农作物病虫害是影响农业持续和健康发展的重要制约因素。农药作为控制农林作物病虫草鼠等有害生物危害的特殊商品,在保护农业生产、提高农业综合生产能力、促进粮油安全等方面发挥重要作用。近年来,琥珀酸脱氢酶抑制剂(sdhi)类杀菌剂因结构新颖、活性高以及杀菌谱广等优势,受到各大农药公司的高度关注,她们投入大量精力和财力开发该类药剂。目前,有23个sdhi类杀菌剂品种已经上市,此类产品已成为市场销售额增长最为迅速的一类药剂,在防治各种重要植物病害中发挥重要作用。2016年,sdhi类杀菌剂的全球销售额为16.91 亿美元,占全球杀菌剂市场销售额的11.1%。但是,随着sdhi类杀菌剂的大量使用,多种病原真菌已经对该类药剂产生了抗性,且抗性频率不断发展,这在一定程度上影响了该类药剂的防治效果。本文首先介绍sdhi类药剂的作用机制,在此基础上,重点综述病菌对该类药剂抗性发生和发展情况,阐述抗性机制,进而讨论抗性治理策略。
1 sdhi类杀菌剂的作用机制
生物通过呼吸链进行呼吸产生生物能。通常情况下,真菌体内一个分子葡萄糖完全氧化为co2和h2o时,在细胞内可产生36个atp分子,其中32个是在呼吸链中通过氧化磷酸化形成的。因此,呼吸链是研发杀菌剂的重要靶标,抑制或干扰呼吸链的杀菌剂常常有很高的杀菌活性。
在真菌线粒体呼吸链上有6个关键酶复合物(ⅰ到ⅵ)参与电子传递,并通过电子传递产生atp。在复合物ⅰ中,电子从还原态烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nadh)传递到辅酶q,该过程由nadh-q还原酶催化。在复合物ⅱ中,琥珀酸脱氢酶(sdh)催化琥珀酸形成延胡索酸以及从泛醌辅酶q还原到还原型辅酶q的偶联反应。然后,在辅酶q细胞色素c氧化还原酶的催化下,辅酶q或还原型辅酶q将电子传递到细胞色素bc1酶复合物(复合物ⅲ)。最后,细胞色素c将电子经过细胞色素a和a3 化酶(复合物ⅳ)传递到最终的受体o2。在特殊环境下,在真菌体内的电子能够绕过正常的呼吸路径,从辅酶q传递到o2,这一途径对氰化物不敏感,由旁路氧化酶(the alternative oxidase,也称复合物ⅴ)催化,这种呼吸作用也称为旁路呼吸(alternative respiration)。在呼吸电子传递过程中,所释放的质子在几个不同的位点由atp合成酶(复合物ⅵ)催化,经氧化磷酸化产生atp。
琥珀酸脱氢酶由黄素蛋白(sdha)、铁硫蛋白(sdhb)和另外2种嵌膜蛋白(sdhc和 sdhd)4个亚单位组成。sdha和sdhb组成该复合体的可溶性部分,具有琥珀酸脱氢酶活性;嵌膜蛋白sdhc和sdhd将sdha和sdhb固定在内膜上,且具有泛醌还原酶活性。sdhi类杀菌剂作用于琥珀酸脱氢酶,通过完全或者部分占据底物泛醌的位点,抑制了电子从琥珀酸到泛醌的传递,干扰呼吸链上复合体ⅱ电子传递,阻止其产生能量,进而抑制病原菌生长,最终导致病菌死亡。药剂与药靶精细互作试验表明,sdhi的酸性部分插入琥珀酸脱氢酶的泛醌结合位点(q位点),与sdhc的r46和s42以及sdhb的i218和p169位氨基酸通过范德华(vdw)力相互作用;而药剂的氨基延伸到q位的开口部,与sdhc的w35、i43以及i30氨基酸通过vdw相互作用;药剂的羰基氧原子与sdhb的w173和sdhd的y91氨基酸互作;精细的药剂-药靶互作试验有助于设计更加高效的sdhis新药剂。
2 病菌对sdhis抗性发生情况
尽管sdhis对多种病原菌有很高的抑菌活性,但由于药剂作用于琥珀酸脱氢酶这个单一的位点,而且该靶标蛋白存在较高的变异性,因此,国际杀菌剂抗性行动委员会[fungicides resistance action committee,frac(https://www.frac.info/)] 将sdhi类杀菌剂归为中等至高抗性风险药剂。从1970年报道了第1个对sdhi类药剂抗性的真菌突变体以来,随着sdhi类药剂的广泛应用,目前已经有20多种病菌对该类药剂产生抗性,其中16种病菌在田间已经对它们产生抗性(表1)。抗药水平及抗性频率因不同病菌-药剂组合而异。例如,sdhi类的啶酰菌胺2005年在我国登记防治多种作物的灰霉病。2012—2013年测定发现,湖北不同地区草莓的灰霉病菌对啶酰菌胺抗性频率在0~4.76%。zheng等人报道从山东葡萄上分离的灰霉病菌对啶酰菌胺产生了严重抗性,抗性菌株比例达100%。因此,在今后一段时间,随着sdhi类药剂的广泛使用,我国灰霉病菌对该类药剂的抗性问题还会加重。
表1 目前已报道的对sdhi类杀菌剂产生抗性的病原真菌
3 病原真菌对sdhis的抗性机制
研究发现,病原菌对sdhis的抗性主要由琥珀酸脱氢酶复合体亚基上氨基酸突变所致。琥珀酸脱氢酶复合体亚基上的氨基酸突变,改变了药物与复合体的相互作用,降低药剂与药靶的亲和力,进而引起病菌的抗药性。目前,田间菌株对sdhis的抗性主要由sdhb亚基突变所致。例如,灰霉病菌sdhb亚基上第225、230或272氨基酸位点分别发生p225l/f/t(第225位的脯氨酸突变成亮氨酸、苯丙氨酸或苏氨酸)、n230i(第230位的天冬酰胺突变成异亮氨酸)或h272l/r/y(第272位的组氨酸突变成亮氨酸、精氨酸或酪氨酸)突变,导致灰霉病菌对啶酰菌胺产生不同水平的抗性。例如,h272l点突变的灰霉病菌对啶酰菌胺表现高水平抗性,但对其他sdhi类药剂表现低到中等抗性;n230i点突变的灰霉病菌对啶酰菌胺、氟吡菌酰胺和氟唑菌酰胺表现中等抗性,对吡唑萘菌胺、联苯吡菌胺和萎锈灵等仅表现低水平抗性。有趣的是,同一位点突变成不同的氨基酸,可以引起不同的抗性水平和抗性谱。例如,sdhb亚基上h272l的突变,使得灰霉病菌对所有sdhi类药剂均产生抗药性;但h272y的突变使得灰霉病菌对啶酰菌胺产生抗性,但对氟吡菌酰胺反而更加敏感。目前,sdhb亚基突变引起多种病菌,包括alternaria alternata、alternaria solani、corynespora cassiicola、didymella bryoniae、podosphaera xanthii、sclerotinia sclerotiorum 以及stemphylium vesicarium等对sdhis产生抗药性。
除了sdhb亚基发生突变之外,sdhc和sdhd亚基上突变同样引起sdhis抗性问题。苹果黑星病菌(venturia inaequalis)sdhc亚基第151位发生h151r突变,导致病菌产生抗药性。番茄早疫病菌(alternaria solani)sdhd亚基的第133位发生h133r突变,引起病菌对sdhis的抗性。目前,尚未有sdha亚基发生突变引起抗药性的报道。
最新研究还发现,小麦叶枯病菌群体中存在一类对sdhis天然抗性的菌株,这些菌株在sdhi类药剂使用之前已经在自然界存在。对这类菌株的抗性机制研究发现,这类菌株中除了sdhc基因之外,还有一个sdhc的同源基因(命名为ztdhc3),该基因同样能够编码琥珀酸脱氢酶c亚基(命名为alt-sdhc)。反向遗传学试验表明,alt-sdhc与正常的sdhc亚基一样,能够与其他3个琥珀酸脱氢酶亚基结合,形成功能完整的琥珀酸脱氢酶酶,并且alt-sdhc蛋白中独特的qp位点残基使得这类菌株对sdhis产生抗性。这些结果表明,自然界中病原真菌对sdhi类药剂存在多种抗药机制。
4 sdhis抗性治理策略
由于sdhi类杀菌剂属于中高抗性风险药剂,在使用一段时候后,病菌比较容易对这类药剂产生抗性。因此,在使用药剂过程中,必须要进行抗性治理。抗性治理的基本策略包括:
(1)实施病害综合治理,降低病害压力。
(2)同一个生长季节,要严格限制sdhi类药剂的使用次数,且药剂应该在发病初期使用,减轻药剂对病菌群体的选择压力。以葡萄灰霉病为例,frac建议一个生长季节,一般情况下sdhi类药剂的使用不超过3次;在一个生长季节使用12次以上药剂的地区,sdhi类药剂最多只能使用4次;而且sdhi类药剂需要和其他作用机制的药剂轮换使用,避免连续使用。
(3)由于sdhi类药剂之间存在交互抗性,因此,药剂混用时,必须将不同作用机制的药剂进行混用,不能将sdhi类药剂进行混用。
(4)要加强病菌抗药性监测,及时了解抗性发生情况,并针对性地制定实施病害防控方案。
(5)强化药剂抗性机制及构效关系研究,针对抗性突变位点,设计和研发反抗性或难以产生抗药性的新药剂,从而克服抗性问题。
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