《Insect Biochemistry and Molecular Biology》：Rethinking Insecticide Toxicology for the 21st Century
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本综述聚焦杀虫剂对非靶标昆虫的亚致死效应，系统解析其分子代谢机制与生理行为影响，提出结合多组学技术与人工智能预测的新一代生态毒理学研究范式，为平衡农业防护与生物多样性保护提供理论依据。
随着全球昆虫种群数量急剧下降，杀虫剂对非靶标生物的亚致死效应日益成为生态安全的核心关切。尽管杀虫剂在保障农作物产量方面不可或缺，但其广泛使用可能通过干扰昆虫代谢、行为及繁殖等环节，间接导致生态系统服务功能衰退。传统毒理学研究多集中于急性致死效应，而亚致死暴露的跨尺度生物学影响机制尚不明确，缺乏系统整合分子响应与生态后果的评估框架。
本研究通过梳理昆虫对杀虫剂的代谢解毒途径（如细胞色素P450（P450）、谷胱甘肽-S-转移酶（GST）等关键酶系），揭示亚致死剂量引发的多层次毒性效应：其不仅直接作用于神经靶点（如烟碱型乙酰胆碱受体（nAChR）），更通过诱发活性氧（ROS）积累、线粒体功能障碍等次级应激反应，导致脂质代谢紊乱、免疫基因抑制及行为异常。例如，Martelli等发现低剂量吡虫啉和spinosad可引发果蝇脑部ROS升高，并通过氧化脂质跨组织传递信号，引起脂肪体脂滴异常聚集（图1）。这些发现突破了传统“靶点毒性”模型，提出“第二层毒性”概念，即下游生理应激与转录溢出效应共同加剧生态风险。
为系统解析上述机制，作者提出整合多组学与人工智能的技术路径。通过单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术，研究揭示了昆虫不同组织（如马氏管、脂肪体）中解毒基因（如CncC/Keap1通路成员）的时空特异性表达模式（图4），证实传统全转录组分析可能掩盖关键细胞类型的响应差异。同时，空间代谢组学与自动化行为表型分析（如深度学习驱动的运动轨迹追踪）可动态捕捉杀虫剂在体内的分布与行为干扰效应。这些技术为构建“亚致死暴露-分子响应-表型输出”的因果链条提供了工具支持。
关键研究方法
研究基于果蝇（Drosophila melanogaster）模型，结合组织特异性转录组学、代谢组学及ROS荧光探针检测，分析低剂量杀虫剂暴露后的时空动态响应。利用单细胞RNA测序（scRNA-seq）解析解毒通路关键基因（如CncC、HR96）的细胞分布，并通过遗传操作（如神经元特异性ROS诱导）验证跨组织信号传递机制。行为层面采用机器学习算法量化运动、学习等表型变化，辅以抗氧化剂干预实验明确ROS的毒性贡献。
研究结果
1. 杀虫剂代谢经典模型的局限性
传统Phase I-III解毒模型难以完整描述昆虫对合成杀虫剂的代谢过程。研究表明，解毒效率高度依赖酶活性在暴露瞬间的组织定位与动力学特性（如kcat/Km），而转录诱导响应速度过慢，无法提供即时保护。
2. 生理层面的亚致死效应
低剂量杀虫剂可引发系统性代谢紊乱。例如，吡虫啉通过激活nAChR增强Ca2+内流，导致线粒体ROS爆发，进而引起脂肪体脂滴重分布和ATP耗竭（图1）。抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸酰胺（NACA）可部分逆转运动能力损伤，证实ROS是神经毒性的关键介质。
3. 转录响应的复杂调控网络
杀虫剂通过直接激活xenosensor（如HR96、AhR/ARNT同源物Spineless/Tango）或间接通过氧化应激激活CncC/Keap1通路，诱导解毒基因表达。单细胞数据显示，CncC与foxo转录本在马氏管等代谢组织中高度共表达（图4），提示通路协同调控可能增强解毒特异性。
4. 组织特异性与时空动态响应
不同组织对杀虫剂的响应存在显著差异。如spinosad暴露2小时后，果蝇脑部39个P450/GST基因上调，而脂肪体仅2个基因激活，凸显全转录组分析的局限性。
5. 行为与繁殖的隐性代价
亚致死暴露可延长发育周期、降低成虫寿命，并抑制抗菌肽（AMP）等免疫基因表达，增加病原易感性。行为层面表现为运动抑制、觅食效率下降及导航能力受损，这些表型可通过AI驱动的无偏倚行为分析量化。
结论与展望
本研究系统阐明了亚致死杀虫剂暴露通过多层级毒性通路影响昆虫健康的机制，强调将分子响应与生态风险关联的必要性。提出的整合框架——结合多物种表型组学、时空动态监测与AI预测模型——有望推动杀虫剂研发向“高效低害”方向演进，为协调农业生产力与生物多样性保护提供新范式。
