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编号:10500445
卫生害虫生物防制研究进展
http://www.100md.com 《中国媒介生物学及控制杂志》 1999年第5期
     卫生害虫生物防制研究进展

    李洁 吴光华 张应阔

     关键词:生物防制 卫生害虫

    根据世界卫生组织(WHO)媒介生物学和控制专家委员会(1982)所下定义,所谓生物防制是指利用其它生物(天敌)或其代谢物来防制一种害虫〔1〕

    卫生害虫生物防制的历史渊源流长。早在20世纪初,有些地区已在水体中放养柳条鱼(Gambusia affinis),以吞食其中滋生的孑孓。其实,生物防制的基本原理就是人为地增加天敌的种类和(或)数量,来打破害虫种群在自然界的平衡,使天敌一直保持优势,从而不利于媒介种群的增长,最终达到防止或减少医学昆虫危害的目的。可用作疾病媒介和卫生害虫生物防制物的大部分为捕食者、昆虫致病体两类,后者包括寄生物和致病微生物;卫生害虫的基因防制也可归属于此范畴。
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    近年来,由于媒介昆虫抗药性的继续发展,以及杀虫剂污染的日益严重,生物防制(biocontrol)这一途径日渐受到医学昆虫界,包括WHO有关机构的重视,取得较大进展,其中令人瞩目的是关于生物杀虫剂和转基因昆虫方面的研究。

    1 生物杀虫剂的研究与应用

    近年来在昆虫致病体作为生物防制物方面发展最快的是两种细菌,即苏云金杆菌血清H-14和球形芽孢杆菌, 其对害虫实际作用如同化学杀虫剂,被称为生物杀虫剂(biocide)。

    1.1 苏云金杆菌制剂

    1.1.1 生物活性 苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis, Bt)是一群相当重要的细菌,在《伯杰氏细菌鉴定手册》第九版中归为第二类第十八群,革兰氏染色正反应形成内孢子的杆菌和球菌,是芽孢杆菌属的一种〔2〕。其最重要特征是在形成芽孢的同时,在菌体内的一端或两端能形成具蛋白质性质的一个、两个乃至多个菱形、方形、长方形、椭圆形、镶嵌形或不规则形的伴孢晶体,是其主要的活性成分。伴孢晶体由不同分子量的多肽——原毒素(protoxin)组成。
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    当敏感昆虫摄食苏云金杆菌的伴孢晶体后,在中肠肠液碱性条件下打开二硫键溶解成原毒素,进而在肠道胰蛋白酶的作用下激活成抗原蛋白酶的毒素核心片断(toxic core fragment),才能与刷状缘(brush border)上特异性受体高亲和性地结合,快速而不可逆地插入细胞质膜,形成孔或病灶(lesion),并破坏钾、钠离子梯度,引起膜的非极性化,最后通过胶体渗透裂解(Colloid-osmotic lysis),将细胞膨胀并裂解〔3〕

    根据营养细胞的鞭毛抗原的血清学反应及其它特性,苏云金芽孢杆菌可划分为40个血清种和54个血清型亚种〔4〕。到目前为止,已发现苏云金芽胞杆菌的伴孢晶体蛋白至少对脊椎动物中4个门和节肢动物门中9个目的有害生物有活性。1977年从以色列分离到血清型H-14,对蚊、蚋、白蛉幼虫有速效,无残效,但对蠓类和家蝇幼虫无作用;少数苏云金杆菌产生外毒素(exotoxin)血清,对家蝇亦有毒性。

, 百拇医药     苏云金芽孢杆菌在世界范围内其菌种和基因资源均十分丰富,发掘相当迅速。自从美国太平洋酵母公司于1957年生产出第一个苏云金杆菌商品制剂(Thuricide)以来,Bt就作为一种对人类安全无毒、无污染的高效生物杀虫剂,在害虫防制中发挥着显著作用。全世界现已有60余种Bt工业化商品,年产量8 000t以上。有关Bt杀虫剂的应用研究方兴未艾〔5〕

    1.1.2 应用 苏云金杆菌产生的伴孢晶体,对一些卫生害虫具有高效毒杀作用。Bt H-14广泛用于防制各种水体中滋生的伊蚊、库蚊,骚蚊等幼虫。但目前生产应用的Bt菌仍存在杀虫范围窄、有效成分易降解(无残效)等缺点。为此,除了选择菌株和改进剂型外,许多科学家正在采取生物工程手段加以改造,对原来的毒素蛋白基因重组,使之发挥更大的效力,以提高毒素的产量和增加持效。生物技术的成就为Bt杀虫剂的发展增添了活力〔6〕

    方法之一就是将不同亚种的毒蛋白基因构建成为杂种基因。例如,美国的Sandoz公司通过略加改进B.t. wuhanensis基因毒蛋白的氨基酸组成,使之杀虫毒性提高2~3倍,然后又将基因克隆并经穿梭质粒导入B.t. kurstaki基因。这种具有杂合Bt毒素基因的工程菌已于1990年进入放大试验,具优异效果。利用抗生性标记法检测证实,该工程菌除毒力增强和杀虫谱扩大外,其它特性与原Bt菌无差异,未发现该工程菌对环境产生不良影响。不少国家在进行类似的研究,以期获得对多种害虫高效的新型Bt工程菌。
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    1.2 球形芽孢杆菌制剂

    1.2.1 生物活性 球形芽孢杆菌(Bacillus sphaericus, BS)广布全球,是普遍存在于土壤和水土系统中的一种产芽孢菌,其中有的具杀虫性能,有的则是非杀虫株。其杀虫谱比苏云金杆菌为窄,一般而言,库蚊对它最敏感,按蚊次之,多数伊蚊种类对它不敏感,对蚋的幼虫亦无毒效。在污水中有较长持效,适用于防制污水库的淡色库蚊和致倦库蚊。在常用的1593、 2297和 2362菌株中,后者毒效一般比其他两株高。我国研制的Ts-1和Bs-10株有类似的杀虫毒性。

    研究表明,球形芽孢杆菌产生原毒素(protoxin),原毒素在蚊幼肠道中活化而成为毒素。最初合成毒素是分子量为125000的肽,在芽孢形成过程中,肽分解为分子量11000、63000和43000的蛋白质。毒性的活化有两个过程,一是分子量125000的蛋白质转化为分子量43000的蛋白质,二是后者在幼虫肠道中转化为40000的蛋白质〔7〕
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    1.2.2 应用 球形芽孢杆菌高毒株产51.4KDa和41.9KDa二种毒素蛋白,当孢子被蚊幼虫吞食时可释放溶解,引起中肠上皮细胞崩溃,导致幼虫死亡。由于孢子较快沉淀,球形芽孢杆菌在自然水体中繁殖较差,故用于蚊虫控制的持效方面不够理想。利用基因工程手段,球形芽孢杆菌的产毒基因克隆,并在蓝藻等中表达,是解决球形芽孢杆菌短效的途径之一〔8-9〕

    蓝藻浮于水面,是一类光合原核生物,广泛分布于自然水体,有利于蚊幼特别是按蚊幼虫吞食。TDR把这方面的研究作为生物防制的重要内容。在我国,山东省寄生虫病防治研究所在这方面做了一定的工作,他们在试验室构建转入含有球形芽孢杆菌蛋白基因穿梭质粒的鱼腥藻A. subtropic(pDc26),在9.41×105cells/ml浓度以上时,48h可杀死99%~100%蚊幼虫;9.13×104cells/ml浓度时,4d可杀死99%以上蚊幼虫。连续观察2个多月,该基因工程藻仍有明显杀蚊效果,比单独使用球形芽孢杆菌杀灭蚊幼有明显提高,持续时间也延长。
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    2 转基因昆虫的研究现状

    利用转基因昆虫防制害虫,是害虫基因防制的方法之一,它是用遗传工程方法,体外连接昆虫转座子、对昆虫有害基因和启动子,构建一个复合转座子(transposons witharmed cassettes,TAC)。在昆虫转座子的引导下,TAC插入昆虫基因组,形成转基因昆虫。转基因昆虫与野生昆虫交配,TAC随着昆虫转座子的自然扩散传递到子代,并在后代中迅速扩散,经过几个世代,TAC扩散到靶昆虫种群的所有个体。TAC中的对昆虫有害基因在启动子的调控下表达,使害虫种群“自毁”。近年来,随着分子遗传学和基因工程研究的迅速发展,利用转基因昆虫防制害虫,成为害虫基因防制研究的新方向〔9-11〕

    目前,能够实际用于害虫防制的转基因昆虫还没有一种构建成功,但在昆虫转座子、对昆虫有害基因和专一启动子研究方面已取得迅速进展〔11-12〕
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    自40年代McClintock等首次发现了昆虫转座子后,现在几乎所有生物都证实有转座子。转座子(转座因子)是一类中度重复序列DNA,可在广泛分散的位点上插入寄主基因组,并依赖寄主进行复制,转座子能够将外源遗传信息转移到活细胞中,这一特征为基因调控的研究提供了新方法。转座子把外源基因带入自然群体,作为潜在的驱动因子,转座子可在群体中传播不利的性状,如温度敏感致死或受基因影响的寄生传播,从而达到防制害虫的目的。

    在昆虫有害基因(Insect ineapacitating genes)中,有实用价值的是激素相关基因、调节神经多肽产量与功能的基因、编码细胞受体和昆虫麻痹多肽的基因,以及涉及各种单一代谢支路的基因。这类基因的超表达和亚表达,在昆虫异相组织表达或在昆虫发育中异时表达,都产生严重的病理学结果,使昆虫死亡或残废。随着分子生物学技术的发展,使用寡核苷酸合成和PCR技术可发现新的对昆虫有害的基因。Bendena等根据抑咽侧体素(allastaon,AS)下cDNA制备引物,使用PCR技术从太平洋折翅蠊Daplolotaon punctata eschscholtz中筛选出AS的原激素基因,该基因能编码370个氨基酸,其中含AS的多个拷贝。已有报道利用昆虫有害基因可对蚊虫进行控制〔13〕
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    转基因昆虫需两类启动子,即条件启动子和专一启动子。果蝇热休克基因启动子hsp70广泛用于转基因果蝇和转基因昆虫细胞系。hsp70可有效地调控多种昆虫基因的表达,但在一些条件下出现转录调控泄漏,对野外环境中不同条件的反应难以预料。哺乳动物的双元启动子可望用于转基因昆虫的研究〔14〕。但专一启动子的研究尚未见报道。

    3 结语

    展望未来,化学杀虫剂在卫生害虫防制方面虽仍占据主角地位,但由于昆虫对化学杀虫剂普遍产生抗性,以及杀虫剂对生态环境的日益污染,生物杀虫剂越来越显示其欣欣向荣的发展前景。尽管由于成本等因素,生物杀虫剂的使用规模与化学杀虫剂相比仍然很小,但它作为一类对人类安全、无污染的新型杀虫剂,确实具有极大的发展潜力。90年代Bt杀虫剂产量有10%~20%的递增速率,转基因昆虫研究也取得长足进步。目前,转基因果蝇和转基因地中海实蝇的研究已接近实用水平,虽然还有许多工作需待进一步深入,但可以预见,随着分子生物学和基因工程研究的发展,不久的将来,转基因昆虫就能广泛用于防制各种害虫〔15〕
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    作者单位:南京军区军事医学研究所(邮编 210002)

     参考文献

    1 柳支英,陆宝麟.医学昆虫学.北京:科学出版社,1990,97-105.

    2 喻子牛,孙明,刘子铎,等.苏云金芽孢杆菌的分类及生物活性基因.中国生物防治,1996,12(2)∶85-89.

    3 Knoweles BH. Mechanism of action of Bacillus thuringinsis insecticidal endotoxing.Adv.Insect physiol,1994,24∶275-307.

    4 Dai Jingyuan,Yu Ling.XX-VIII Annual Metting SIP.Montpellier,France, Abstract,1994,33-36.
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    5 鲁晓知,洪华株.昆虫对苏云金杆菌的抗性研究进展.生物防治通报,1993,9(1)∶36-39.

    6 黄大坊.遗传工程微生物在生物防治中的应用.生物防治通报,1993,9(1)∶32-35.

    7 陆宝麟.蚊虫防治最近进展.中国媒介生物学及控制杂志,1990,试刊号∶10-13.

    8 徐旭东,孔任秋,胡玉祥.基因工程杀蚊幼蓝藻的研究.中国媒介生物学及控制杂志,1993,4(4)∶244-247.

    9 阎歌,刘相萍,张小静,等.基因工程杀蚊幼蓝藻的现场初步观察.中国媒介生物学及控制杂志,1996,7(2)∶85-97.

    10 Salvado JC, N Bensaadi-Merchermek and C Mouches.Transposable elements in mosquitoes and other insect species.Comp.Biochem.Physiol,1994,109(B)∶531-544.
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    11 陈丽平,乔传令.昆虫中转座因子的研究进展.中国媒介生物学及控制杂志,1997,8(1)∶73-75.

    12 陈丽平,乔传令.转座因子在遗传工程中应用.中国媒介生物学及控制杂志,1997,8(2)∶149-151.

    13 Mir S Mulia.Mosquito control then,now and in the future. J.of the American Mosquito Control Association,1994,10(4)∶574-584.

    14 Tsuyoshi Hamada,Hiroyuki Sasaki,Ritsuke Seki,et al.Mechanism of chromosomal integration of transgenes in microinjected mouse eggs:sequence analysis of genome-transgene and transgene-transgene junctions at two loci. Gene,1993,130∶233-239.

    15 张忠信,张光裕.害虫基因防治新方向-转基因昆虫的研究.昆虫知识,1998,35(1)∶51-55., http://www.100md.com