昆蟲信息素與寄主揮發(fā)物在綠色防控中的關(guān)系及研究進展

鞏雪芳，謝壽安*，車顯榮，呂淑杰，呂 妮

( 1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊陵 712100；2.榆林市林業(yè)工作站，陜西 榆林 719000)

1 昆蟲信息素與寄主揮發(fā)物的概況

1.1 昆蟲信息素與寄主揮發(fā)物種類

昆蟲信息素(pheromone)作為種內(nèi)或種間個體信息傳遞的微量行為活動調(diào)控物質(zhì)，主要是由昆蟲自身產(chǎn)生并通過各腺體釋放到外界，故又稱昆蟲外激素。根據(jù)其作用不同，主要分為聚集信息素、示蹤信息素、性信息素和告警信息素[1]。性信息素在家蠶雌蛾中最早發(fā)現(xiàn)，由雌蛾位于遠端的腹部末端信息素腺體產(chǎn)生并釋放[2]。在不同昆蟲種群之間與其他生物間也存在著傳遞信息的信號物質(zhì)，即種間信息化學(xué)物質(zhì)，簡稱種間素，分為利己素、利他素和協(xié)同素等[3]。

寄主揮發(fā)物即植物在各種條件下釋放的揮發(fā)性信息化學(xué)物質(zhì)。主要包含植物在自然狀態(tài)時植物自身主動釋放的揮發(fā)物和經(jīng)蟲害誘導(dǎo)之后被動釋放的揮發(fā)物[4]。植物揮發(fā)物還可以分為普通植物揮發(fā)物和特殊氣味揮發(fā)物兩類，普通植物揮發(fā)物絕大部分植物都含有，6個C原子的直鏈醇、醛、不飽和脂肪酸、脂類及萜烯類化合物等[5]；另外也存在一些只被某種植物或某一類植物所特有的特殊氣味物質(zhì)，如在十字花科植物代謝過程中，芥子油苷裂解形成后所釋放出的異六氰酸烯丙酯，李樹中的野黑櫻苷裂解形成的苯甲醛等[6]。已有研究顯示，在自然狀態(tài)下植物自身主動釋放的揮發(fā)物對植食性昆蟲寄主定位及選擇發(fā)揮著重要作用，而這一過程中對寄主植物進行識別的主要是植食性昆蟲的嗅覺感受器[7]。

1.2 昆蟲信息素與寄主揮發(fā)物的提取分離及結(jié)構(gòu)鑒定

昆蟲信息素主要是通過溶劑提取法、吸附法、直接進樣法等揮發(fā)物提取方法進行提取分離[8]，之后通過氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)進行相對含量分析。2016年張勝男等人[8]分別采用這3種信息素提取方法對黃野螟性信息素進行粗提分析，結(jié)果表明：溶劑提取法采集到的樣本揮發(fā)物所含雜質(zhì)最少、物質(zhì)峰分離好、工作量也較小，有助于儀器分析和識別，但是需要較多的供試?yán)ハx樣本，吸附法則需樣本較少?？芍@三種提取信息素的方法各有優(yōu)缺點，互補性較強。

植物揮發(fā)物的采集常見方法有頂空分析法、溶劑提取法、固相微萃取、水蒸氣蒸餾法、液氮冷凝法等[9-10]。2016年袁麗芳等人采用固相微萃取法和頂空吸附法分別從花椒健康植株和受花椒窄吉丁危害后的植株葉片、嫩枝(一年生)和樹皮中提取得到花椒窄吉丁寄主揮發(fā)物[11]。目前，也有學(xué)者對不同地區(qū)健康植株或部分昆蟲危害的云南松松針揮發(fā)性物質(zhì)主要成分進行了研究。結(jié)果表明，蟲害誘導(dǎo)的植物揮發(fā)物可以引誘植食性昆蟲的天敵[12]。

目前已知的90%以上的昆蟲性信息素均為碳鏈長度為C12、C14、C16的長鏈不飽和醇、醛、酮或醋酸酯，分子量范圍分布在158～308之間的化合物[13]。多通道電生理記錄(multi-unit recording，MR)可以根據(jù)多個部位的放電模式以及刺激和記錄的同步性推斷神經(jīng)元性質(zhì)以及之間的功能聯(lián)系[14]。MR與氣相色譜聯(lián)用(GC-MR)可應(yīng)用于廣譜性氣味識別中的活性組分鑒定[15]。Byers等不僅成功鑒定出煙草天蛾寄主植物曼陀羅提取液中的活性成分[16]；Byers等也鑒定出了熊蜂寄主植物彩艷龍頭花提取液中的活性物質(zhì)[17]。

2 信息化合物的生物合成及昆蟲感受機制

2.1 昆蟲信息素的生物合成的前體

昆蟲信息素的生物合成前體物質(zhì)即在其體內(nèi)用來合成信息素的中間體或起始原料，按其來源大致分為兩類，一種是來自于昆蟲的寄主植物，另一種則是昆蟲利用特殊腺體組織中的類脂體[18]。已發(fā)現(xiàn)粉斑螟的四種主要信息素合成前體物質(zhì)為十四碳烯酸、反，14-十六碳烯酸、反，12-十四碳烯酸、順，9-反，12-十四碳烯酸[19]。近年來人們發(fā)現(xiàn)在植物中[20]和微生物細胞等場所均能產(chǎn)生信息素[21]，已知的昆蟲信息素的種類超過了2 000種[22]，蛾類信息素一般包括由部分16C-18C的脂肪酸合成的10C-16C的化合物，包含許多的短鏈反應(yīng)[23]，如飛蛾信息素前體為脂肪酸，而脂肪醇可以通過與昆蟲信息素相關(guān)基因的異源表達來產(chǎn)生[1]。目前對許多蛾類信息素的生物合成途徑已經(jīng)被深入研究，并且在了解這些揮發(fā)物合成方面取得了很大的進展[24-25]，在生物系統(tǒng)中合成并廣泛用于害蟲防治。

2.2 昆蟲對寄主揮發(fā)物與昆蟲信息素的感受機制

在1832年人們發(fā)現(xiàn)昆蟲雌、雄兩性之間存在著性引誘現(xiàn)象。性信息素發(fā)達的昆蟲其接受者觸角較釋放者更加發(fā)達，具有顯著的性二型現(xiàn)象[26]。昆蟲感受信息物質(zhì)的主要器官是觸角，通過對氣味信息素的感知，昆蟲可以從環(huán)境中快速有效地獲取交配對象、食物源、產(chǎn)卵寄主、棲息地等對其繁衍生存至關(guān)重要的信息[27]。如家蠶雄蟲能捕獲到雌蛾釋放到空氣中的單個性信息素分子，以此獲得有效的交配信息[28]，雄性由位于觸角上的毛形感受器的嗅覺受體神經(jīng)元(ORNs)專一性地接收和響應(yīng)雌性性信息素，引起嗅覺反應(yīng)[29]。

昆蟲的嗅覺感受器功能與其構(gòu)造有著密切的關(guān)聯(lián)，昆蟲嗅覺感受器主要分布在觸角、下顎須等器官上，從形態(tài)上來看主要包括三類：毛形感受器、錐形感受器和腔錐形感受器[30]。國內(nèi)對昆蟲觸角感器的研究目前主要集中于膜翅目、鞘翅目、直翅目、同翅目、半翅目、雙翅目和纓翅目等昆蟲[31-32]。鞘翅目天?？?、小蠹科、金龜科、步甲科等研究較多[33]。研究發(fā)現(xiàn)，昆蟲嗅覺感受器準(zhǔn)確接收到化學(xué)感受信號，將其轉(zhuǎn)換為電信號，再傳入腦內(nèi)高級神經(jīng)系統(tǒng)。高級神經(jīng)系統(tǒng)對所有的氣味信號進行整合后，從而引起昆蟲特定的行為反應(yīng)[34]。昆蟲對氣味的識別主要涉及氣味結(jié)合蛋白(OBPs)、氣味受體(ORs)、氣味降解酶(ODEs)、離子型受體(IRs)以及感覺神經(jīng)元膜蛋白(SNMPs)[35]。

在昆蟲界，氣味結(jié)合蛋白和化學(xué)感受蛋白與昆蟲的嗅覺及化學(xué)感受交流有關(guān)[36]。與信息素結(jié)合和轉(zhuǎn)運有關(guān)的特定氣味結(jié)合蛋白稱為信息素結(jié)合蛋白[37]。氣味結(jié)合蛋白的功能是使疏水性的氣味分子溶解在含水的神經(jīng)樹突周圍，保護它們被“分解酯酶”在淋巴液中循環(huán)流通[38]。此外，氣味結(jié)合蛋白傳遞氣味刺激物分子到特定的氣味受體通過釋放氣味接近膜結(jié)構(gòu)交流[39]。因為氣味物質(zhì)普遍具有較強的疏水性，自身不能穿過水性液，必須借助于載體蛋白，這種載體蛋白被稱為氣味結(jié)合蛋白(OBP)。自1981年Vogt和Riddiford鑒定出第一個昆蟲OBP以來，至目前為止已有很多種昆蟲OBP得以分離鑒定，包括蛾類、白蟻、果蠅、蚊等類群[40-42]，它存在于昆蟲的嗅覺感受器淋巴液內(nèi)，有普通氣味結(jié)合蛋白(GOBP)和信息素結(jié)合蛋白(PBP)。

氣味結(jié)合蛋白位于昆蟲嗅覺感受細胞樹突周圍的感覺器腔內(nèi)[43-44]，主要功能是與氣味分子結(jié)合，從而增加其水溶性，同時將它們運送至受體位點[45-46]。氣味結(jié)合蛋白由Vogt和Riddiford首次報道[47]。吳少英等人2005年根據(jù)已經(jīng)報道的棉鈴蟲普通氣味結(jié)合蛋白Ⅰ和性信息素結(jié)合蛋白基因的cDNA序列，獲得重組蛋白，經(jīng)序列測定和結(jié)構(gòu)分析，表明具有昆蟲氣味結(jié)合蛋白的典型特征[48]，馮一璐等人采用同樣的方法在2016年得到了一個茶尺蠖的PBP2基因[49]。

近年來大量研究表明，OBPs除在觸角中高豐度表達外，還在下唇須、喙、口針、腹、足、翅、腹管、性腺等組織中表達，表明OBPs除具有嗅覺生理功能外，還參與昆蟲生命活動中其他更為復(fù)雜的生理過程[50-52]。隨著進入21世紀(jì)后分子生物學(xué)的不斷發(fā)展，已在岡比亞按蚊[53]、黑腹果蠅[54]、豌豆蚜[55]、大猿葉甲[56]、松墨天牛[57]、銅綠麗金龜[58]、谷蠹[59]、二化螟[60]、棉鈴蟲[61]等多種昆蟲觸角中鑒定到大量的OBPs基因，為昆蟲嗅覺機制的研究奠定了基礎(chǔ)。組織表達分析是預(yù)測基因功能的一個重要方法[62]，谷少華等人在2013年通過克隆和表達一個新的苜蓿盲蝽氣味結(jié)合蛋白(AlinOBP3)，采用qPCR方法解析其表達譜，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，AlinOBP3在苜蓿盲蝽的觸角中以較高含量表達。推測其可能是苜蓿盲蝽性信息素結(jié)合蛋白，在感受植物揮發(fā)物和性信息素的過程中起著雙重作用[63]。

昆蟲源揮發(fā)物的活性測定與植物源揮發(fā)物的活性測定方法主要分為觸角電位反應(yīng)(EAG)測定和嗅覺行為反應(yīng)測定及野外試驗，是已被廣泛應(yīng)用的研究方法[64-66]。EAG不僅可以很好地模擬神經(jīng)的各種興奮和傳導(dǎo)特性，而且能定量描述氣味物質(zhì)的作用機理，具有快速靈敏、用蟲量少、所需化合物微量等特點，是對活性物質(zhì)進行定性檢測的有效手段[67]。昆蟲識別性信息素的過程需要有昆蟲性信息素結(jié)合蛋白及性信息素受體蛋白的參與[68]，形成的聚合物穿過淋巴液再與神經(jīng)細胞樹突膜上的性信息素受體結(jié)合，刺激嗅覺神經(jīng)元產(chǎn)生動作電位，將攜帶的化學(xué)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，整合之后傳入大腦引起昆蟲的響應(yīng)[69]。在整個感受過程中，主要由氣味結(jié)合蛋白完成對氣味分子的特異性識別，很可能對氣味物質(zhì)進行選擇性運輸[70]。

3 寄主揮發(fā)物與昆蟲信息素的相互作用

3.1 植物揮發(fā)物與昆蟲信息素的相互關(guān)系

植物與昆蟲協(xié)同進化過程中，植物源揮發(fā)物對昆蟲的生理及行為活動均有影響[13]。研究表明，某些寄主揮發(fā)物與昆蟲信息素復(fù)配使用，能夠顯著增強引誘力[71]。但植物源揮發(fā)物對昆蟲信息素除有增效作用外兩者之間可能還具有以下相互關(guān)系：(1)Raina等1992年發(fā)現(xiàn)，玉米穗絲和番茄果實釋放的揮發(fā)物均能夠刺激野生美洲棉鈴蟲性信息素的合成及釋放[72]，說明寄主植物揮發(fā)物能夠刺激昆蟲信息素的合成和釋放速率。(2)蛾類通過提前攝入寄主植物釋放的揮發(fā)性物質(zhì)或取食寄主植物，經(jīng)過體內(nèi)系列反應(yīng)后能夠成功合成性信息素前體物[73]，說明寄主揮發(fā)物在昆蟲信息素合成與轉(zhuǎn)化過程均發(fā)揮著重要的作用。(3)寄主植物所含化合物與昆蟲信息素種類密切相關(guān)[71]。(4)寄主揮發(fā)物能影響昆蟲的定向、生殖行為，對其求偶、交配活動有明顯的調(diào)節(jié)作用[71,74]。因而植物揮發(fā)物與昆蟲信息素協(xié)同調(diào)控昆蟲的定向、求偶等行為[75]。

3.2 寄主揮發(fā)物對昆蟲信息素的增效作用

最早報道的具有增效作用的寄主揮發(fā)物是α-蒎烯，它能刺激甲蟲對寄主植物的攻擊[76]。1990年Landolt和Heath曾報道當(dāng)存在寄主氣味時[77]，可顯著提高粉紋夜蛾雄性信息素對雌蛾的引誘力。2004年Deng等人報道了植物源氣味反，-2-己烯醛、苯乙醛、順，-3-己烯乙酸酯、順，3-己烯醇在田間對甜菜夜蛾性信息素的顯著增效作用[78]表明寄主揮發(fā)物與性信息素組合使用，引誘力顯著強于各自單獨使用?？嚅瑩]發(fā)物和聚集信息素復(fù)配使用，對光肩星天牛和星天牛都顯示出比兩者單獨使用更高的誘捕效果[13]。

鞘翅目昆蟲類(甲殼蟲和象甲科)還有鱗翅類昆蟲(蛾類和蝴蝶類)昆蟲的數(shù)量是最多的也是地球上物種最豐富的昆蟲[79]，鞘翅目昆蟲天牛也有類似報道，如用性信息素以及寄主揮發(fā)物兩者復(fù)配，比較對柳杉紋虎天牛林間引誘力，發(fā)現(xiàn)寄主信息素與性信息素混合使用引誘效果最好，性信息素(3-羥-2-己酮和3-羥-2-辛酮)引誘效果最低；寄主信息素(甲基苯甲酸酯)次之[80]。此外，植物源揮發(fā)物對蚜蟲報警信息素也有增效作用。許多蚜蟲的報警信息素成分經(jīng)鑒定均為反β-法尼烯(EBF)，但有些蚜蟲必須在EBF與某些植物揮發(fā)物復(fù)配時才表現(xiàn)出強烈而完全的報警反應(yīng)[81]。在EBF中加入異硫氰酸酯，蘿卜蚜的報警反應(yīng)大增[81,82]。蛾類化學(xué)通訊是交配前的一個主要因素，性信息素是生殖和交配行為的基礎(chǔ)。2015年于海利等人通過對比不同劑量的乙酸葉醇酯田間誘蛾量，發(fā)現(xiàn)30μg的乙酸葉醇酯制成的增效誘芯能顯著提高性信息素對梨小食心蟲的誘捕能力[83]。在這些昆蟲中，嗅覺在不同的水平上被充分利用，從一開始在邊緣處接受配體，處理在觸角的腦葉信號，在大腦處理中心嗅覺信號與其他感官形式融合，最后是嗅覺信號行為的再現(xiàn)[84]。

3.3 寄主揮發(fā)物對昆蟲信息素的作用機制

寄主揮發(fā)物與昆蟲信息素結(jié)合能夠給昆蟲提供更為復(fù)雜和完全的信息，不僅包括同種存在還包括適宜寄主存在[85]。章魚胺(octopamine, OA)首先發(fā)現(xiàn)于章魚的唾腺中，作用于ATP酶，從而引發(fā)上皮電位的自發(fā)震蕩[86]。然而，昆蟲的一些行為測定和分子水平的觀察結(jié)果是相反的，2012年Chaffiol等發(fā)現(xiàn)行為測試中植物源揮發(fā)物對小地老虎性細膩習(xí)俗具有顯著增效作用[87]。2009年沈幼蓮等發(fā)現(xiàn)，苯乙醛在一定劑量(每個誘芯加入0.4mg)時，能顯著增強斜紋夜蛾性信息素的引誘力，高劑量使用時則表現(xiàn)出強烈的抑制效果[88]，說明寄主揮發(fā)物對昆蟲信息素的抑制作用與化合物的種類和濃度還有著密切關(guān)聯(lián)[89]。

4 綠色防控技術(shù)在害蟲防治中的研究進展及前景

自20世紀(jì)50年代以來隨著化學(xué)農(nóng)藥濫用，已引起了一系列嚴(yán)重的社會性問題。近年來，我國林業(yè)有害生物發(fā)生面積逐年遞增，年均發(fā)生7 333.33 hm2[90]，嚴(yán)重威脅著我國森林資源的質(zhì)量和安全、治沙造林成果、珍稀瀕危昆蟲物種的保護以及生態(tài)環(huán)境的改善和林業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。國外早在1966年首次從加州十齒小蠹雄蟲的糞便中鑒定出了其信息素小蠹烯醇、順-馬鞭草烯醇和小蠹二烯醇[91]，從而揭開了森林害蟲信息素及其應(yīng)用研究的大門。進入21世紀(jì)后，隨著昆蟲化學(xué)生態(tài)學(xué)與分子生物學(xué)研究的深入及其他多學(xué)科間的相互滲透，昆蟲信息素與寄主揮發(fā)物的研究技術(shù)已相對成熟，其基本程序包括信息化合物組分的提取與分離、活性組分捕捉、活性組分結(jié)構(gòu)及相對含量鑒定[92]、生物活性測定、生物合成、人工合成及田間應(yīng)用技術(shù)推廣，感受機制原理的深入探究包括基因克隆、測序、蛋白表達及其功能研究等[93]。

寄主植物揮發(fā)物與昆蟲釋放的化學(xué)信息素，可以成為更安全有效的新型害蟲驅(qū)避劑、引誘劑等，利用昆蟲信息素，使得害蟲不能識別食物源和定向產(chǎn)卵目標(biāo)等，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)均具有深遠的影響，顯然綠色防控技術(shù)在害蟲防治中占據(jù)著一定的重要性及優(yōu)越性。如利用性信息素可以干擾有害昆蟲雌雄之間的交配，大大降低害蟲的繁殖量[94]；利用聚集信息素，可以實現(xiàn)將害蟲聚集在一個地方產(chǎn)卵或進行綠色防治[95]，有利于今后的珍稀瀕危物種保護研究。在森林害蟲的綜合治理中，復(fù)配使用昆蟲信息素和寄主植物揮發(fā)物能夠減少大量使用化學(xué)農(nóng)藥所造成的環(huán)境污染、害蟲產(chǎn)生抗性以及殺傷天敵、次要害蟲暴發(fā)和害蟲再猖獗發(fā)生，是防治害蟲的有效手段。

在過去10～15 a間，國外學(xué)者調(diào)查顯示[96]，生物多樣性保護研究顯然已成為了一個日益重要的全球熱點問題，而只有很少一些昆蟲信息素被用于生物多樣性和保護研究，包括信息素的鑒別和種群監(jiān)測應(yīng)用。讓昆蟲種群數(shù)量顯著增加的最有效的方法是利用信息素或其他化學(xué)信息素作為引誘劑，這種方法已經(jīng)長期運用于檢測、監(jiān)測和控制害蟲[97]，包括引入入侵物種。這就顯得探究寄主植物揮發(fā)物與昆蟲信息素相互作用及機理至關(guān)重要了。國內(nèi)近年來對信息化學(xué)物質(zhì)的研究多集中在害蟲的監(jiān)測與防控，生物多樣性保護方面的意識仍比較淡薄，將信息化學(xué)和物質(zhì)的研究拓展到珍稀瀕危的昆蟲物種上顯得尤為迫切。

今后在昆蟲信息素鑒定研究中，尤其是針對信息素組分鑒定困難的昆蟲，可參照分類地位相近的昆蟲獲取大致的信息素組分信息，通過開展觸角電位反應(yīng)(篩選)、室內(nèi)趨向反應(yīng)和田間誘捕(選誘)，明確待鑒定昆蟲信息素組分類型及其與昆蟲寄主揮發(fā)物的最佳配比，以加快信息素結(jié)構(gòu)鑒定的進程，推動信息物質(zhì)對害蟲的防控?？偠灾ハx信息素與寄主揮發(fā)物的研究仍處于初始階段，目前，國內(nèi)對鱗翅目蛾類、鞘翅目天牛及金龜類等少數(shù)農(nóng)林害蟲信息素組成及信息素田間誘捕效果、感受信息化合物的機制及基因表達等分子生物學(xué)研究較為深入。但是對于其他珍稀瀕危物種、衛(wèi)生、倉儲、經(jīng)濟、藥用等昆蟲的信息素與其寄主揮發(fā)物的研究急需繼續(xù)拓展。為了取得更加深入的研究進展，還需國內(nèi)外研究者共同努力，以期能夠更加精準(zhǔn)地探究更多種昆蟲的信息素與寄主揮發(fā)物的相互作用，同時應(yīng)用于全球生物多樣性保護，從而造福全人類。