低剂量杀虫剂对昆虫的兴奋性效应

黄柯程，曾鑫年，黎卓莹

华南农业大学农药与化学生物学教育部重点实验室，广州510642

低剂量杀虫剂对昆虫的兴奋性效应

黄柯程，曾鑫年*，黎卓莹

华南农业大学农药与化学生物学教育部重点实验室，广州510642

传统的杀虫剂毒理学应用线性非阈值模型评价杀虫剂的毒力及风险，但是没有考虑到低剂量杀虫剂所产生的毒物兴奋效应（Hormesis）.杀虫剂对昆虫的低剂量兴奋效应主要表现在对昆虫的发育历期、体重和生殖力以及毒力等方面所产生的影响.在概述毒物低剂量兴奋效应理论及研究方法的基础上，重点介绍了杀虫剂对昆虫的低剂量兴奋性效应研究进展及其与杀虫剂亚致死剂量效应的区别，最后讨论了杀虫剂的兴奋效应对农业害虫防治所带来的影响.关键词：杀虫剂；昆虫；毒物兴奋效应；亚致死效应

Schulz于1887年报道了大量的毒性物质低浓度能提高真菌的新陈代谢，而高浓度则抑制真菌的新陈代谢（Schulz,1887）；1943年，Southam和Ehrilich发现高剂量橡树皮萃取物能抑制菌类生长，低剂量却刺激其生长，并将这种现象正式命名为Hormesis（Southam and Ehrilich,1943）.毒物兴奋效应（Hormesis）即低剂量接触呈刺激或促进作用而高剂量接触呈抑制作用的一种双相剂量-效应关系（Biphasic dose-response relationship），具体为U型或倒U型曲线（Calabrese and Baldwin,2001）.近年来，污染物的低剂量兴奋效应已成为毒理学研究的一个热点，然而对农药方面的研究还不多，尤其是低剂量杀虫剂对昆虫的低剂量兴奋效应尚未引起足够重视.

传统上，大家关注高剂量杀虫剂对昆虫的不良效应，如：致死、抑制生长发育、干扰昆虫的交配和取食等行为，很少注意低于无不良效应水平（NOAEL,No observed adverse effect level）的杀虫剂剂量对昆虫的影响.忽略甚至不考虑低剂量杀虫剂对昆虫的影响，将导致人们不能对杀虫剂的毒理学效应做出全面、客观的评价.

1 毒物兴奋效应理论及研究方法

剂量-反应关系是毒理学研究的基础，剂量-反应关系及剂量-反应模型在毒理学研究中占有非常重要的地位（Calabrese,2006）.

阈值模型和线性非阈值模型是有毒物质风险评价的两种传统模型.前者评价非致癌物，后者主要外推低剂量致癌物的风险（图1a、b）.Calabrese对这两个风险评价模型提出了异议，认为评价风险的剂量-反应曲线不是这两种传统模型，而是毒物兴奋效应模型（图1c）（Calabrese and Baldwin,2003）.从图1c中可知：有毒物质在低剂量时的效应与高剂量时的效应完全相反，即具有低剂量刺激而高剂量抑制的特性.

毒物兴奋效应可用U-型曲线（又称J型曲线）或倒U型曲线来表示，这取决于所采用的评价指标.若采用的是肿瘤或癌症等不利指标应使用前者；如果是寿命、生殖或发育等有利指标，则使用后者.

对毒物兴奋效应进行深入研究，现今最重要的是找到具体的毒理学证据来证明这个理论的可评价性，这需要特定的终点指标以及合适的剂量区间来进行研究.因此，合适的剂量区间及终点指标成为这项研究的重点.

Calabrese和Baldwin（2001）为证明这个理论的可评价性，设计了两种不同的数据库.一种是评价毒物兴奋效应是否存在（Hormesis-Frequency Database）；另一种是毒物兴奋效应的分级与分类（Hormesis Database）.Calabrese和Baldwin认为实验设计只要满足3个条件，毒物兴奋效应出现几率就会很大：1）一个定义好的NOAEL；2）大于或等于2组低于NOAEL的剂量；3）评价终点指标具有刺激或抑制效应.在约75种不同类化学物质中发现大约有900多种不同药剂具有兴奋效应，这表明毒物兴奋效应现象存在于大部分的药剂（包含杀虫剂）中；另外，存在这种现象的生物模型也非常广泛，包括动物（昆虫）、植物、细菌和真菌等（Calabrese and Blain,2005）.因此，毒物兴奋效应是可以发生在不同的药剂、生物模型和终点指标上.

研究发现生物在接触低剂量毒物后的某个合适的时间点才能观察到兴奋效应，这可能是因为兴奋效应与适应性反应有关（Calabrese and Blain,2005）.对同一终点指标的923个剂量反应关系进行研究，用3～5个时间点去测量时，发现具有兴奋效应的剂量反应关系达49%，而用2个或5个以上时间点来测量，却分别只有30%和22%（Calabrese and Blain,2005）.这表明除了剂量和终点指标外，合适的观察时间也是观察到兴奋效应的重要因素.

毒物兴奋效应也存在一些数量特征（Calabrese and Blain,2005）：兴奋效应的最大值一般为对照的130%～160%，但低于对照的2倍；兴奋区间为一般为低于NOAEL水平的10～20倍，但最大也可以达到大于1000倍.兴奋区间的巨大差异可能是由于种群研究的不均匀性造成的，研究种群相似度越高，则刺激效应的范围越窄.

2 杀虫剂对昆虫的低剂量兴奋性效应

当前，杀虫剂对昆虫的毒理效应主要是针对杀虫剂对害虫的控制特性，研究其致死、生长发育抑制、行为干扰（如取食与产卵驱避）等不利于昆虫生存和繁殖的效应.由于杀虫剂在田间使用的不均匀性及存在于田间的残留农药，昆虫具有大量接触无有害效应剂量（低剂量）的可能性.根据毒物兴奋效应理论，在农业生产上大量使用的农药（杀虫剂、杀菌剂和杀螨剂等）对病虫害有可能存在兴奋性效应，这种兴奋效应的评价应使用倒U型剂量-曲线模型.从相关毒物兴奋效应数据库中收集到与农药或有机磷类农药有关的剂量-反应共285个，仅占被收集的剂量-反应总数的7%（Calabrese and Blain,2005）.可见杀虫剂对昆虫的低剂量兴奋效应研究尚不完善.

杀虫剂对昆虫的低剂量兴奋效应的评价指标一般是采用终点类型来进行评价，如生长、新陈代谢、繁殖、存活率、寿命、发育和行为等，其中新陈代谢包括激素水平、活性氧（ROS）产物、三磷酸腺苷（ATP）反应、耗氧量、尿量等；繁殖包括孵化率、卵量·雌虫数-1、新虫数量等；行为指标包括害虫的行动距离和害虫啃咬次数等；也可以采用终点参数来评价，如昆虫的体重等.虽然杀虫剂对昆虫的低剂量兴奋效应与剂量有很大的关系，但并不意味着剂量越低出现这种效应的几率就大.对柑桔蓟马（Scirtothrips citri（Moulton））的研究表明：施药剂量过低反而不能观察到产卵量的增加，如果剂量是中间值（可造成0.01%～1%的雌成虫死亡的剂量）却能导致雌蓟马产卵力的增加（Morse and Zareh,1991）.因此，不同的昆虫以及不同的杀虫剂应找到合适的终点评价指标及合理的剂量区间来进行评价.

理论上，害虫和天敌昆虫都应具有低剂量兴奋效应，但是由于天敌昆虫对农药更敏感、更易被杀死，而天敌种群的增加又建立在食物或寄主充足的情况下，所以Morse认为害虫具有毒物低剂量兴奋效应，但天敌没有（Morse,1998）.对此也有不同观点，如Zanuncio等（2003）发现苄氯菊酯对天敌昆虫Supputius cincticeps（Stal,1860）具有低剂量兴奋效应，表现为可提高其存活率和雌虫体重，并可缩短雌虫的3龄龄期以及预产期.

分析已取得的成果可知，杀虫剂对昆虫的低剂量兴奋效应的研究主要集中在对昆虫生殖和行为的影响上.Morse和Zareh（1991）利用含残留农药的柑桔叶片喂食桔梗蓟马，发现桔梗蓟马接触施用三氯杀螨醇后21天的叶片及施用马拉硫磷后32、41和64天的叶片，其成虫产卵能力相比于接触未处理叶片的有显著提高；Jarrad（2008）报道高效氯氟菊酯和七氟菊酯对捕食性天敌Scarites quadriceps的活动影响，发现接触低剂量药剂后其在活动距离、最大运动速度及运动时间上均有明显增加.除昆虫生理生殖外，部分生化指标也常被用于杀虫剂低剂量兴奋效应研究.如用低剂量甲胺磷处理黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）幼虫后，可引起成虫耐药力上升及其寿命延长，激活其乙酰胆碱酯酶（AChE）活性；处理成虫也可激活其AChE活性（黎卓莹，2007）.

以上所述，均采用个体评价指标，如发育历期、生殖力等.但Stark等指出这样的评价方法并不完整，认为应将评价建立在种群水平上，并采用生命表作为研究手段（Stark and Wennergren,1995;Stark and Banks,2003）；Maia等持有类似的观点，同时建议采用Jackkinfe法对有关生命表参数进行统计分析（Maia et al.,2000）.

另外，杀虫剂的兴奋效应与害虫的再猖獗以及次要害虫大爆发也存在一定的关系.Morse（1998）认为除施用农药导致害虫天敌大量死亡这个因素外，杀虫剂对害虫的兴奋效应也是引起其频繁发生的重要原因；兴奋效应还造成现今杀虫剂被更多使用，进而导致杀虫剂使用量呈螺旋式上升.

3 杀虫剂低剂量兴奋效应与亚致死剂量刺激效应的区别

亚致死剂量即昆虫个体受到一定的毒害但未致死，并有一定行为能力时所接触的剂量（Haynes,1988）.如果使用剂量是低于无不良效应的剂量（NOAEL），则此剂量为低剂量.亚致死剂量与低剂量的定义不同，所引起的效应也有差别.

杀虫剂的亚致死剂量能引起昆虫的不良效应（蛹期变长或存活率降低等），也可引起杀虫剂对昆虫的刺激效应，如用溴氰菊酯和氰戊菊酯处理若螨会延长当代雌成螨的寿命，处理卵会提高卵的孵化速率，处理雌成螨会增加产卵量等（陈道茂和陈卫民，1992）.因此，Cohen（2006）将亚致死剂量所引起的刺激效应归到毒物低剂量兴奋效应中.但亚致死剂量所引起的刺激作用并不是真正的兴奋效应，因为亚致死剂量的刺激效应仅仅对昆虫的某些指标具有刺激作用（生殖力增强等），对其它指标却是抑制，如Fujiwara等（2002）将4龄小菜蛾接触亚致死剂量氰戊菊酯后，发现小菜蛾在接触剂量为LD25时其产卵量与未处理相比增加显著，但处理虫所产卵粒大小要显著小于未处理的，在不同湿度下的孵化率和幼虫存活率均显著低于未处理.而低剂量兴奋效应则对昆虫的某些指标具有刺激效应的同时，对昆虫其它指标虽不是刺激但并不抑制.因此，进行研究时应注意区别两者.

4 杀虫剂低剂量兴奋效应的作用机制

现今低剂量兴奋效应的作用机制尚不是很清楚，目前占主导地位的是Calabrese的过度补偿理论（Modest overcompensation）和Stebbing提出的矫正过度（Overcorrection）控制理论.前者认为当生物体受到刺激，最初的抑制反应后会出现一个补偿过程，并逐渐超过控制行为，从而导致了一个净刺激效应（Calabrese,1999）；后者认为毒物兴奋效应是生长控制机制的副产物，是生物体对低水平抑制的矫正过度（Stebbing,1987）.Calabrese和Baldwin（2002）认为兴奋效应机制并不是一个，不同的药剂、生物模型和终点指标都会存在不同的作用机制，但这些机制具有共同点，即通过维持体内平衡来达到兴奋效应.也有学者通过研究分子水平上的机制来探讨低剂量兴奋效应机制，如DNA损失修复作用、自由基清除作用、免疫功能增强以及基因表达与调控作用等（Arinaga et al.,1992;Canman and Kastan,1996;Yamaok et al.,1991;Zglinicki and Von Zglinicki,1992）.

已经报道的30个药理受体系统中，已证明兴奋效应的作用机制是基于受体水平（Calabrese and Baldwin,2003）.杀虫剂对昆虫的低剂量兴奋效应的具体作用机制尚不清楚，但有理由相信它也是基于受体水平上.随着研究的深入，将会有更深入的机制在分子、细胞、组织乃至整个生物体中被发现.

5 杀虫剂低剂量兴奋性效应对害虫防治的影响

杀虫剂的低剂量兴奋效应对害虫防治将带来诸多挑战，如评价新农药应注意其对害虫是否具有兴奋效应，施用农药则要考虑由于兴奋效应而导致下代害虫再猖獗或次要害虫大爆发所带来的经济损失.在农业生产上，应开发那些残留期短、药效快的新型农药以避免杀虫剂对害虫产生兴奋效应.另一方面，我们也可考虑利用兴奋效应来控制害虫，如饲养天敌昆虫时，可以考虑在饲料中加入适量的农药以促进其生长发育、增加繁殖力或扩大其活动范围；也可考虑利用某种杀虫剂对天敌的刺激作用，再结合这种杀虫剂所具有的毒杀作用来控制田间害虫（Zanuncio et al.,2003）.

杀虫剂对害虫的低剂量兴奋效应已经被实验和实践所证实，但目前仍有诸多问题亟待解决，如，到底有哪些杀虫剂或害虫具有这种现象，以及使用剂量多大才会出现？兴奋效应是否具有遗传性？这种效应对未来的害虫防治将带来什么样的影响？又带来什么样的挑战？应怎样利用兴奋效应更好服务人类？这些都需要我们深入思考和研究.

6 结语

毒物低剂量兴奋效应理论正逐步被人们接受，但由于兴奋效应难以观察、作用机制不明确、试验经费高昂以及试验重复性等原因，离广泛接受还有很长一段距离.毒物低剂量兴奋效应除在生物学、医学类和辐射学研究非常广泛外，在环境危险评价中也具有非常重要的作用.现阶段的研究热点集中在辐射、重金属、环境污染物或医药品对人体、牲畜的影响，但低剂量杀虫剂对昆虫的影响研究却甚少.

随着杀虫剂使用种类的增多、使用剂量的加大，害虫抗药性、害虫再猖獗以及次要害虫上升为主要害虫等问题一直困扰着我们.而这些可能与杀虫剂对害虫的兴奋效应有很大的关系，非常值得我们深入研究.这些研究成果将给我们研究害虫爆发和害虫抗药性等方面带来新的思维、新的解决途径甚至于是新的害虫控制方法.

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Insecticides-Induced Hormesis on Insects

HUANG Ke-cheng，ZENG Xin-nian*，LI Zhuo-ying

Key Laboratory of Pesticide and Chemical Biology of the Ministry of Education,South China Agricultural University,Guangzhou 510642

The linear non-threshold model is used to evaluate the toxicity and risk assessment of insecticides in traditional toxicology,however,it is not considered that the low dose of insecticides can induce the hormesis on insects.Such hormesis can give positive effects on insect’s developmental period,weight,reproduction and toxicity to the insecticides.The theories and the study methods of the hormesis have been reviewed in this article,with emphasis on the research progress of the insecticides-induced hormesis on insects and the differences between the hormesis and sublethal effect.Finally,the influences of insecticide-induced hormesis on the pest control are discussed.

insecticides；insects；hormesis；sublethal effects

30 November 2008accepted5 January 2009

1673-5897（2010）1-026-06

Q965.9

A

2008-11-30录用日期：2009-01-05

广东省自然科学基金项目（No.32253）

黄柯程（1982—），男，博士研究生；*通讯作者（Corresponding author），E-mail:zengxn@scau.edu.cn

曾鑫年，男，教授.1993年毕业于华南农业大学，获博士学位，1988～1989年农业部派美国佛罗里达大学柑桔研究教育中心访问学者；1998～1999年教育部派西班牙科学院巴塞罗那化学环境研究所高级访问学者；2001～2002年赴西班牙科学院巴塞罗那化学环境研究所合作科研.现为华南农业大学教授，广东省昆虫学会理事、副秘书长.主要从事农药学和昆虫毒理学的研究工作，近年共主持承担科研课题28项，其中国际合作课题3项，国家自然科学基金3项.至今在国内外共发表学术论文80多篇，参编专著3本，申报国家发明专利4项.