昆蟲解毒酶是在農藥的長期施用下，昆蟲體內產生的一類可代謝包括農藥在內的成千上萬種化合物的酶。 它的產生加大了農藥治蟲的難度，從而加劇了農藥對環境的污染。然而，昆蟲解毒酶對農藥的代謝作用，又使其在化解農藥環境污染方面有良好的套用前景，為實現農藥的生物治理提供了新思路。
基本介紹
- 中文名：昆蟲解毒酶
- 外文名：Insect Detoxifcation Enzymes
- 來源：抗藥性昆蟲
解毒機理,混合功能氧化酶系,羧酸酯酶,谷胱甘肽轉移酶,套用,生態治蟲,治理糧食污染,治理污染水源及土壤,用於人、畜解毒,
解毒機理
人類對害蟲的化學防治，使害蟲產生適者生存現象，最終導致抗性的產生。通常殺蟲劑被分為4類：有機氯類，有機磷類，擬除蟲菊酯類和氨基甲酸類。有機氯類和擬除蟲菊酯類農藥主要通過改變軸突膜的離子通道通透性，影響膜的電位差，阻斷軸突傳導來達到除蟲目的。有機磷類和氨基甲酸類農藥則主要通過抑制昆蟲乙醯膽鹼酯酶的活性來實現除蟲作用。環二烯類殺蟲劑的作用位點是GABA受體。昆蟲則主要通過降低表皮和神經膜穿透作用（行為抗性），降低靶標部分的敏感性（靶標抗性）和增強自身對農藥的代謝能力（代謝抗性）這三種途徑實現對農藥的抗性。昆蟲的解毒酶是一類異質酶系，能夠代謝大量的內源或外源底物，昆蟲代謝抗性主要涉及的酶包括混合功能氧化酶系（mixed function oxidases，MFOs）、羧酸酯酶（carboxylesterascs，CaE）和谷胱甘肽S-轉移酶（Glutathione-S-transferases，GSTs）。 它們通過增強對農藥的轉化和降解作用來降低農藥毒性或通過阻隔作用保護自己的靶標位點。
從昆蟲抗藥性的分子水平上講，昆蟲有3類改變（突變）可產生抗性：一是基因擴增（Gene Amplification ）。 一個基因擴增的結果是在DNA 中呈現該基因的多個拷貝，若基因的產物為某種解毒酶，則後者的解毒能力會隨著基因擴增而成倍增加；二是由於基因表達的改變（Altered Expression）產生抗性；三是產生抗性的突變是基因的結構改變（Structure Change），導致其產物的結構也產生相應的改變。
混合功能氧化酶系
細胞色素P450酶系能接受並代謝各種各樣的外源化合物，表現出很大的非專一性。 這種機制使昆蟲很易對殺蟲劑產生抗性，是化學防治蟲害的一個主要障礙。P450酶系中起中心作用的是細胞色素P450，目前已有近100個昆蟲P450基因被克隆，這些基因僅屬CYP6和CYP6兩個家族。CYP6A1是第一個從昆蟲中分離到的細胞色素P450基因。CYP6A1抗體可強烈地抑制微粒體七氯環氧化作用，說明CYP6A1主要代謝環戊二烯類殺蟲劑。抗性昆蟲中，調控基因突變導致P450酶的過量產生是引起其對各類殺蟲劑高抗性的主要原因。但是，胺基酸替換也會引起昆蟲抗藥性的增強。Berge將野生的和突變的CYP6A2 的cDNA插入大腸桿菌表達載體，在大腸桿菌中表達得到了有活性的解毒酶蛋白，發現胺基酸替換後的酶對DDT代謝活性明顯提高。
羧酸酯酶
羧酸酯酶，活性中心為ser-his-clu三聯體，屬絲氨酸酶，在有機磷化合物的解毒作用中起重要作用。含羧酸鍵的農藥（如馬拉硫磷，苯醚菊酯）可被羧酸酯酶特異性降解，而其對含磷酸酯、硫酯的農藥則以阻隔作用為主，降解作用為輔。經測算每隻蚜蟲（Myzus persicae）中，E4酶可阻隔 2.5 ng對氧磷，而水解速度僅為0.83 ng·h-1， 占阻隔量的33.2%。昆蟲羧酸酯酶與有機磷農藥的結合力非常強， 如Cx auinguefasciatus Est B2與對氧磷的結合速度為1.7×107mol·L-1min-1。 許多有機磷農藥化合物在生理濃度為1-10 nmol·L-1時都可與CaE迅速反應， 所以昆蟲靶標酶能夠避免濃度極低的農藥的攻擊。因此，在抗性昆蟲中，羧酸酯酶代謝能力的增強，一般以增加羧酸酯酶的數量而非質量來實現。
谷胱甘肽轉移酶
谷胱甘肽轉移酶是一類催化還原型谷胱甘肽與各種親電化合物親核加成反應的酶。GST基因的克隆和異源表達促進了酶作用分子機制的研究。研究結果表明，GST有代謝多種農藥的能力，昆蟲殺蟲劑抗性水平與GST活性水平相關。
套用
生態治蟲
目前國內外許多學者都認為，化學防治與生物防治結合可達到良好效果又能降低農藥用量，延緩害蟲抗性產生。然而，天敵產生抗性的速度比害蟲要慢得多，迄今為止，只在31種天敵中發現了抗性，，其原因可能是經化學防治後生存下來的害蟲會有豐富的食物（即作物），而天敵卻難以發現其食物而不易生存。人為選育抗性天敵，不僅費時費力，所獲抗性水平低，又易丟失。目前，轉基因技術的發展使轉基因抗性天敵的產生成為可能。1982年Rubin和Sprading就成功地利用P-轉座子將外緣基因成功轉入果蠅胚胎細胞的染色體並得到表達。隨著分子生物學、抗性分子遺傳學的發展和對天敵遺傳背景的不斷了解， 轉基因抗性天敵的問世及其套用已為期不遠。
治理糧食污染
化學防治往往會造成糧食污染，人們迫切希望有一種解毒酶能方便而快捷地降解糧食中的殘留農藥。這種酶一般應有以下特性：（1）由單一基因編碼，僅有一個亞基因組成，不需輔酶或輔基即可在生物體外長時間保持活性；（2）由於被污染的糧食中農藥濃度一般為mg·kg-1級，這就要求解毒酶對農藥必需具有較高的親和力，能夠迅速與農藥結合併具有較高的轉化效率，能夠快速、高效地將農藥降解成無毒或低毒產物；（3）酶的穩定性好，消長半衰期長，能夠在較寬的 pH和溫度範圍內保持較高地酶性；（4）有較寬的底物專一性，對多種農藥有降解作用；（5）能以低廉的成本生產。
微生物來源的解毒酶一般有較高的降解能力，每分鐘能夠分解103-106有機磷分子，而微生物解毒酶與有機磷農藥反應達到最大反應速度一半時，底物的濃度 （KM）一般在幾到幾十nmol·L-1之間，顯然，低親和性的解毒酶不利於去除糧食蔬菜中低殘留高毒性的農藥污染。昆蟲的羧酸酯酶對農藥有較高的親和性， 且在體外依然表現出降解活性。因此，有望套用於污染糧食的治理。通過人為對酯酶基因密碼子進行改造，改善其對農藥的降解能力，可得到有商業用途的解毒酶。
治理污染水源及土壤
土壤和水源若長期被農藥污染會嚴重影響人類健康。昆蟲解毒酶在微生物或植物中的異源表達為污染環境的治理提供了一條方便可行的途徑。植物和動物的P450基因有一定同源性，將動物P450基因轉移到植物中高效表達，並利用植物的P450還原酶，可以使轉基因植物擁有解毒能力。 轉基因植物目前已用於生產實踐，產生了良好的經濟效益。 昆蟲解毒酶基因經幾十年研究已探明其作用機理，將其轉入植物可望用於農藥污染治理。轉基因植物治理污染具有易於操作， 美化環境，又不會對環境造成二次污染等優點。
轉基因微生物已可用於農藥的生物整治。將轉基因微生物或藻類固定於生物反應器中，使污水流經反應器，既淨化了污水，又不至於對環境形成潛在危害。
用於人、畜解毒
將昆蟲解毒酶套用於人畜解毒也是一種有益的探索。如羧酸酯酶可在動物體內與有機磷農藥迅速結合保護機體免受傷害，並能進一步降解農藥從而降低其毒副作用。解毒酶還能添加於禽畜飼料中，降解飼料中殘留的農藥，避免農藥在禽畜體內堆積危害人類。至於解毒酶能否套用於人類的解毒，用藥途徑如何，是否對會人類產生副作用，尚待進一步研究。
