Pesticide effects: Possible role of antioxidative defense enzymes in insects resistance

Abstract

During the several decades many species of insects have acquired resistance to used insecticides. This resistance is inherited and has proved to be one of the biggest barrier to successful chemical control of insects. Enzymes involved in the insecticide resistance include target enzymes such as cholinesterase and detoxifying enzymes such as the mixed function oxidase and glutathione transferees. The reactive oxygen species are producing during the detoxification processes. They are eliminated by the action of antioxidant enzyme activities. The constitutive expression of the ant oxidative enzyme activity of the pest insects are very important component of their susceptibility to insecticides. Changes in AO were found in development, aging, reproduction, metabolic disturbances, tropic regulation, host-plant adaptation and insecticide resistance. Insecticide resistance involves elevated AO enzymes. There are several reasons for that elevation: action of some insecticides and their detoxification in cells are accompanied by increased ROS production, and ROS are included in additional physiological disturbances caused by applied insecticides. Results suggest existence of a few common adaptive pathways for regulation of insecticide-induced changes and regulation of AO levels, and present basis for discussion about possible modulation of insecticide action and resistance by AO system.

Veliki broj insekticida se uglavnom metaboliše aktivnošću citohrom P450 familije oksidaza. Prilikom aktivnosti mono - i dioksigenaza u oko 1-3% slučajeva umesto uvođenja kiseonika u molekul insekticida, vrši se nepotpuna redukcija molekulskog kiseonika i produkuje se superoksid anjon radikal, koji predstavlja tzv. reaktivnu vrstu kiseonika (reactive oxygen species, eng, ROS, skr.). ROS usled svoje reaktivnosti propagira nastajanje oksidativnih ćelijskih oštećenja i oksidativnog stresa. Ukoliko oksidativna oštećenja prevaziđu kapacitet ćelijske odbrane i reparacije nastaje ćelijska smrt. Kod organizama, uključujući insekte, postoji set enzima koji sprečavaju propagaciju, neutrališu dejstvo i sprečavaju nastanak oksidativnih oštećenja posredovanih sa ROS (tzv. antioksidativni enzimi ili antioksidativna odbrana). Primarna antioksidativna odbrana kod insekata se sastoji od enzima superoksid dismutaze, katalaze, glutation reduktaze i izoformi enzima faze II detoksikacije: glutation S transferaze sa peroksidaznom aktivnošću. Njihovo združeno dejstvo obezbeđuje prevođenje ROS u vodu, uz utošak NADPH kao redukcionog ekvivalenta. Insekti su prilikom ekspozicije insekticidima dodatno izloženi upravo nastajanju oksidativnih oštećenja, propagacijom ROS, tako da uloga antioksidativnih enzima u odbrani od insekticida predstavlja dodatni faktor u nastanku i razvoju rezistentnosti insekata. Rezultati proučavanja aktivnosti antioksidativnih enzima pokazuju da je njihova bazalna aktivnost kod insekata povezana sa razvojnim, reproduktivnim i trofičkim uticajima. U svim ovim slučajevima je jasno da oni mogu predstavljati posredni uticaj na razvoj rezistentnosti. Osim toga, koevolucija biljki domaćina i/ili adaptacija na nepovoljnog domaćina kod insekata su uslovili konstitutivno drugačije nivoe aktivnosti antioksidativnih enzima koji, za posledicu, mogu imati i drugačije posledice dejstva insekticida kod preživelih jedinki i dalji razvoj sekundarnih procesa adaptacije kako na biljke domaćine i tako i na rezistentnost. Zajednički imenitelj u ovim procesima je prisustvo alelohemikalija koje utiče na konstitutivne nivoe aktivnosti cytP450 oksigenaza, te i antioksidativnih enzima, tako da je trofička regulacija kod insekata povezana i sa aktivnošću antioksidativne odbrane, a time i na stepen rezistentnosti insekata. Uticaj kombinacije prisustva alelohemikalija kod biljki domaćina i refleksija opštih trofičkih procesa na antioksidativnu odbranu insekata su dosta proučavani, ali stepen uticaja zavisi od hemijskih karakteristika alelohemikalija, njihovog broja i količine u ishrani, njihovog metaboličkog puta u organizmu insekata, ekspresije detoksifikacionih i antioksidativnih enzima i stanja životnog ciklusa insekata. Generalno, rezultati pokazuju da konstitutivno povišen nivo antioksidativnih enzima ima ulogu u nastajanju i razvoju rezistentnosti, ali da je uklopljen u metabolički milje insekta.