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害虫抗药性进化的遗传起源与分子机制(2)

2013-09-08 01:05 变异基因以功能基因形式寄存在害虫个体内随机存在，因变异基因大部分伴随着适合度的下降，其存在几率极低，也就是抗性等位基因初始频率很低。
　　因此，剂对抗性基因的选择作用也可以分成2种，一是在基因组中对抗性基因的选择作用，即有利于在药剂选择压力下生存的变异的无功能等位基因渐渐取代基因组中原始基因拷贝的主导地位的过程。另一种是对抗性基因型的选择作用，即对抗性基因的寄主——表现为抗性的害虫个体的筛选。由于害虫种群中随机存在着抗性个体，而且沉默基因取代原始基因的过程很慢，故一般情况下药剂直接对抗性基因型进行筛选。但是若从田间采集昆虫在室内进行抗性筛选时采集的试虫基数很小，很可能该昆虫群体中没有抗性变异的害虫个体来配合药剂的筛选，这种情况下对抗性基因的选择作用就有可能出现，但抗性上升速度很慢。
　　
　　2、害虫抗药性进化的分子机制
　　
　　由于基因重复后导致的功能过剩，重复基因由于不受功能上的限制，很可能会出现丰富多样的变异类型，所以说抗性基因变异机制很丰富。但在多样化的基因变异中，又有一定的规律性，如靶标位点的点突变导致抗性的机制是靶标抗性机制的主要形式，基因扩增或基因过表达导致的代谢酶上调是代谢抗性的重要机制。这种规律性是由在自然选择下对基因变异的随机选择作用和在药剂选择压下对更适应此的变异的定向选择作用共同导致的。这也说明抗性基因的变异机制的存在受到其本身所伴随的适合度代价(fitness cost)和对药剂选择压的适应能力的影响。
　　从现有的害虫抗药性事例来归纳，抗性基因变异主要有以下3种机制。
　　
　　2.1　结构基因的变化(gene structure change) （转载自http://zw.nseac.coM科教作文网）
　　现有的害虫抗药性研究表明基因结构的变化机制主要是点突变(其中绝大部分是属于单个点突变)。
　　2.1.1　点突变点突变有2种机制，一种是无义突变(nonsense mutation)，即某个核苷酸的突变导致了终止密码子(如ATT)的出现，使转录提前终止。例如昆虫对生物农药Bacillussphaericus(球形芽孢杆菌)的抗性机制就是无义突变。其抗性机制为编码毒素结合蛋白Cpm1蛋白的Cpm1基因发生点突变，导致的提早终止，使Cpm1的疏水末端被切除，阻止了Cpm1蛋白与胞质膜的结合，使毒素的杀虫作用消失，但对毒素与Cpm1蛋白的结合没有影响。另外一个事例是Xu等报道由于一个提早终止密码子的出现导致一个钙粘素基因Ha-BtR的分裂与棉铃虫Helicorverpa armigera对Bt抗性紧密联系。
　　另一种突变机制是错义突变(missense mutation)，即基因的编码区中的一个核苷酸被另一个不同的核苷酸取代，导致产生不同的氨基酸，使基因产物的三维结构发生变化而产生抗性。由于三维结构的改变而导致与其作用部位结合能力的降低或增加(靶标抗性机制)，或降低基因产物对杀虫剂的代谢能力(代谢抗性机制)。这种结构的改变并不改变产物的量，而是改变产物的质。大多数杀虫剂都是以一个关键蛋白作为靶标，现研究表明Ace.Nla.Rdl.para.met基因的点突变就可相应地导致杀虫剂靶标受体——昆虫体内的乙酰胆碱酯酶(AChE)、乙酰胆碱烟碱受体(nAChR)、γ－氨基丁酸(GABA)受体、钠通道、保幼激素(JH)受体的结构的变化，从而导致昆虫个体对相应的杀虫剂的靶标抗性产生。另外，也有研究表明代谢酶如酯酶的基因结构的改变，可导致基因产物代谢酶的质的变化，从而导致昆虫个体对相应的杀虫剂的代谢抗性产生或变化。
　　靶标位点的点突变所造成的变异程度相对于其他变异机制而言是较弱的，这样的基因相对保守性既保证了虫体内在机能的正常运作足以使其存活下来，又使杀虫剂结合能力下降，从而表现出对杀虫剂的抗性。因此在以靶标机制作用的杀虫剂的选择压下，靶标位点的点突变更具有生存的优势。
　　2.1.2　基因重组 一个品种中可能同时存在几个突变的组合，这样可导致更高水平的抗性产生。如Mutero等将在黑腹果蝇Drosophilamelanogaster的不同抗性品系的Ace基因中发现的不同点突变的组织进行表达后发现，高水平的抗性可能是由不同点突变的组合所引起，这些点突变单独存在时只表达很低的抗性；Kozaki等也证明了Ace内的多点突变和基因内重组能使害虫的抗性明显增加。
　　基因重组增加了异常等位基因的数量和频率，因此对抗性基因进化有重要的影响。Mmem等认为自然种群中存在的抗性等位基因之间的重组是害虫迅速适应新的选择压的一个机制。几个点突变的重组可产生较高的抗性水平，但同时也造成了较大的适适合度代价。当有杀虫剂选择压时，单个突变可以通过重组形成产生较高的抗性杂合子的种群而生存下来，当无选择压时，有多个点突变的个体可以和敏感个体杂交而保存抗性突变，具有这种杂合子的种群也具有一定水平的抗性，最初表现出一定的杂种优势。但随着杀虫剂选择压消退，这种杂种优势也渐渐退化。
　　2.1.3　移码突变——基因缺失与插入染色体的缺失具有很大的致死性，这对生物个体的生存非常不利。目前在抗药性基因的研究中也发现抗性基因或基因片段的缺失机制。如Morin等报道抗Bt棉红铃虫Pec