Tài liệu Tính kháng thuốc của côn trùng doc

Về phương diện sinh học, tính kháng thuốc trừ sâu là một hiện tượng tiến hóa sinh học ở mức độ quần thể có liên quan mật thiết tới các gen trong cơ thể có tính chống hoạt tính thuốc, khi

Mở Đầu I.Tổng Quan:

Hiện tượng côn trùng kháng thuốc được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1887 (theo

Babos Patts; 1951) Kể từ đó cho tới nay số loài sâu hại kháng thuốc càng tăng.Vì thế,việc pḥòng trừ chúng bằng phương pháp sử dụng thuốc hóa học là hết sức khó khăn

Ngày nay với việc tăng dân số thì cách duy nhất để đáp ứng vấn đề lương thực chỉ có 1 cách duy nhất là thâm canh tăng vụ

Khi thâm canh tăng vụ hậu quả tất yếu là quá trình mất cân bằng sinh thái xảy ra, sự gia tăng mức độ tàn phá của sâu, bệnh hại kéo theo việc gia tăng chí phí đầu tư cho các biện pháp phòng trừ

Về phương diện sinh học, tính kháng thuốc trừ sâu là một hiện tượng tiến hóa sinh học ở mức độ quần thể có liên quan mật thiết tới các gen trong cơ thể có tính chống hoạt tính thuốc, khi sinh vật tiếp xúc liên tục và lâu dài với thuốc BVTV sẽ xảy ra quá trình chọn lọc Các cá thể mang gen kháng thuốc sẽ có khả năng tồn tại và gia tăng sức đề kháng qua các thế hệ dưới áp lực chọn lọc của thuốc trừ sâu Trước khi tiếp xúc trực tiếp thuốc trừ sâu tần số alen kháng thuốc thường là thấp, sau nhiều thế hệ tiếp xúc với thuốc làm cho tần số alen kháng thuốc tăng lên rõ rệt Tính kháng thuốc của dịch hại lúc đầu tăng chậm, sau đó nhanh dần lên theo nhịp độ sử dụng thuốc và cuối cùng tạo ra quần thể kháng mạnh

Sử dụng thuốc hóa học là phương pháp cơ bản và có hiệu lực cao trong việc phòng trừ dịch hại nói chung sâu hại nói riêng, Tuy nhiên, tình trạng lạm dụng quá mức các loại thuốc hóa học ngày càng tăng cũng và cũng như sự xuất hiện tràng lan của các loại thuốc giả, kém chất lượng đă làm tăng tính kháng thuốc ở côn trùng sâu hại gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng như: làm giảm năng suất và chất lượng của nông sản ảnh hưởng đến an toàn vệ sinh thực phẩm, tác động xấu đến sức khỏe cộng đồng, ô nhiễm môi trường, mất cân bằng sinh thái

II.Lịch Sử Hình Thành Tính Kháng Thuốc:

Sự kháng thuốc DDT của các loài ruồi nhà đã được ghi nhận lần đầu tiên tại Thụy Điển năm

1946 và gần như lan ra khắp thế giới vào năm 1950, sau đó thì các loài ruồi này lại tiếp tục kháng các nhóm gamma-BHC, aldrin, dieldrin và cả nhóm thuốc trừ sâu gốc Lân Hữu cơ Bên cạnh nhóm ruồi nhà, nhiều loài côn trùng và động vật nhỏ gây hại khác cũng đã được ghi nhận là

đã kháng nhiều loại thuốc vào năm 1947, chỉ một năm sau việc sử dụng thuốc Parathion để trị nhện đỏ đã dẫn đến nhiều loài thuộc nhóm này đã trở nên kháng Parathion tại Hoa Kỳ Khi cường độ sử dụng thuốc hóa học ngày càng tăng thì số lượng côn trùng kháng thuốc cũng gia tăng rõ rệt, từ 224 loài năm 1970, đến 364 loài năm 1975, số lượng côn trùng kháng thuốc đã gia tăng đến 428 loài vào năm 1980, với 260 loài gây hại trong nông nghiệp và 168 loài ký sinh trên người và động vật, những con số này chắc chắn là còn rất thấp so với con số thực vì tính kháng của nhiều loài côn trùng chưa được nghiên cứu đầy đủ hoặc chưa được phổ biến trên sách báo, tài liệu, thông tin khoa học Các kết quả nghiên cứu cũng đã cho thấy, tính kháng thuốc của côn trùng xảy ra với hầu hết các loại thuốc trừ sâu và có nhiều trường hợp côn trùng kháng cả với các chất như chất tiệt trùng hóa học, kháng sinh, độc tố vi khuẩn và nhiều loài có thể kháng với nhiều loài thuốc khác nhau, chẳng hạn như ở Đan Mạch, các loài ruồi nhà đã kháng được 11 loài thuốc khác nhau, và sâu tơ (Plutella xylostella L.) đã được ghi nhận kháng trên 46 loài thuốc trừ sâu, tại 14 nước, bao gồm các loài thuốc thuộc gốc Clo Hữu cơ, Lân Hữu cơ, Carbamate và Pyrethroid (Virapoug Noppun, T Miyata và Saito, 1986)

Thống kê số loài trong Ngành Chân Khớp kháng thuốc (Goerghiou, 1981)

III.Khái Niệm Về Tính Kháng Thuốc Của Sâu Hại:

Tính kháng Thuốc là một sự thay đổi tính mẫn cảm đối với các hoạt chất của thuốc có khả năng di tuyền của một Quần Thể sâu hại, được thể hiện trong sự vô hiệu của chất đó với côn trùng, mà đúng ra sẽ đạt được mức pḥòng trừ mong đợi khi sử dụng theo khuyến cáo trên nhãn cho loài sâu hại đó (theo IRAC)

Hoặc tính kháng thuốc là sự giảm sút tính mẫn cảm của Quần Thể sinh vật đối với một loại thuốc trừ dịch hại sau một thời gian dài Quần Thể này liên tục tiếp xúc với thuốc đó, khiến cho những loài này có khả năng chịu được lượng thuốc lớn đủ để tiêu diệt được hầu hết các cá thể cùng loài chưa chống thuốc Khả năng này được di truyền qua đời sau, dù cá thể đời sau có hay không tiếp xúc với thuốc (WHO, 1976)

Để đánh giá mức độ kháng thuốc của sâu hại người ta dựa vào chỉ số chống thuốc (Ri*):

III.1.Hiện Tượng Kháng Chéo Và Đa Kháng:

- Kháng chéo(cross-resistance):

Trong tính kháng, người ta ghi nhận đã hiện tượng kháng chéo của dịch hại đối với các loại thuốc, điều đó có nghĩa là một giống dịch hại khi đã quen với một loại thuốc thì nó cũng có khả năng kháng với một số loài thuốc trừ dịch hại khác thuộc cùng một gốc hóa học (Fritzsch, 1967) Hiện tượng này xảy ra với loại hợp chất sử dụng thường xuyên với quần thể sâu hại và cả những hợp chất chưa từng tiếp xúc với quần thể sâu hại nhưng có cùng gốc hóa học

- Kháng chéo âm (negative cross-resistance):

Là hiện tượng khi dịch hại đã trở nên kháng với một loại thuốc nào đó thì nó có thể trở nên mẫn cảm với một số loài hợp chất khác (Fritzsch, 1967)

- Tính đa kháng (multiple resistance):

đó là đặc tính mà côn trùng có thể kháng với nhiều loại thuốc có cơ chế tác động khác nhau trên côn trùng Tính đa kháng hiện nay rất phổ biến trên côn trùng và hiện diện ở ít nhất 44 họ thuộc 10 bộ (Goerghion and Taylor, 1977; Goerghion, 1981)

Kết quả ghi nhận 1980 cho thấy các loài côn trùng có khả năng kháng cùng một lúc nhiều loại thuốc như: DDT/Methoxychlor, Lindane/Cyclodiene, gốc Lân Hữu cơ, Carbamate,

Pyrethroid và nhómArsenical, bao gồm các loài muỗi Anopheles sachorovi; gián Blattella

germanica; bọ chét Boophilus decoloratus và B microphus, sâu thuốc lá Heliothis virescens, bọ khoai lang Leptinotarsa decinlineata, rầy mềm Myzus percicae, sâu tơ Plutella xylostella; rầy Psylla pyricola; mọt Tribolium castaneum, sâu keo Spodoptera frugiperda và Spodoptera

lettorales; mọt Sitophilus granarius, nhện đỏ Tetranichus urticae

Các yếu tố ảnh hướng đến tính kháng thuốc của sâu hại:

 Đặc điểm di truyền và sinh vật học của loài dịch hại: những loài dịch hại có khả năng biến đổi gene lớn, vòng đời ngắn, khả năng sinh sản cao, tính ăn hẹp, ít di chuyển, có phản xạ sinh lý thích ứng và là những loài có nguy cơ chống thuốc cao

 Bản chất và đặc điểm của loại thuốc sử dụng: những thuốc tồn tại lâu trên bề mặt vật phun, dịch hại có điều kiện tiếp xúc nhiều với thuốc ở liều thấp (như các thuốc trừ sâu clo hữu cơ), những thuốc có tính chọn lọc cao dễ tạo tính chống thuốc vd: tế bào nấm bệnh có cấu tạo rất giống tế bào thực vật Thuốc trừ bệnh cần có tính chọn lọc cao để chỉ gây độc cho nấm bệnh mà không gây hại cho cây Vi sinh vật gây bệnh dễ vượt qua khó khăn này để tạo tính chống thuốc, Đây là nguyên nhân chính để nấm bệnh dễ hình thành tính chống các thuốc trừ bệnh nội hấp và kháng sinh Những thuốc xâm nhập nhanh vào cơ thể dịch hại, dễ dịch chuyển đến vị trí tác động khó tạo tính chống thuốc hơn

 Cường độ sức ép chọn lọc: bao gồm số lần dùng thuốc, liều lượng thuốc, qui mô sử dụng

và số lượng cá thể dịch hại còn sống sót sau mỗi lần dùng thuốc Cường độ sức ép chọn lọc càng lớn, có nghĩa số lần dùng thuốc càng cao, lượng thuốc dùng càng lớn, qui mô dùng thuốc càng rộng, số lượng cá thể dịch hại còn sống sau mỗi lần dùng thuốc càng nhiều, quần thể dịch hại phải trải qua sự chọn lọc càng khắc nghiệt, sẽ đẩy quần thể dịch hại đó nhanh chóng thuốc

Trong ba nhân tố trên, nhân tố đặc điểm di truyền và sinh vật học của loài là nhân tố khách quan

mà con người không tác động được Nhân tố bản chất và đặc điểm của loại thuốc sử dụng do bản chất hóa học và nhà sản xuất các thuốc đó quyết định Chỉ còn nhân tố thứ ba cường độ sức ép chọn lọc là nhân tố chủ quan, phụ thuộc vào vốn kiến thức và trình độ tay nghề của người sử dụng Đây là vấn đề đặt ra cho cán bộ kỹ thuật Điều chỉnh và làm giảm cường độ sức ép chọn lọc sẽ làm chậm tốc độ hình thành tính chống thuốc

1.2.3 Sự tiến hóa của tính kháng thuốc trừ sâu.

Hiện tượng kháng Thuốc Trừ Sâu của các cá thể trong Quần Thể không phải là sự phát sinh phát triển tính kháng thuốc của côn trùng mà là một quá tŕnh thích ứng sinh lý của cá thể

Sự khác biệt di truyền về tính kháng Thuốc Trừ Sâu là đã có sẵn trong Quần Thể tự nhiên từ khi chưa tiếp xúc với các loại TTS

Khi một Quần Thể dịch hại chịu tác động lâu dài của một loại Thuốc Trừ Sâu sẽ xảy ra một quá tŕnh chọn lọc Những cá thể mang gen kháng thuốc (cũng gọi là gen thích ứng) sẽ tồn tại, sinh ra đời sau mang tính kháng thuốc Quá tŕnh chọn lọc về bản chất bao hàm sự thay đổi

về tần số của các gen Khi chưa tiếp xúc với thuốc, những gen kháng thuốc thường tồn tại với tần số thấp trong Quần Thể tự nhiên do chúng chưa có điều kiện thích hợp để phát triển Khi tiếp xúc với thuốc thường xuyên, trong các thế hệ nối tiếp sẽ có những biến đổi ; tỉ lệ kiểu gen kháng thuốc tăng dần, ở những thế hệ đầu, phần lớn là dị hợp tử, các thế hệ sau sẽ có đồng hợp tử xuất hiện Ở những thế hệ đầu, sự biến đổi này xảy ra từ từ, chậm chạp

Theo tính toán của Sawiski; 1979, trong một Quần Thể tự nhiên, tỉ lệ các cá thể mang gen kháng thuốc là 1/10000, nếu cho tiếp xúc liên tục với Thuốc Trừ Sâu qua 15 thế hệ, tỉ lệ này tăng tới 1/30 Cho tiếp xúc thêm 7 thế hệ nữa tỉ lệ này là 1/1 Điều này góp phần giải thích một hiện tượng mang tính quy luật thường xảy ra với những vùng dùng nhiều Thuốc Trừ Sâu:Thời gian đầu dùng nhiều thuốc với nồng độ thấp có hiệu quả rơ rệt, nhưng càng về sau hiệu quả phòng trừ giảm sút nhanh chóng và sau đó thuốc mất tác dụng

Như vậy, hiện tượng kháng thuốc không phải là một quá tŕnh thích nghi sinh lý của các cá thể trong Quần Thể Hiện tượng này bắt nguồn từ sự sai khác tự nhiên có bản chất di truyền về độ mẫn cảm với các chất độc giữa các cá thể trong Quần Thể ( ngay từ khi Quần Thể) này chưa tiếp xúc với bất kỳ chất độc nào.

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ của quá tŕnh tiến hóa, điều này được thể hiện qua bảng 1.1

Bảng 1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ của quá tŕnh tiến hóa tính kháng TTS trên đồng ruộng Theo Geoghiou và Taylor (1976)

IV.CÁC CƠ CHẾ KHÁNG THUỐC TRỪ SÂU CỦA CÔN TRÙNG:

Các hóa chất có thể xâm nhập vào cơ thể muỗi bằng nhiều cách và ảnh hưởng đến sự sống sót của chúng ở mức độ khác nhau Dựa vào khả năng hóa chất bị phân giải trực tiếp hay không khi tác động lên cơ thể muỗi để chia ra các loại cơ chế:

Kháng do cơ chế chuyển hóa (metabolic mechanism)

Trong cơ chế này khi phân tử hóa chất diệt và xâm nhập vào cơ thể, dưới tác dụng của các enzym khác nhau trong cơ thể muỗi kháng thuốc nó sẽ bị phân giải theo nhiều con đường khác nhau như: oxy hóa, thủy phân, hydro hóa, khử clo, ankyl hóa trở thành chất không độc Có 3 nhóm enzyme đóng vai trò chính trong cơ chế côn trùng kháng các nhóm thuốc Chlor hữu cơ, Phốt pho hữu cơ, Carbamat và Pyrethroides

 Men Esterase thường liên quan đến cơ chế chuyển hóa trong nhóm Phốt pho hữu cơ, Carbamat, nhưng ít có tác dụng đối với nhóm pyrethroid

 Men DDTI(dehydrochorinase) như là Glutathione S-transferase (GSTs) kháng DDT ở

ruồi nhà Musca domestica, Anopheles và Aedes, men này khử clo của phân tử DDT, chuyển

DDT thành DDE là hợp chất không có tính độc cho với côn trùng

 Men Monooxygenases liên quan đến sự chuyển hóa của nhóm Pyrethroids, hoạt hóa hoặc khử oxy trong nhóm Phốt pho hữu cơ, nhưng ít có tác dụng đối với nhóm Carbamate Nó là những phức hợp men đóng vai trò trong chuyển hóa chất sinh học lạ (xenobiotics) và trong chuyển hóa nội sinh (endogenous metabolism) Các men Monooxygenases P450 đóng vai trò quan trọng trong việc thích nghi với hóa chất của côn trùng Sự gia tăng của men này có liên

hệ chặt chẽ với sự kháng hóa chất nhóm Pyrethroid

Cơ chế này tạo ra một mức độ kháng mạnh mẽ nhất của muỗi đối với từng loại hóa chất Sự kháng là kết quả của sự thay đổi về mặt cấu trúc enzym làm tăng khả năng giải độc của nó hoặc tăng số lượng enzym dẫn đến tăng sự đào thải độc tố hoá chất diệt côn trùng ra khỏi cơ thể chúng

Hình 1: các ví dụ về các cơ chế kháng hóa sinh ở cấp độ phân tử

A Đột biến ở một axit amin trong vùng trải trên màng IIS6 của gen kênh vận chuyển Na+ đã tạo

ra tính kháng DDT – pyrethroid ở Anopheles gambiae Cũng codon bị đột biến đó đã tạo ra tính kháng rất phong phú ở côn trùng

B Nhân tố điều hòa (phía trên trình tự mã hóa) còn gọi là “hộp Barbie” cho phép cảm ứng các gen kháng mã hóa Esterase và Oxidase phân hủy thuốc diệt côn trùng Nhiều các nhân tố điều hòa giả thiết này đã được tìm ra là có liên quan đến các ezyme kháng ở vector

C Đơn vị siêu sao chép A2-B2 Esterase Các gen Esterase kháng này nằm ở đầu 5’ tới đầu 5’ trong cùng một đơn vị khuyếch đại

Kháng do giảm tính thẩm thấu

Là cơ chế mà trong đó hóa chất diệt không bị phân hủy trực tiếp, song tính kháng được hình thành là do giảm khả năng thấm Nhiều loại hoá chất diệt côn trùng thâm nhập vào cơ thể côn trùng qua lớp biểu bì Những thay đổi của lớp biểu bì của côn trùng làm giảm tốc độ thẩm thấu của hoá chất diệt côn trùng gây nên sự kháng đối với một số hoá chất diệt Đơn thuần tính thấm giảm chỉ gây ra sự kháng ở mức độ thấp

Kết quả nghiên cứu cơ chế kháng thuốc DDT của ruồi nhà đã chứng minh: Ruồi kháng DDT có lớp cutin dày hơn, khó thấm DDT hơn những so với ruồi mẫn cảm DDT Tác giả Otto.D (1976) cũng đã nêu lên sự thay đổi về cấu tạo của Lipoid, sáp và protein trong cutin hoặc gia tăng kết cứng biểu bì của những côn trùng kháng thuốc

Pery A.S và Agosin M (1974) cũng cho rằng những quần thể côn trùng kháng hóa chất đã xuất hiện một lớp Lipid có tác dụng ngăn cản sự xâm nhập của hóa chất vào cấu trúc tinh tế của hệ thần kinh, làm cho thuốc mất tác dụng Cơ chế này hiếm khi được đề cập tới, nó thường được coi

là thứ yếu thậm chí không được nhắc tới ở muỗi Tuy nhiên, nếu phối hợp với các cơ chế kháng khác, nó có thể tạo nên sự kháng cao Cơ chế này hầu hết được phát hiện qua các nghiên cứu tính thấm sử dụng hoá chất diệt đánh dấu

Kháng do biến đổi vị trí đích (Target-Site Resistance)

Sự kháng này gây ra bởi sự biến đổi vị trí đích tác động của hoá chất diệt côn trùng Sự biến đổi

đó đã được quan sát thấy ở các enzym và cơ quan cảm nhận thần kinh, đó là điểm đích của một

số lớp hoá chất diệt côn trùng Có 3 hình thức kháng hoá chất diệt côn trùng bằng cách thay đổi

vị trí đích nhạy cảm

Hình 2 Cơ chế tác động gây côn trùng của 4 nhóm hóa chất, vị trí đích của các nhóm Phốt pho hữu cơ và Carbamate là enzyme Acetylcholinesterase và vị trí đích của nhóm hóa chất Pyrethroid

và DDT là cổng điện thế của kênh vận chuyển ion natri (WHO, 2006) (AchE: Enzyme

Acetylcholinesterase, Ach: Chất dẫn truyền thần kinh Acetylcholine, ChAT: Enzyme vận chuyển Acetylcholine, vg-Na+ chanel: kênh vận chuyển ion natri, MACE: enzyme Acetylcholine đã bị thay đổi, kdr: Kháng hạ gục)

Kháng kdr (Knockdown Resistance) hay kháng liên quan đến vai trò các kênh Na+

Kháng kdr liên quan đến các đột biến gen tổng hợp các protein có vai trò vận chuyển natri qua

màng ở một số loài côn trùng Các hoá chất DDT và Pyrethroid làm thay đổi động học của các kênh vận chuyển natri có vai trò trong sự truyền các xung thần kinh Có hai dạng đột biến kdr

khác nhau đã được phát hiện ở muỗiAn gambiae ở châu Phi Ở Đông Phi, kháng kdr liên quan

đến một đột biến dẫn tới kết quả là một leucine được thay thế bởi một phenylalanin ở mảnh S6

thuộc domain thứ 2 của alen kdr (L1014F) ở Kenya một dạng đột biến khác cũng được tìm thấy,

đó là đột biến thay thế leucine bằng serine ở vị trí tương tự (L1014S) Sự kháng chéo đối với

DDT và pyrethroidlà một chỉ thị của sự kháng kdr và thường nó có tính lặn di truyền.

Hiện tượng trơ hoặc thay đổi men Acetylcholinesterase (MACE: Modified

acetylcholinesterase)

Men Acetylcholinesterase (AchE) của côn trùng liên quan đến việc kháng hóa chất nhóm Phốt pho hữu cơ và Carbamate AchE thủy phân chất dẫn truyền thần kinh Acetylcholine trên màng synap sau của tế bào thần kinh Trong muỗi C.pipiens có sự gia tăng2 loại men AchE 1 và AchE

2, tuy nhiên chỉ có AchE 1 có vai trò trong kháng hóa chất của muỗi này Men AchE bị biến đổi

về độ mẫn cảm cũng khiến cho ruồi, ve, mò không những chỉ chống với một loại hóa chất mà

có thể cùng một lúc chống được nhiều loại hóa chất thuộc 2 nhóm trên (Hama.H và Iwata.T, 1971)