展、非靶标毒性和环境污染等生态问题。历史上，有机磷类、拟除虫菊酯类和氨基甲酸酯类等高毒性杀虫剂的过度使用，加剧了斜纹夜蛾种群抗药性的积累。因此，亟需开发更可持续、生态相容性更好的害虫防治方法，以实现全球可持续发展目标中保护陆地生物（目标15）和气候行动（目标13）的要求。

不同杀虫剂作用机制的差异对防治计划的成功至关重要。例如，新烟碱类杀虫剂通过烟碱型乙酰胆碱受体（nAChRs）干扰神经信号传导；邻氨基苯甲酰胺类如氯虫苯甲酰胺作用于兰尼碱受体，导致肌肉钙离子不受控释放；阿维菌素类如甲氨基阿维菌素苯甲酸盐作用于氯离子通道，损害神经肌肉活动。此外，除急性致死效应外，这些杀虫剂的遗传毒性特征可能对斜纹夜蛾种群的长期抑制产生影响。彗星实验作为灵敏且准确的检测方法，可用于评估杀虫剂暴露引起的DNA损伤。基于上述背景，本研究旨在系统评估五种具有不同作用机制的生物合理杀虫剂对斜纹夜蛾幼虫营养生理的影响，并分析其引起的DNA损伤程度，为害虫综合治理提供全面的科学依据。

二、主要技术方法

研究人员建立了斜纹夜蛾实验室敏感品系，幼虫以新鲜蓖麻叶饲养，在相对湿度65±5%、光周期12:12小时（L:D）的受控条件下培养。研究选用五种技术级杀虫剂：Coragen（氯虫苯甲酰胺，邻氨基苯甲酰胺类，兰尼碱受体调节剂，法国）、茚虫威（噁二嗪类，电压依赖性钠通道阻断剂，IRAC 22A组，印度）、噻虫啉（氯代烟碱类，烟碱型乙酰胆碱激动剂，中国）、甲氨基阿维菌素苯甲酸盐（阿维菌素类，氯离子通道激活剂，中国）和苏云金芽孢杆菌（微生物杀虫剂，中肠膜破坏，美国）。采用无选择叶片圆盘生物测定法，分别以LC₁₀和LC₅₀浓度处理3龄和5龄幼虫，化学杀虫剂处理24小时，微生物杀虫剂处理48小时，依据Waldbauer公式计算相对取食率（RCR）、消化食物转化效率（ECD）、相对生长速率（RGR）、近似消化率（AD）、摄入食物转化效率（ECI）和取食忌避指数（FDI）。遗传毒性评估采用碱性彗星实验，分析幼虫中肠细胞DNA单链断裂，使用Comet Assay IV软件计算尾部DNA百分比、尾长和尾矩。计算机模拟毒性预测选用甲氨基阿维菌素苯甲酸盐，利用pkCSM、STopTox和ProTox-3.0三个平台预测其致突变性、急性经口毒性、慢性经口毒性、肝毒性、皮肤致敏性、水生毒性等多维度毒理学终点。数据经Shapiro-Wilk正态性检验后进行单因素方差分析（ANOVA）和Tukey's HSD事后多重比较检验，显著性水平设为P≤0.05。

三、研究结果

食物消耗测定：3龄幼虫实验中，所有杀虫剂均显著提高FDI，其中LC₁₀浓度下苏云金芽孢杆菌（30.847%）和甲氨基阿维菌素苯甲酸盐（30.889%）的FDI最高。大多数处理组的RCR较对照显著降低，茚虫威的RCR最低（0.989）。在LC₅₀浓度下，除苏云金芽孢杆菌外所有杀虫剂均提高了RCR。ECI总体呈下降趋势，LC₅₀浓度下噻虫啉的ECI最低。所有杀虫剂处理均对RGR产生负面影响，茚虫威在LC₅₀浓度下对3龄幼虫RGR的抑制最为显著（-0.884）。ECD在噻虫啉和甲氨基阿维菌素苯甲酸盐LC₁₀处理下为正值，但LC₅₀浓度下多个处理出现负值，如噻虫啉（-16.508%）和茚虫威（-14.80%）。AD在各处理中保持较高水平，Coragen在LC₅₀浓度下AD最高（99.393%），苏云金芽孢杆菌在LC₅₀浓度下AD最低（93.74%）。

5龄幼虫实验中，苏云金芽孢杆菌在LC₁₀浓度下表现出最高的取食忌避效应（51.592%），其次为噻虫啉LC₁₀（45.22%）。LC₅₀浓度下各处理组RCR均低于对照，噻虫啉的取食量降低最为显著（0.376）。ECI在各处理中主要为负值，噻虫啉LC₅₀的ECI最低（-60.30%），其次为茚虫威LC₅₀（-43.10%）。RGR普遍受到抑制，噻虫啉LC₅₀的RGR最低（-0.214%）。ECD同样以噻虫啉LC₅₀最低（-61.10%）。AD在各处理间保持较高且变异较小，Coragen LC₅₀（99.231%）和苏云金芽孢杆菌LC₁₀（99.28%）的AD最高。

彗星实验：取食未处理植物叶片的昆虫表现出正常的细胞核形态，仅有轻微的背景损伤。噻虫啉处理的细胞尾部DNA浓度最高，而苏云金芽孢杆菌处理的DNA浓度最低。苏云金芽孢杆菌诱导的DNA链断裂水平为I型效应（1–25%尾部DNA），其他所有化学杀虫剂均表现为II型效应（25–45%尾部DNA）。DNA损伤程度排序为噻虫啉>Coragen>甲氨基阿维菌素苯甲酸盐>茚虫威>苏云金芽孢杆菌。噻虫啉处理显著增加了尾长，表明产生了大量双链和单链断裂，其尾矩较对照增加1.5倍，证明其具有中等遗传毒性效应。苏云金芽孢杆菌处理的尾矩与对照无显著差异。

甲氨基阿维菌素苯甲酸盐的计算机模拟毒性预测：ProTox-3.0分析显示该杀虫剂具有混合毒理学特征，免疫毒性概率高达0.99，呼吸毒性概率为0.78，是模型识别的最显著潜在安全问题。该化合物被分类为肝毒性和细胞毒性无活性，概率分别为0.76和0.71。神经毒性和生态毒性也被建模为无活性，但概率较低（分别为0.63和0.57），表明这些分类存在较大不确定性。STopTox预测显示该化合物经口暴露毒性置信度为52%，经皮暴露毒性置信度为61%，而急性吸入毒性、眼刺激和腐蚀、皮肤刺激和腐蚀均预测为非毒性，皮肤致敏性为非致敏剂，置信度高达80%。pkCSM分析预测该化合物无AMES致突变性和皮肤致敏性风险，但肝毒性预测为阳性，经口大鼠急性毒性LD₅₀为2.640 mol/kg，慢性经口毒性LOAEL为1.861 log mg/kg体重/天。对非靶标水生生物，梨形四膜虫（Tetrahymena pyriformis）毒性预测值为0.285 log μg/L，米诺鱼毒性预测值为2.911 log mmol，表明其作为农业投入品具有潜在环境影响。

四、讨论与结论

讨论部分指出，所有测试杀虫剂均表现出强烈的取食忌避效应，苏云金芽孢杆菌在3龄和5龄幼虫中均具有最高的FDI，证实其作为微生物杀虫剂在害虫管理中的有效性。化学杀虫剂的FDI相对较低，表明其主要通过神经毒性机制间接影响取食行为。RCR的降低与取食忌避效应一致，反映了杀虫剂抑制取食和减少害虫种群生长的能力。负RGR值表明幼虫因取食忌避和毒性作用导致的营养胁迫而体重下降，同时解毒过程消耗大量能量，造成高代谢成本。噻虫啉和茚虫威在LC₅₀浓度下对RGR的显著抑制支持高浓度噻虫啉对斜纹夜蛾生长的强抑制作用。负ECI和ECD值表明杀虫剂干扰了消化和同化过程，噻虫啉在LC₅₀浓度下的ECI（-60.30%）和ECD（-61.10%）最低。微生物杀虫剂如苏云金芽孢杆菌对ECI和ECD的负面影响相对较小，表明其作为更可持续的害虫防治选择具有潜力。AD在各处理中保持较高水平，表明杀虫剂虽抑制取食和生长，但未显著损害幼虫的基本消化能力，可能与取食减少导致食物在消化道停留时间延长、肠道蠕动受影响或上皮损伤导致吸收渗漏等机制有关。

遗传毒性分析显示苏云金芽孢杆菌对基因组完整性风险可忽略不计，其作用机制主要通过Cry毒素破坏中肠上皮细胞膜而非直接干扰细胞内大分子。噻虫啉是最有效的遗传毒性物质，新烟碱类杀虫剂在靶向nAChRs的同时对昆虫基因组造成额外胁迫，活性氧（ROS）常被认为是造成这种损伤的原因。甲氨基阿维菌素苯甲酸盐、氯虫苯甲酰胺和茚虫威均属于II类损伤（25–45%尾部DNA），具有中等遗传毒性风险。从IPM角度看，噻虫啉的高遗传毒性可能增加突变风险，加速抗药性发展或降低田间种群适合度，而苏云金芽孢杆菌的低遗传毒性支持其作为基因组安全的可持续害虫管理组分。

计算机模拟预测与实验证据部分一致但存在显著差异。pkCSM的阴性AMES预测与Mobeen等人的研究一致，但ProTox-3.0的肝毒性无活性分类与pkCSM的阳性预测及Temiz和Zhang等人的实验证据相矛盾。ProTox-3.0的免疫毒性活性预测（概率0.99）应谨慎解读，因为日本食品安全委员会在动物研究中未发现明显免疫毒性。其神经毒性无活性预测与实验小鼠研究显示的氧化损伤、乙酰胆碱酯酶（AChE）抑制和脑组织离子转运酶活性改变相矛盾。呼吸毒性预测与StopTox的急性吸入非毒性预测需要结合暴露途径解释。ProTox-3.0的生态毒性无活性预测（概率0.57）与实验结果显示的鱼类LC₅₀为9–43 μg/L、被归类为对鱼类高毒性形成对比，pkCSM对梨形四膜虫的预测更具预防性。

结论：本研究强调了分析多种营养指数在确定杀虫剂有效性方面的重要性。尽管苏云金芽孢杆菌表现出良好的特性，对斜纹夜蛾具有中等亚致死活性，但化学杀虫剂如噻虫啉和Coragen虽然表现出强烈的忌避效应，同时也对食物转化效率和生长造成显著干扰。这些结果应有助于持续改进害虫防治实践，优先考虑在有效性与环境影响最小化之间取得平衡的可持续方法。