Chlorpyrifos (CPF) is one of the most heavily used organophosphate pesticides and is useful as an insecticide drug. However, CPF also causes toxic effects in nontarget organisms, including humans and animals. Jageum-Jung (JGJ) is a traditional oriental medicine, composed of five specific herbs with antioxidant and hepatoprotective properties, used for detoxification. In the present study, highly concentrated CPF was orally administrated to male Institute of Cancer Research mice to produce acute toxicity, and the protective effects of JGJ administration were investigated through statistical analysis of changes in body and organ weights and serum biochemical parameters. JGJ caused body and organ weights to recover and reduced the levels of serum biochemical parameters indicative of liver damage, such as glutamic oxalate transaminase, glutamic pyruvate transaminase, alkaline phosphatase, lactic dehydrogenase, urea, glucose, total cholesterol, and triglyceride, that had been increased by CPF treatment. Our results demonstrated that JGJ ameliorates the effects of acute chlorpyrifos-induced toxicity. Therefore, JGJ has the potential to be used as a traditional medicine to alleviate insecticide toxicity.
Insect pests can be controlled through direct application of insecticides. Insect control by residual protectants is relatively inexpensive and has an advantage of destroying all stages of infestations. The efficacy of control is largely determined by the concentration of insecticides to which the pest species is exposed. A reduction in the period of control in the field afforded by a specific level of a protectant indicates that resistance has developed. An increase in the level of protectant is required to maintain control, and the efficacy of currently used insecticides has been severely reduced by insecticide resistance in pest species. Development of resistance to particular insecticide varies with species because insecticide resistance is often correlated with increased levels of certain enzymes, which are cytochrome P450-dependent monooxygenases, glutathione S-transferases and esterases. Some sections of insecticide molecules can be modified by one or more of these primary enzymes. A reduction in the sensitivity of the action site of a xenobiotic also constitutes a mechanism of resistance. Acetylcholinesterase is a major target site for insecticide action, as are axonal sodium ion channels and ${\gamma}$-aminobutyric acid receptors. Development of reduced sensitivity of these target sites to insecticides usually occurs. This review not only may contribute to a better understanding of insecticide resistance, but also illustrates the gaps still present for a full biochemical understanding of the resistance.
Mechanisms of insecticide resistance found in insects may include three general categories. Modified behavioral mechanisms can let the insects avoid the exposure to toxic compounds. The second category is physiological mechanisms such as altered penetration, rapid excretion, lower rate transportation, or increased storage of insecticides by insects. The third category relies on biochemical mechanisms including the insensitivity of target sites to insecticides and enhanced detoxification rate by several detoxifying mechanisms. Insecticides metabolism usually results in the formation of more water-soluble and therefore more readily eliminated, and generally less toxic products to the host insects rather than the parent compounds. The representative detoxifying enzymes are general esterases and monooxygenases that catalyze the toxic compounds to be more water-soluble forms and then secondary metabolism is followed by conjugation reactions including those catalyzed by glutathione S-transferases (GSTs). However, a change in the resistant species is not easily determined and the levels of mRNAs do not necessarily predict the levels of the corresponding proteins in a cell. As genomics understands the expression of most of the genes in an organism after being stressed by toxic compounds, proteomics can determine the global protein changes in a cell. In this present review, it is suggested that the environmental proteomic application may be a good approach to understand the biochemical mechanisms of insecticide resistance in insects and to predict metabolomic changes leading to physiological changes of the resistant species.
This experiment was carried out to evaluate the difference in the biochemical characteristic of the brown planthoppers of the insecticide risistant, susceptible strains and their hybrid progenies. Activity of the esterase isozyme separated by electrophoresis method was remarkably high in the resistant strain as compared with the susceptible strain. Esterase activity between the insecticide-treated strains and the non-insecticide strains was not degraded in the resistant strain and the $F_1$, but remarkably degraded in the susceptible strain. The increase of esterase activity was associated with the development of resistance, and that was inherited with a dominant gene.
The rapid increase in cases of insect resistance to insecticides indicates that the contribution of present chemical control practices inevitably leads to exhaustion of available insecticide resources against key insect species. Now the problem of insecticide resistance exists worldwide among insects and mites affecting field crops and animals including human beings, ranging from minimal or absent in some developing countries, where use of insecticides has been low, to extremely severe in many developed countries. Since the occurrence of insect resistance to insecticides was firstly recognized in 1908, the increase in recent decades has been almost linear and now the number of species of insects and acarines in which resistant strains have evolved have been increased to a total of 432. Of these, $261(60\%)$ are agricultural importance and $171(40\%)$ of medical/veterinary importance. The phenomenon of insecticide resistance is asserting itself as the greatest challenge to effective chemical control of many important insect pests. Resistance of insects to insecticides has a history of nearly 80 years, but its greatest increase and its strongest impact have occurred during the last 40 years following the discovery and extensive use of synthetic organic insecticides and acaricides. The impact of resistance should be considered not only in terms of greater cost of pest control due to increased dosages and number of applications but also in terms of the ecological disruption of pest-beneficial species density relationships, the loss of investment in the development of the insecticides concerned, and socio-economic disruption in agricultural communities. Despite its grave economic consequences, the phenomenon of insecticide resistance has received surprisingly little attention in Korea. Since the study of insecticides started firstly in 1963, many entomologists have been concerned with this study. According to their results, some of the rice pests and some of the mites on orchard trees, for example, have developed worrisome level of resistance in several areas of this peninsula. With many arthropods, considerable advances in the developed countries have been made in the study of the biochemical and physiological mechanisms of resistance. Progress involves the biochemical characteristics of specific defense mechanisms, their genetics, interactions, and their quantitative and qualitative contribution to resistance. But their studies arc still inadequately known and relatively little have been contributed in terms of unique schemes of population management in achieving satisfactory pest control. It is apparent that there is no easy solution to resistance as a general phenomenon. For future challenging to effective control of insect pests which are resistant to the insecticides concerned, new insecticide groups with distinctly novel mode of action are urgently needed. It is clear, however, that a great understanding of the factors which govern the intensity of selection of field population for resistance could lead to far more permanently successive use of chemicals within the framework of integrated pest management than heretofore practiced.
There was a great variation in insecticide susceptibilities among field and laboratory populations of the beet armyworm, Spodoptera exigua (Hiibner). Unselected laboratory population, which had been reared for 6-7 generations in our laboratory without exposure to insecticides, was more susceptible than its parental field population in all tested insecticides. Two selected laboratory populations with parathion or deltamethrin showed much higher insecticide tolerance than did the unselected laboratory population in their own selection insecticide. The variation of the insecticide susceptibilities was highly correlated with esterase and acetylcholinesterase activities. Field and the selected laboratory populations had lower acetylcholinesterase activities and higher esterase activities than did the unselected laboratory population. Acetylcholinesterase of the field and the selected laboratory populations had higher Km values than did that of the unselected. In a population, Km values were varied among different developmental stages; acetylcholinesterase of the fifth instar larvae had the highest Km value among those of the other larval stages. Twenty one esterase bands were separated on 6.5% nondenaturing polyacrylamide gel from the whole body extracts of the fifth instar larvae. E2, E7, E8, Ell, El6, and El7 esterase bands were developed more frequently in the insecticides-selected populations than in the unselected population. These results suggest that the variation of insecticide susceptibilities of the beet armyworm includes both biochemical mechanisms: target site insensitivity and enhanced activity of detoxification enzyme.
A phase variation has been reported in an entomopathogenic bacterium, Xenorhabdus nematophila. Compared with a wild-type primary form, a secondary form usually loses several physiological and biochemical characters. This study showed that the phase variation of X. nematophila caused a significant alteration in its immunosuppressive activity and subsequent entomopathogenicity. A secondary form of X. nematophila was detected in laboratory colonies and exhibited significant differences in dye absorption and entomopathogenicity. In addition, the secondary form was different in its production of eicosanoid-biosynthesis inhibitors (EBIs) compared with the primary form of X. nematophila. Production of oxindole and p-hydroxypropionic acid was significantly reduced in the culture broth of the secondary form of X. nematophila. The reduced EBI production resulted in significant suppression in the inhibitory effects on cellular nodule formation and phenoloxidase activity. Culture broth of the primary form of X. nematophila enhanced the pathogenicity of Bacillus thuringiensis ( Bt) significantly more than the culture broth of the secondary form. Furthermore, this study developed a highly efficient "Dual Bt-Plus: to control both lepidopteran insect pests Plutella xylostella and Spodoptera exigua, by mixing two effective Bt strains along with the addition of potent bacterial metabolites or 100-fold concentrated X. nematophila culture broth.
An endosulfan degrading bacterial strain, K-1321, was isolated by endosulfan-enrichment culture from a seaside sediment collected at Dadaepo Beach, Busan, Korea. The strain was identified as a Serratia sp. based on the results of morphological, biochemical and 16S rDNA homology analyses. Serratia sp. K-1321 was able to completely degrade 50 ppm endosulfan in culture media and soil within 6 weeks at $25^{\circ}C$. GC/MS analysis revealed that endosulfan diol was an intermediate of the bacterial endosulfan degradation. Considering the above results, we concluded that Serratia sp. K-1321 utilized endosulfan as a carbon source and metabolized endosulfan via a less toxic pathway, such as the formation of endosulfan diol as an intermediate.
Two groups of entomopathogenic bacteria, Xenorhabdus and Photorhabdus, are known to suppress insect immune responses by inhibiting eicosanoid biosynthesis. This study used these bacterial culture broths to develop novel biochemical insecticides against the diamondback moth, Plutella xylostella. Though the bacterial culture broths alone showed little insecticidal activity, they significantly enhanced pathogenicity of Bacillus thuringiensis against the fourth instar larvae of P. xylostella. Sterilization of the bacterial culture broth by autoclaving or $0.2\;{\mu}m$ membrane filtering did not influence the synergistic effect on the pathogenicity of B. thuringiensis. Three metablites identified in the culture broth of X. nematophila also showed similar synergistic effects. In field test, both entomopathogenic bacterial culture broth also enhanced the control efficacy of B. thuringiensis against P. xylostella.
Kim, Jong-Sang;Koh, Sung-Cheol;Lee, Sung-Kyu;Chon, Tae-Soo
Environmental Analysis Health and Toxicology
/
v.14
no.3
/
pp.81-85
/
1999
Diazinon, an organophosphate pesticide, is relatively highly toxic to fish and causes vertebral malformation and behavioral change of fish at relatively low concentrations. To elucidate biochemical mechanism of the behavioral change of Oryzias latipes (killifish) caused by diazinon, the effect of the insecticide on acetylcholine esterase activities and the levels of some neurotransmitters were evaluated. Acetylcholine esterase activities in both head and body were significantly lowered at the concentration of 10 ppb of diazinon and acetylcholine contents in head tended to be upregulated with increasing concentration of diazinon. Exposure of killifish to 5000 ppb diazinon resulted in gradual decrease in acetylcholine content in body part with exposure time. Norepinephrine and serotonin concentrations in killifish head and body were highest at 1000 ppb of diazinon while neurotransmitter were relatively low in fish unexposed or exposed to lower dose of the pesticide, suggesting that increased norepinephrine and serotonin can partially account for diazinon-induced behavioral abnormality.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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