DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-45372-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42009740
تاريخ النشر: 2026-04-20
المؤلف: Ramy E. El-Ansary وآخرون
الموضوع الرئيسي: مقاومة الحشرات وعلم الوراثة
نظرة عامة
تبحث الدراسة في الاستجابات الفسيولوجية والجزيئية ليرقات *Spodoptera frugiperda* (دودة الجيش الخريفية) تجاه أربعة مبيدات حشرية شائعة الاستخدام: إيمامكتين بنزوات، إندوكساكارب، ميثوميل، ومزيج ثنائي من أسيطاميبريد + بيفينثرين. أظهرت اختبارات السمية أن إيمامكتين بنزوات كان الأكثر فعالية (LC50 = 0.188 جزء في المليون/لتر)، بينما أظهر المزيج الثنائي أعلى معامل مقاومة (RC = 12.86). أشارت التحليلات الكيميائية الحيوية إلى تغييرات استقلابية ملحوظة، بما في ذلك انخفاض أنشطة الأسيتيل كولينستراز (AChE) وكاربوكسيليستراز (CarE)، مما يشير إلى إجهاد عصبي، إلى جانب زيادة أنشطة الجلوتاثيون S-ترانسفيراز (GST) وبيروكسيداز (POD)، مما يدل على تعزيز عمليات إزالة السموم واستجابات الإجهاد التأكسدي. أظهرت دراسات التعبير الجيني زيادة في التعبير عن عدة جينات من السيتوكروم P450 (SFCYP1، SFCYP2، SFCYP4، SFCYP5، SFRYR) وانخفاض في التعبير عن SFCYP3، مما يبرز تنشيط مسارات إزالة السموم. تم تأكيد التأثيرات الجينية من خلال اختبار المذنب، مما يكشف عن تلف كبير في الحمض النووي في الخلايا الدموية، خاصة بعد التعرض لإيمامكتين بنزوات.
في الختام، توضح الدراسة الاستجابات الكيميائية الحيوية والجزيئية والجينية المعقدة لـ *S. frugiperda* تجاه التعرض للمبيدات الحشرية. تشير التعديلات الاستقلابية الملحوظة، بما في ذلك تعديل الإنزيمات العصبية وزيادة التعبير عن جينات CYP450 المحددة، إلى آلية دفاع تكيفية تعزز القدرة على التحمل ضد الإجهاد الخارجي. يبرز التلف الكبير في الحمض النووي المرتبط بالتعرض دون القاتل المخاطر الجينية المرتبطة باستخدام المبيدات الحشرية. توفر هذه النتائج إطارًا شاملاً لفهم آليات المقاومة وتبرز إمكانية دمج المؤشرات الكيميائية الحيوية والجزيئية في مراقبة المقاومة واستراتيجيات إدارة الآفات المستدامة. هناك حاجة إلى دراسات تحقق إضافية لتأكيد القيمة التنبؤية لهذه المؤشرات لتطوير المقاومة.
طرق
تحدد قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يوضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، معدات، وعينات بيولوجية، مما يضمن إمكانية تكرار التجارب. تشمل المنهجية التقنيات المطبقة لجمع البيانات وتحليلها، مثل الاختبارات الإحصائية أو النماذج الحسابية، والتي تعتبر ضرورية للتحقق من النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يصف القسم إعداد التجربة، بما في ذلك ظروف التحكم والمتغيرات التي تم التلاعب بها خلال الدراسة. يسمح هذا النهج الشامل بفهم واضح لكيفية إجراء البحث، مما يسهل تقييم النتائج وتأثيراتها ضمن السياق الأوسع للمجال.
نتائج
في قسم النتائج، تفيد الدراسة بوجود تغييرات ملحوظة في التعبير عن الجينات المرتبطة بالدفاع في يرقات *Spodoptera frugiperda* بعد التعرض لمبيدات حشرية مختلفة، تم تقييمها عبر تقنية PCR العكسية الكمية (qRT-PCR) بعد 7 أيام من العلاج. من الجدير بالذكر أن جينات مثل SFCYP1، SFCYP2، SFCYP4، SFCYP5، SFRYR، وEF1α كانت مرتفعة بشكل ملحوظ، مع أكبر الزيادات الملحوظة تحت علاج Rubek: SFCYP2 (612 مرة)، SFCYP5 (47.4 مرة)، SFRYR (140 مرة)، وEF1α (64.2 مرة). كما أدى تطبيق Speedo إلى زيادة مستويات التعبير عن SFCYP1 وSFCYP4، مع تغييرات بمقدار 200 مرة وثلاث مرات، على التوالي.
على النقيض من ذلك، أظهر SFCYP3 انخفاضًا مستمرًا عبر جميع علاجات المبيدات الحشرية، مع أكبر انخفاض ملحوظ تحت Rubek (0.2 مرة) وأدنى تعبير تم تسجيله مع Easo (0.05 مرة) مقارنة بالتحكم. بشكل عام، أظهر Rubek أكبر تأثير على كل من الجينات المرتفعة والمنخفضة التعبير، مما يبرز تأثيره القوي على مسارات إزالة السموم والعمليات البيولوجية المرتبطة بالإجهاد في اليرقات.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تحديد وتقييم *Spodoptera frugiperda* (FAW) من خلال كل من الطرق الشكلية والجزيئية، مما يؤكد هوية النوع عبر تسلسل وحدة الأكسيداز السيتوكرومي الميتوكوندري (COI). تم إنشاء مستعمرة مختبرية وصيانتها تحت ظروف محكومة، مما يتيح تقييم سمية مبيدات حشرية مختلفة، بما في ذلك إيمامكتين بنزوات، إندوكساكارب، ميثوميل، ومزيج ثنائي من أسيطاميبريد + بيفينثرين. أظهرت النتائج أن إيمامكتين بنزوات أظهر أعلى سمية بقيمة LC₅₀ تبلغ 0.188 جزء في المليون/لتر، بينما أظهر المزيج الثنائي مقاومة كبيرة بقيمة RC تبلغ 12.86، مما يبرز الحاجة إلى إدارة دقيقة لهذا المزيج في استراتيجيات مكافحة الآفات.
كشفت التحليلات الكيميائية الحيوية عن تباينات كبيرة في الأنشطة الإنزيمية بين العلاجات، مما يشير إلى استجابات استقلابية وإزالة سموم متميزة في اليرقات. من الجدير بالذكر أن نشاط الأسيتيل كولينستراز (AChE) انخفض مع مرور الوقت، مما يشير إلى آثار عصبية محتملة أو استجابات تكيفية للتعرض للمبيدات الحشرية. أظهر اختبار المذنب أن جميع المبيدات الحشرية تسببت في تلف الحمض النووي، حيث تسبب إيمامكتين بنزوات في أكبر إجهاد جيني. تؤكد هذه النتائج على التفاعل المعقد بين التعرض للمبيدات الحشرية، التكيف الاستقلابي، وسلامة الجينات في *S. frugiperda*، مما يبرز أهمية دمج التقييمات الكيميائية الحيوية والجزيئية في تقييم مقاومة الآفات وآليات السمية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-45372-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42009740
Publication Date: 2026-04-20
Author(s): Ramy E. El-Ansary et al.
Primary Topic: Insect Resistance and Genetics
Overview
The research investigates the physiological and molecular responses of *Spodoptera frugiperda* (fall armyworm) larvae to four commonly used insecticides: emamectin benzoate, indoxacarb, methomyl, and a binary mixture of acetamiprid + bifenthrin. Toxicity bioassays revealed that emamectin benzoate was the most potent (LC50 = 0.188 ppm/L), while the binary mixture exhibited the highest resistance coefficient (RC = 12.86). Biochemical analyses indicated significant metabolic alterations, including reduced activities of acetylcholinesterase (AChE) and carboxylesterase (CarE), suggesting neurotoxic stress, alongside increased glutathione S-transferase (GST) and peroxidase (POD) activities, indicative of enhanced detoxification and oxidative stress responses. Gene expression studies showed upregulation of several cytochrome P450 genes (SFCYP1, SFCYP2, SFCYP4, SFCYP5, SFRYR) and downregulation of SFCYP3, highlighting the activation of detoxification pathways. Genotoxic effects were confirmed through the comet assay, revealing significant DNA damage in hemocytes, particularly after exposure to emamectin benzoate.
In conclusion, the study elucidates the complex biochemical, molecular, and genotoxic responses of *S. frugiperda* to insecticide exposure. The observed metabolic adjustments, including the modulation of neuro-enzymes and the upregulation of specific CYP450 genes, suggest an adaptive defense mechanism that enhances resilience against xenobiotic stress. The significant DNA damage associated with sublethal exposure underscores the genotoxic risks linked to insecticide use. These findings provide a comprehensive framework for understanding resistance mechanisms and highlight the potential for integrating biochemical and molecular biomarkers in resistance monitoring and sustainable pest management strategies. Further validation studies are necessary to confirm the predictive value of these biomarkers for resistance development.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including any reagents, equipment, and biological samples, ensuring reproducibility of the experiments. The methodology encompasses the techniques applied for data collection and analysis, such as statistical tests or computational models, which are crucial for validating the findings.
Additionally, the section may describe the experimental setup, including control conditions and variables manipulated during the study. This comprehensive approach allows for a clear understanding of how the research was conducted, facilitating the assessment of the results and their implications within the broader context of the field.
Results
In the results section, the study reports significant alterations in the expression of defense-related genes in *Spodoptera frugiperda* larvae following exposure to various insecticides, assessed via quantitative reverse transcription PCR (qRT-PCR) at 7 days post-treatment. Notably, genes such as SFCYP1, SFCYP2, SFCYP4, SFCYP5, SFRYR, and EF1α were markedly upregulated, with the most substantial increases observed under Rubek treatment: SFCYP2 (612-fold), SFCYP5 (47.4-fold), SFRYR (140-fold), and EF1α (64.2-fold). The application of Speedo also resulted in elevated expression levels of SFCYP1 and SFCYP4, with fold changes of 200-fold and threefold, respectively.
Conversely, SFCYP3 consistently exhibited downregulation across all insecticide treatments, with the most pronounced decrease under Rubek (0.2-fold) and the lowest expression recorded with Easo (0.05-fold) compared to the control. Overall, Rubek demonstrated the most significant impact on both upregulated and downregulated genes, underscoring its strong influence on detoxification and stress-related biological pathways in the larvae.
Discussion
In this study, the identification and assessment of *Spodoptera frugiperda* (FAW) were conducted through both morphological and molecular methods, confirming species identity via mitochondrial cytochrome oxidase subunit I (COI) sequencing. A laboratory colony was established and maintained under controlled conditions, enabling the evaluation of the toxicity of various insecticides, including Emamectin benzoate, Indoxacarb, Methomyl, and a binary mixture of Acetamiprid + Bifenthrin. The results indicated that Emamectin benzoate exhibited the highest toxicity with an LC₅₀ value of 0.188 PPM/L, while the binary mixture demonstrated significant resistance with an RC of 12.86, highlighting the need for careful management of this combination in pest control strategies.
Biochemical analyses revealed significant variations in enzymatic activities among treatments, indicating distinct metabolic and detoxification responses in larvae. Notably, Acetylcholinesterase (AChE) activity decreased over time, suggesting potential neurotoxic effects or adaptive responses to insecticide exposure. The comet assay demonstrated that all insecticides induced DNA damage, with Emamectin benzoate causing the most substantial genotoxic stress. These findings underscore the complex interplay between insecticide exposure, metabolic adaptation, and genetic integrity in *S. frugiperda*, emphasizing the importance of integrating biochemical and molecular assessments in evaluating pest resistance and toxicity mechanisms.