杀虫剂解毒与抗性中的活性氧信号转导：分子机制、氧化还原调控及一氧化氮的新兴作用

《Pesticide Biochemistry and Physiology》：Reactive oxygen species signaling in insecticide detoxification and resistance: Molecular mechanisms, redox regulation, and emerging roles of nitric oxide

　　

**摘要**

昆虫在其生命周期中会接触多种外源化合物，包括植物化感物质、微生物毒素、环境污染物和合成杀虫剂，这些物质可能干扰氧化还原稳态并改变活性氧（ROS）的动态平衡。受控的ROS变化可以作为信号线索，调节抗氧化防御、外源物质代谢、免疫和细胞适应，而过量的ROS则可能导致细胞损伤。来自杀虫剂暴露和抗性研究证据表明，ROS响应通路，特别是CncC/Keap1，以及在某些系统中包括FOXO和MAPK通路，可以调节解毒相关酶并有助于杀虫剂耐受性或抗性。其他通路，包括PI3K/AKT、TOR/S6K、HIF-1α和NF-κB，主要参与应激、代谢或免疫反应，而关于抗性的直接证据相对有限。I期至III期解毒系统，包括细胞色素P450单加氧酶、羧酸酯酶/胆碱酯酶、谷胱甘肽S-转移酶、UDP-糖基转移酶和ATP结合盒转运蛋白，在这些氧化还原响应网络中发挥作用。抗氧化系统进一步调节细胞对杀虫剂诱导的氧化应激的反应。一氧化氮（NO），尽管化学性质上与ROS不同，但通过氧化还原和免疫信号与ROS相互作用，可能影响外源化合物反应；然而，直接将NO信号与杀虫剂抗性联系起来的直接功能证据仍然有限。本综述区分了暴露诱导的氧化还原反应、补偿性适应和与抗性相关的组成性状态，并评估了因果机制与下游生物标志物之间的证据。我们进一步评估了多组学和功能基因组策略在检验因果关系方面的应用，并确定了氧化还原调节通路作为抗性管理的潜在但依赖情境的靶点。

**引言**

昆虫是动物界中最多样化和生态上最成功的类群之一，占据陆地和淡水生态系统，并提供诸如传粉、养分循环、分解和生物防治等重要服务。然而，许多植食性昆虫是主要的农业害虫，威胁着农作物生产和粮食安全。因此，合成杀虫剂仍然是害虫管理的重要工具，但其密集和重复使用施加了强大的选择压力，可能加速抗性的产生并降低化学防治和综合害虫管理方案的效果（Amezian和Van Leeuwen，2025；Vidal等，2025）。杀虫剂抗性涉及多种机制，包括靶标位点不敏感、代谢解毒增强、渗透性降低和行为适应，这些机制可与遗传变异、生理可塑性和环境条件相互作用。

靶标位点抗性和代谢抗性是该过程的两个主要组成部分。杀虫剂靶标中的突变，包括电压门控钠通道、乙酰胆碱酯酶和Ryanodine受体，可以降低杀虫剂敏感性，而细胞色素P450单加氧酶（CYPs）、谷胱甘肽S-转移酶（GSTs）、羧酸酯酶和胆碱酯酶（CCEs）、UDP-糖基转移酶（UGTs）以及ATP结合盒（ABC）转运蛋白表达或活性的增加可以增强外源化合物代谢、结合、隔离或外排。代谢抗性可以通过改变的转录调控、基因重复或招募已有的解毒途径而产生。例如，CYP介导的机制在稻飞虱对烟碱类杀虫剂的抗性和棉铃虫对拟除虫菊酯的抗性中发挥作用，而CYPs和其他解毒酶在鳞翅目害虫对双酰胺类杀虫剂的抗性中也有贡献（Choi等，2025a；Choi等，2026a；Kim等，2025a；Kim等，2025b）。重要的是，增强的外源化合物代谢也可能改变细胞氧化还原平衡，在解毒和氧化应激之间创造潜在的相互关系。

氧化还原稳态为理解这种关系提供了重要框架。杀虫剂和其他外源化合物可能影响线粒体功能、细胞代谢和解毒反应，从而改变活性氧（ROS）的产生和清除。ROS并非完全是有害的副产物；受控的ROS积累可以作为一种信号线索，而过量或过长时间的积累可以损害蛋白质、脂质、核酸和细胞器（Messi等，2025；Wen等，2025；Xu等，2022b）。因此，ROS的生物后果取决于其数量级、持续时间、定位和细胞缓冲能力。这种区别在杀虫剂抗性研究中尤为重要，因为改变的ROS水平可能代表适应性信号、对代谢增强的补偿性反应，或是细胞损伤的后果，而非抗性的起始原因。

解毒和氧化应激之间的关系也可能影响抗性的适合度后果。增加的解毒活性可能产生额外的氧化负担，而抗氧化机制可能补偿这种应激并促进抗性相关表型的持续。在褐飞虱（*Nilaparvata lugens*）中，CYP过表达赋予了对吡虫啉的抗性，但在代谢吡虫啉和寄主植物化合物过程中也会增加ROS产生。由此产生的氧化负担带来了适合度成本，并与选择补偿性NlPrx启动子等位基因相关联，该等位基因增加过氧化物iredoxin表达和ROS清除能力（Pang等，2021）。这一发现为解毒相关的ROS产生和抗氧化补偿之间的相互关系提供了直接证据。它还说明了为什么不应自动将抗性昆虫中升高的抗氧化能力解释为ROS启动了抗性演化的证据。

一氧化氮（NO）代表了昆虫氧化还原调节中一个不同但相互作用的组成部分。NO是一种进化保守的、膜通透的信号分子，可以激活可溶性鸟苷酸环化酶和环鸟苷酸（cGMP）依赖性信号。在昆虫中，NO/cGMP信号在神经通讯、嗅觉、视觉、机械感觉、发育和行为过程中具有已确立的作用，表明NO是重要的生理信号分子，而不仅仅是氧化应激的副产物（Bicker，2001；Jeong，2024）。除了cGMP依赖性信号外，NO还可以通过可逆的S-亚硝基化调节蛋白质。最近在果蝇（*Drosophila melanogaster*）中的研究表明，S-亚硝基谷胱甘肽还原酶（GSNOR，由*fdh*基因编码）调节Toll通路蛋白酶Persephone的S-亚硝基化，并对有效的抗真菌和抗菌免疫反应是必需的（Homem等，2026）。由于该研究目前仅以未经同行评审的预印本形式发表，且涉及固有免疫而非杀虫剂抗性，其发现提供了昆虫中NO依赖性蛋白质调节的机制证据，但不应被解释为NO促进杀虫剂抗性的证据。NO在化学和功能上也可以与ROS相互作用，特别是与超氧化物，从而将氮中心和氧中心的氧化还原过程联系起来。然而，与日益增长的关于ROS响应性调节外源化合物解毒的证据相比，直接将NO与杀虫剂抗性联系起来的直接机制证据仍然有限。因此，本综述将ROS视为与杀虫剂解毒和抗性相关的主要氧化还原组成部分，并将NO视为昆虫氧化还原生物学中一个相互作用且新兴的组成部分。这种区别对于区分已确立的机制和NO的合理但验证不足的角色是重要的。

ROS信号与外源化合物解毒之间的直接联系日益得到功能研究的支持。在甜菜夜蛾（*Spodoptera exigua*）中，杀虫剂暴露增加ROS水平并激活CncC/Maf通路，该通路调节多种GST基因的表达（Hu等，2019）。CncC/Maf还直接调节CYP321A16和CYP332A1，其表达和酶活性有助于对毒死蜱的抗性（Bo等，2020）。在棉蚜（*Aphis gossypii*）中，氟啶虫胺腈暴露诱导ROS积累和CncC激活，导致CYP4CJ2表达增加和对氟啶虫胺腈的耐受性；用N-乙酰半胱氨酸清除ROS会抑制这一反应。同样，在抗性螨类全爪螨（*Tetranychus cinnabarinus*）中，ROS积累激活FOXO，进而促进CncC、AhR和HR96信号传导，随后诱导解毒基因（Wen等，2025）。这些研究为ROS依赖性调节外源化合物代谢提供了功能支持，但可诱导的氧化还原信号在多大程度上有助于组成性抗性的演化和维持仍未解决。

氧化还原反应也受生态和生理环境的影响。肠道微生物可以通过氧化还原依赖性信号影响宿主动物的解毒。在瓜实蝇（*Bactrocera dorsalis*）中，乳酸菌通过促进ROS产生和激活CncC/Maf通路来增加对β-氰戊菊酯的抗性，该通路增强了CYP和GST活性；破坏CncC或ROS产生酶BdNOX5会减少这些效应（Zeng等，2024a）。其他生理调节因子也可以类似地影响ROS依赖性解毒；例如，AANAT1调节瓜实蝇和白纹伊蚊（*Aedes aegypti*）的肠道ROS和CncC/Maf通路，从而影响解毒基因表达和杀虫剂易感性（Zeng等，2024b）。寄主植物化学、食性广度和寄主利用历史可以影响杀虫剂抗性发展的演化背景，因为对植物防御化合物的适应可能与用于对抗合成杀虫剂的解毒机制重叠（Alyokhin和Chen，2017；Crossley等，2021；Hardy等，2018）。

环境条件可以进一步改变氧化还原反应和抗性相关表型。在抗性小褐飞虱和果蝇中，无论温度如何，抗性昆虫的解毒酶活性都更高，而ROS水平则随温度升高而增加（Jeong等，2021）。在桃蚜（*Myzus persicae*）中，温度改变了对吡虫啉的氧化应激和毒物兴奋反应，低浓度杀虫剂产生温度依赖性的ROS水平变化（Silva等，2025）。热应激也可能加剧与抗性相关的生理成本；在热应激下，抗毒死蜱的小菜蛾（*Plutella xylostella*）表现出更高的ROS水平、较弱的抗氧化和热激反应，以及比易感昆虫更大的生殖细胞损伤（Zhang等，2017）。这些发现共同表明，与杀虫剂暴露或抗性相关的氧化还原表型应结合环境条件来解释，而非作为抗性昆虫的固定特征。

潜在的基于氧化还原的抗性管理策略还必须考虑非靶标生物。田间剂量暴露于氟虫脒和氟虫腈会增加蜜蜂（*Apis mellifera*）的氧化应激和细胞凋亡，而农药暴露同样改变了大蜜蜂（*Apis dorsata*）和中蜂（*Apis cerana*）的抗氧化生物标志物（Chakrabarti等，2020；Chakrabarti等，2015）。这些发现强调，操纵保守的氧化还原通路可能同时影响有益昆虫和靶标害虫。因此，在评估基于氧化还原的干预措施时，必须考虑物种特异性易感性、暴露水平、递送方式和生态后果。

转录组学、蛋白质组学、代谢组学、氧化还原分析、RNA干扰（RNAi）和CRISPR/Cas方法的进步为研究这些关系提供了日益强大的工具。然而，组学数据集主要识别关联、共表达模式和候选通路，不能独立地建立因果关系。确定氧化还原信号是否直接促进抗性需要整合时间测量、定量氧化还原分析、杀虫剂生物测定、遗传操作、生化验证以及抗性种群与易感种群之间的比较。这对于区分瞬时暴露诱导反应和组成性抗性相关氧化还原表型尤为重要。

**文献检索和证据选择**

文献通过检索Web of Science核心合集、Scopus和PubMed识别，涵盖至2026年9月的所有可用文献。检索结合了与"活性氧"（ROS）、"一氧化氮"（NO）、"活性氮"（RNS）、"氧化还原信号"、"氧化应激"、"抗氧化"、"外源化合物解毒"、"杀虫剂抗性"、"杀虫剂耐受性"以及主要氧化还原和解毒组分相关的术语，包括CncC/Keap1、FOXO、MAPK、NOS、GSNOR、S-亚硝基化、CYP/P450、GST、CCE、UGT和ABC转运蛋白。额外的相关研究从关键文章的参考文献列表和近期综述中识别。在得出关于杀虫剂解毒、耐受性和抗性的结论时，优先选择昆虫研究。非昆虫研究，以及涉及植物化感物质、一般环境毒物或免疫反应而无直接杀虫剂抗性证据的研究，仅在它们提供相关的机制或方法学背景时予以保留，并在文中明确标识。来自暴露研究、转录组学或其他组学分析以及生理反应的证据，除非有适当的功能或易感性数据支持，否则不视为因果性杀虫剂抗性的直接证据。

在本综述中，我们检验了以ROS为中心的杀虫剂解毒和抗性中的氧化还原调节，特别关注ROS和NO之间的相互作用。我们区分了急性暴露诱导反应和组成性抗性相关状态，并根据机制和功能支持的强度评估证据。特别关注NO的新兴但验证不足的角色，同时关于已确立的ROS依赖性机制的讨论涉及解毒、环境调节、适合度权衡和抗性管理。

**各部分摘要**

**ROS的来源和代谢**

ROS，包括超氧阴离子（O?•?）、过氧化氢（H?O?）、羟基自由基（•OH）和单线态氧（1O?），通过有氧代谢持续产生，也可以在发育、环境、微生物和外源化合物刺激下受控产生。在昆虫中，重要来源包括线粒体电子传递、NADPH氧化酶（NOXs）、双氧化酶（DUOX）、过氧化物酶体代谢以及与外源化合物相关的氧化还原反应。

**外源化合物诱导的氧化和亚硝化应激**

在整个生命周期中，昆虫会接触多种外源化合物，包括植物次生代谢物、微生物毒素、环境污染物、重金属和合成农药。暴露于这些化合物可能通过线粒体功能障碍、改变离子和钙信号传导、诱导氧化酶系统以及与外源化合物代谢相关的氧化还原反应来扰乱细胞稳态（Chaitanya等，2016；Messi等，2025）。类似的氧化还原和炎症反应……

**ROS介导的固有免疫反应**

ROS是昆虫固有免疫的重要组成部分，可在病原体识别后通过DUOX、NOXs、线粒体电子传递以及与酚氧化酶系统相关的氧化反应产生。除了直接的抗菌作用外，ROS可以作为信号中间体调节免疫通路和上皮反应（Chaitanya等，2016；Lemaitre和Hoffmann，2007）。然而，免疫ROS产生必须在空间和时间上进行调节……

**ROS调节的解毒系统**

杀虫剂抗性可以通过靶标位点修饰、渗透性降低、解毒增强以及生理或代谢调节的改变而产生。

尽管靶标位点突变受到了广泛关注，但由细胞色素 P450（CYPs）、谷胱甘肽 S-转移酶（GSTs）、羧酸酯酶（CCEs）、葡萄糖醛酸转移酶（UGTs）和 ABC 转运蛋白介导的代谢抗性在害虫和疾病媒介昆虫中普遍存在。氧化还原信号提供了外源化学物暴露与这些适应性反应之间的一个潜在界面。基因组学和比较基因组学为研究杀虫剂抗性的遗传和进化基础提供了基础。染色体水平的基因组有助于识别和表征主要的解毒基因家族，包括 CYPs、GSTs、CCEs、UGTs 和 ABC 转运蛋白，以及抗氧化和其他氧化还原调节基因（图 2A）（Feyereisen, 2012; Pavlidi 等，2018）。比较分析可以揭示基因重复和拷贝数变异。利用氧化还原信号克服杀虫剂抗性。活性氧（ROS）响应通路调节解毒、抗氧化防御和细胞适应性的证据表明，氧化还原调节组分可能代表抗性管理中的候选薄弱环节（图 2C）。这种可能性对于代谢抗性尤为相关，因为在代谢抗性中，增强的解毒和细胞保护可以降低杀虫剂毒性。然而，ROS 和 NO 通路还调节免疫、发育、生殖等关键过程。当前知识差距与未来展望。尽管在对昆虫生理学、免疫、解毒和应激适应中 ROS 和 NO 的理解上取得了重大进展，但它们对杀虫剂抗性的具体贡献仍未完全阐明。核心挑战在于区分那些导致抗性的氧化还原变化与那些在杀虫剂暴露、解毒增强、靶标效应或细胞损伤后产生的变化。抗性昆虫中升高的 ROS、改变的抗氧化活性或 NO 稳态变化。结论。ROS 和 NO 构成了昆虫中连接外源化学物暴露与抗氧化防御、解毒、免疫、代谢、线粒体功能及细胞适应的重要调节层。它们的效果高度依赖于背景：短暂且受控的氧化还原变化可作为适应性信号，而持续或过度的干扰则可能造成氧化或亚硝化损伤。总体而言，本文综述的证据为 ROS 介导的机制提供了更实质性的支持。作者贡献声明。Murtaza Khan：写作 – 审阅与编辑、写作 – 初稿、调查、形式分析、数据整理。Juil Kim：写作 – 审阅与编辑、可视化、验证、监督、项目管理、资金获取、概念化。资金。本研究由韩国国家自然科学基金会通过基本科学研究计划资助（NRF; RS-2026-25488139 和 RS-2021-NR060130）。未引用参考文献 Choi 等，2025b。利益冲突声明。所有作者声明无利益冲突。Murtaza Khan | Juil Kim 韩国江原国立大学农业与生命科学研究院，春川 24341，大韩民国