昆蟲(chóng)對(duì)植物源手性氣味的立體選擇性識(shí)別

秦小薇　戈　峰　蘇建偉　周志強(qiáng)

摘要昆蟲(chóng)對(duì)手性植物氣味表現(xiàn)出立體選擇性反應(yīng)和行為，手性識(shí)別影響植物／昆蟲(chóng)的關(guān)系。3種鱗翅目雌蛾對(duì)寄主中(一)—D—杜鵑烯高度敏感和具有高選擇性反應(yīng)。棉鈴蟲(chóng)對(duì)。—蒎烯對(duì)映異構(gòu)體表現(xiàn)出立體選擇性的行為反應(yīng)和記憶。云杉八齒小蠹(Ipsypographus)利用其寄主中的(一)—a蒎烯合成其聚集信息素(S)—Z馬鞭草烯醇。蟲(chóng)癭雄蜂(Antistrophus rufuss)通過(guò)識(shí)別其幼蟲(chóng)危害誘導(dǎo)的手性單萜異構(gòu)體比例作為性信息素尋找雌蜂。

關(guān)鍵詞昆蟲(chóng)；手性氣味；手性識(shí)別；植物／昆蟲(chóng)關(guān)系

中圖分類(lèi)號(hào)Q 965

生命與手性緊密相連。對(duì)映與非對(duì)映異構(gòu)體經(jīng)常表現(xiàn)出不同的生物活性，如手性藥物的對(duì)映體經(jīng)常表現(xiàn)出不同的藥物活性，手性藥物的合成、分析、生物活性、在生物體與環(huán)境中代謝、降解轉(zhuǎn)移被廣泛研究。昆蟲(chóng)信息素的生物活性經(jīng)常表現(xiàn)為立體選擇性。

早在20世紀(jì)初，風(fēng)味與芳香工業(yè)領(lǐng)域的化學(xué)家已認(rèn)識(shí)到某些對(duì)映體如薄荷醇和香芹酮有不同的感官性質(zhì)。同一分子結(jié)構(gòu)的不同對(duì)映體和非對(duì)映體能引起不同的氣味感受，表現(xiàn)為質(zhì)或量或兩者均不同，分別用氣味性質(zhì)和域值來(lái)描述。1961年，Ohloff報(bào)道了第一個(gè)手性氣味的對(duì)映選擇性感受，(+)—β—香茅醇有香茅氣味，而(一)—異構(gòu)體則為老鸛草氣味。至今，至少有600個(gè)(300對(duì))對(duì)映體的氣味特征被描述。人們?cè)谝贿厡ふ倚碌木哂刑禺惙枷銡馕痘衔锏耐瑫r(shí)，一邊研究手性純芳香化合物的氣味性質(zhì)，以求更準(zhǔn)確地定義結(jié)構(gòu)參數(shù)與氣味感受之間的關(guān)系。

本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展，主要系統(tǒng)地介紹植食性昆蟲(chóng)、天敵對(duì)植物源手性氣味的立體選擇性電生理反應(yīng)和行為的特征及其在昆蟲(chóng)／植物關(guān)系的作用，旨在了解昆蟲(chóng)對(duì)植物源手性氣味的選擇特性，為害蟲(chóng)防治提供新的途徑和方法。

1植物氣味的手性特征

萜烯類(lèi)化合物是植物氣味中非常重要的一部分，在植物與昆蟲(chóng)的關(guān)系中起著重要的作用。揮發(fā)性的萜烯類(lèi)化合物主要為單萜和倍半萜。大部分萜烯類(lèi)化合物具旋光活性，許多低級(jí)萜類(lèi)(單萜、倍半萜)在同種植物中常常以一對(duì)或一對(duì)以上的對(duì)映體混合物的形式同時(shí)出現(xiàn)，而三萜以及更高級(jí)萜類(lèi)在同種植物中只有一個(gè)異構(gòu)體。

手性單萜的組成、含量、立體異構(gòu)的比例在種間、種內(nèi)以及植物的不同部位上均有大的差異。歐洲赤松(Pinussylvestris)—門(mén)以及加勒比松(Pinuscaribaea)、熱帶松(Pinustropicalis)、和松樹(shù)(Pinus《ubensis)、Pinusmaestrensis—8)的種內(nèi)個(gè)體間和歐洲赤松”]、歐洲云杉(Piceaabies)各組織部位的手性單萜的組成、含量、對(duì)映體的比例均表現(xiàn)差異。馬尾松(Pinusmassoniana Ismb．)、油松(Pinustabu—laeformis Carr．)、濕地松(Pinuselliottii Engelm．)針葉揮發(fā)物中主要手性單萜的相對(duì)含量與對(duì)映體比例在種間和種內(nèi)也相差較大。

健康和被害植物中手性單萜的構(gòu)成沒(méi)有顯著差異，而含量、立體異構(gòu)的比例有所不同。馬尾松被馬尾松毛蟲(chóng)危害48 h后單萜揮發(fā)物總量下降到與健康的相當(dāng)，但手性單萜的結(jié)構(gòu)比例并沒(méi)有恢復(fù)到健康狀態(tài)。Silphiumlaciniatum l的未受害莖中。—蒎烯、β—蒎烯對(duì)映異構(gòu)體的比例接近50：50，而被蟲(chóng)癭蜂(AntistrophusrH．rufus)危害產(chǎn)生了蟲(chóng)癭的莖中這兩對(duì)對(duì)映異構(gòu)體的比例向兩個(gè)方向偏移較大。Sadof和Grant分析了對(duì)美洲松梢斑螟(Dioryctriazimmermani)敏感和抗性歐洲赤松的手性單萜的組成，但沒(méi)有發(fā)現(xiàn)兩者之間的差異。

2手性識(shí)別的研究方法

植物氣味的收集通常采用動(dòng)態(tài)頂空吸附一溶劑解吸或熱解吸、固相微萃取法、冷阱收集、直接進(jìn)樣分析等，氣相色譜／質(zhì)譜(GC／MS)聯(lián)用技術(shù)是分析植物氣味的組成與含量最常用的方法。手性萜烯的拆分目前通常采用手性毛細(xì)管色譜柱技術(shù)。1981年，Sybilska等發(fā)現(xiàn)用填有用甲酰胺和水飽和的o—環(huán)糊精的氣相柱能拆分開(kāi)a—蒎烯和p—蒎烯。此方法雖然十分有效，但氣相色譜柱中含水，在實(shí)際應(yīng)用中有許多矛盾。根據(jù)此發(fā)現(xiàn)，K6nig等采用烷基化環(huán)糊精作為固定相，發(fā)展了非常有效的拆分單萜的方法。Borg-Karlson等人又發(fā)展了二維氣相色譜法。現(xiàn)在，在以上研究基礎(chǔ)上，商品化的環(huán)糊精衍生物毛細(xì)管手性氣相色譜柱已用在各種萜烯類(lèi)化合物的拆分研究中。使用觸角電位技術(shù)(EAG)或單細(xì)胞記錄(SCR)或兩者與氣相色譜的聯(lián)用技術(shù)測(cè)定昆蟲(chóng)對(duì)氣味的電生理反應(yīng)，采用嗅覺(jué)儀、風(fēng)洞等測(cè)定活性化合物對(duì)昆蟲(chóng)行為的影響，這些技術(shù)為研究手性氣味化合物提供了前提條件，為研究昆蟲(chóng)對(duì)氣味的手性識(shí)別奠定了基礎(chǔ)。

3昆蟲(chóng)對(duì)手性植物氣味的立體選擇性反應(yīng)

無(wú)論是作為昆蟲(chóng)利他素還是互利素，手性單萜在不同的生物體系中表現(xiàn)出不同的生物活性。采用GCSCR技術(shù)，當(dāng)用1 ng的(+)—和(一)—a—蒎烯、(+)—和(一)—檸檬烯以及消旋體刺激歐洲松樹(shù)皮甲(Hylobiusabietis)，消旋體的反應(yīng)頻率為兩個(gè)對(duì)映體反應(yīng)中間值，a—蒎烯對(duì)映體的數(shù)值差距比檸檬烯對(duì)映體大，可能是這種氣味受體對(duì)前者有更高的特異性。Rostelien等首先發(fā)現(xiàn)煙芽夜蛾(He—liothisvirescens)對(duì)多種寄主和非寄主植物中某一特定組分高度敏感和高度選擇，經(jīng)分離鑒定，該組分確定為D-杜鵑烯。進(jìn)一步又發(fā)現(xiàn)棉鈴蟲(chóng)(Helicoverpaarrnigera)和煙青蟲(chóng)(Helicoverpaassulta)對(duì)此倍半萜》杜鵑烯同樣有高度敏感和具有高選擇性的反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)表明3種雌蛾對(duì)(+)—和(-)—D—杜鵑烯都有相似的反應(yīng)，對(duì)后者的反應(yīng)強(qiáng)度為前者的10倍。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)與活性的關(guān)系研究，表明D-杜鵑烯中的十元環(huán)與三個(gè)雙鍵作為富電子中心使其具有觸角電生理活性，而手性碳上的異丙基是其對(duì)映異構(gòu)體在觸角電生理活性上主要區(qū)別的原因。Mozuraitis等采用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，研究了已交配的煙芽夜蛾雌蛾對(duì)添加和未添加。杜鵑烯的煙草的寄主行為反應(yīng)，結(jié)果表明，添加了(一)—D-杜鵑烯的煙草對(duì)煙芽夜蛾雌蛾有更強(qiáng)的吸引作用，且雌蛾在添加了(一)—D—杜鵑烯的煙草上產(chǎn)卵量顯著增加。

當(dāng)化學(xué)混合物質(zhì)在飽和水平刺激時(shí)，對(duì)混合物的EAG反應(yīng)高于單個(gè)化合物，表示不同化合物由不同的受體細(xì)胞所感受。棉鈴蟲(chóng)對(duì)消旋。—蒎烯的EAG反應(yīng)值處在兩個(gè)對(duì)映體反應(yīng)值的中間，在EAG劑量一反應(yīng)中，(一)—a—蒎烯產(chǎn)生的反應(yīng)比(+)—異構(gòu)體更高，行為實(shí)驗(yàn)表明棉鈴蟲(chóng)本能更喜好(+)—a—蒎烯，而有(一)—a—蒎烯學(xué)習(xí)經(jīng)歷棉鈴蟲(chóng)則更

喜好(一)—異構(gòu)體。在EAG實(shí)驗(yàn)中，因?yàn)闆](méi)有增加的反應(yīng)，同一受體細(xì)胞可能同時(shí)接受兩個(gè)異構(gòu)體，單細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這個(gè)猜想，這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Stranden等的一致，D—杜鵑烯的兩個(gè)對(duì)映體也是由同一個(gè)細(xì)胞受體接受。在EAG劑量一反應(yīng)中，(一)—a—a-蒎烯產(chǎn)生的反應(yīng)比(+)—異構(gòu)體更高，這可能的解釋是(+)—異構(gòu)體與多數(shù)感覺(jué)器中分子受體結(jié)合更為有效。棉鈴蟲(chóng)能識(shí)別。—蒎烯的兩個(gè)異構(gòu)體，否則學(xué)習(xí)經(jīng)歷不會(huì)改變他的喜好性。這種對(duì)(+)—?！逑┍灸艿男袨橄埠门c我們的知覺(jué)相反，因(+)—異構(gòu)體的EAG活性比(一)—異構(gòu)體小，這個(gè)結(jié)果表明行為反應(yīng)并不總是建立在高的EAG活性的化合物上，因行為的決定過(guò)程是非常復(fù)雜的。由于經(jīng)歷使棉鈴蟲(chóng)對(duì)(一)—a—蒎烯的喜好性增加，一個(gè)可能的解釋是同一個(gè)受體對(duì)對(duì)映體的識(shí)別是通過(guò)濃度效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

昆蟲(chóng)信息素與植物揮發(fā)物的協(xié)同作用已有一些研究，而來(lái)自寄主植物揮發(fā)物一對(duì)對(duì)映異構(gòu)體如何影響昆蟲(chóng)對(duì)信息素的反應(yīng)?Erbilgin和Raffa發(fā)現(xiàn)一些寄主單萜抑制了云杉松齒小蠹(1pspzm，)對(duì)集聚信息素的反應(yīng)，而(一)—a—蒎烯加強(qiáng)了南部松齒小蠹(1psgrandicollis)對(duì)聚集信息素的反應(yīng)，而別的寄主單萜物質(zhì)則同樣表現(xiàn)出抑制作用。這兩種小蠹取食的針葉樹(shù)寄主植物的揮發(fā)物主要為單萜化合物，該單萜本身并不吸引害蟲(chóng)的天敵，但它可強(qiáng)烈影響天敵對(duì)這兩種害蟲(chóng)信息素的感受作用。其中(+)—a—蒎烯使3種天敵對(duì)云杉松齒小蠹信息素的反應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)的增效作用，而(一)—a—蒎烯則使3種天敵對(duì)南部松齒小蠹信息素的反應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)的增效作用。

4昆蟲(chóng)對(duì)手性植物次生物的選擇和利用

某些昆蟲(chóng)對(duì)手性植物次生物進(jìn)行代謝轉(zhuǎn)化和利用，一個(gè)非常重要例子是云杉八齒小蠹(1ps ty—pographus)與其寄主歐洲云杉之間的相互關(guān)系。當(dāng)雌性云杉八齒小蠹被揮發(fā)物吸引到寄主上，將寄主上(一)—a—蒎烯轉(zhuǎn)化為(S)—Z—馬鞭草烯醇，它是這種小蠹集聚信息素的一活性成分。該聚集信息素又進(jìn)一步將遠(yuǎn)處的雌與雄性個(gè)體聚集吸引到適合的寄主上。這種轉(zhuǎn)換是腸道中的微生物將(一)—a—蒎烯轉(zhuǎn)化為它的聚集信息素(S)—Z—馬鞭草烯醇。當(dāng)寄主植物韌皮部手性單萜的立體異構(gòu)中(一)—a—蒎烯含量較高時(shí)，昆蟲(chóng)體內(nèi)Z—馬鞭草烯醇形成，而當(dāng)寄主植物韌皮部手性單萜的立體異構(gòu)中(+)—a—蒎烯含量較高，昆蟲(chóng)體內(nèi)E—馬鞭草烯醇形成，但后者不是聚集素，它反而似乎有抑制聚集的作用。由于只有(一)—a—蒎烯才能被云杉八齒小蠹轉(zhuǎn)化為聚集信息素(S)—Z—馬鞭草烯醇，顯然，含有更多的手性單萜立體異構(gòu)(一)—a—蒎烯云杉(挪威的歐洲云杉)更易遭到小蠹襲擊，而如果當(dāng)樹(shù)韌皮部揮發(fā)物中的(一)—a—蒎烯沒(méi)有或較少(瑞典的歐洲赤松)，則對(duì)小蠹有抗性或抑制作用。此外，Silphiumacinia—turn l的莖被蟲(chóng)癭蜂(AntistrophHJrufus)幼蟲(chóng)危害后單萜對(duì)映異構(gòu)體的比例發(fā)生改變。蟲(chóng)癭雄蜂可通過(guò)識(shí)別其幼蟲(chóng)危害所誘導(dǎo)的揮發(fā)物作為性信息素尋找雌蜂。采用人工合成的分別模擬被害和未被害的植物揮發(fā)物，發(fā)現(xiàn)雄峰能明顯識(shí)別蟲(chóng)癭揮發(fā)物，在模擬的蟲(chóng)癭揮發(fā)物上停留更多的時(shí)間，而對(duì)溶劑對(duì)照和未受害反應(yīng)弱。

5結(jié)論和展望

已有的研究表明，植物氣味由不同的立體異構(gòu)組成，蟲(chóng)害損傷誘導(dǎo)植物立體組成發(fā)生改變，昆蟲(chóng)對(duì)手性氣味表現(xiàn)出立體選擇性，并影響著昆蟲(chóng)與植物間的相互作用。通過(guò)電生理和行為實(shí)驗(yàn)，篩選出對(duì)害蟲(chóng)有引誘和驅(qū)避作用的化學(xué)物質(zhì)，可為害蟲(chóng)防治提供新方法和思路。

昆蟲(chóng)對(duì)手性氣味異構(gòu)體的表現(xiàn)出不同的反應(yīng)，其反應(yīng)機(jī)制是什么?這有待進(jìn)一步探討，以手性植物氣味分子作為探針研究昆蟲(chóng)化學(xué)感受機(jī)制是一有效和科學(xué)的方法。

研究植物生物合成，不僅可以獲得有機(jī)合成中所需要的酶以合成高純度的手性化合物，還可以有目的地控制植物次生物的組成與含量，改變或提高植物對(duì)害蟲(chóng)的抗性，這在害蟲(chóng)防治上有重要意義。