昆蟲對植物源手性氣味的立體選擇性識別

秦小薇　戈　峰　蘇建偉　周志強

摘要昆蟲對手性植物氣味表現出立體選擇性反應和行為，手性識別影響植物／昆蟲的關系。3種鱗翅目雌蛾對寄主中(一)—D—杜鵑烯高度敏感和具有高選擇性反應。棉鈴蟲對。—蒎烯對映異構體表現出立體選擇性的行為反應和記憶。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。蟲癭雄蜂(Antistrophus rufuss)通過識別其幼蟲危害誘導的手性單萜異構體比例作為性信息素尋找雌蜂。

關鍵詞昆蟲；手性氣味；手性識別；植物／昆蟲關系

中圖分類號Q 965

生命與手性緊密相連。對映與非對映異構體經常表現出不同的生物活性，如手性藥物的對映體經常表現出不同的藥物活性，手性藥物的合成、分析、生物活性、在生物體與環境中代謝、降解轉移被廣泛研究。昆蟲信息素的生物活性經常表現為立體選擇性。

早在20世紀初，風味與芳香工業領域的化學家已認識到某些對映體如薄荷醇和香芹酮有不同的感官性質。同一分子結構的不同對映體和非對映體能引起不同的氣味感受，表現為質或量或兩者均不同，分別用氣味性質和域值來描述。1961年，Ohloff報道了第一個手性氣味的對映選擇性感受，(+)—β—香茅醇有香茅氣味，而(一)—異構體則為老鸛草氣味。至今，至少有600個(300對)對映體的氣味特征被描述。人們在一邊尋找新的具有特異芳香氣味化合物的同時，一邊研究手性純芳香化合物的氣味性質，以求更準確地定義結構參數與氣味感受之間的關系。

本文根據國內外的研究進展，主要系統地介紹植食性昆蟲、天敵對植物源手性氣味的立體選擇性電生理反應和行為的特征及其在昆蟲／植物關系的作用，旨在了解昆蟲對植物源手性氣味的選擇特性，為害蟲防治提供新的途徑和方法。

1植物氣味的手性特征

萜烯類化合物是植物氣味中非常重要的一部分，在植物與昆蟲的關系中起著重要的作用。揮發性的萜烯類化合物主要為單萜和倍半萜。大部分萜烯類化合物具旋光活性，許多低級萜類(單萜、倍半萜)在同種植物中常常以一對或一對以上的對映體混合物的形式同時出現，而三萜以及更高級萜類在同種植物中只有一個異構體。

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

健康和被害植物中手性單萜的構成沒有顯著差異，而含量、立體異構的比例有所不同。馬尾松被馬尾松毛蟲危害48 h后單萜揮發物總量下降到與健康的相當，但手性單萜的結構比例并沒有恢復到健康狀態。Silphiumlaciniatum l的未受害莖中。—蒎烯、β—蒎烯對映異構體的比例接近50：50，而被蟲癭蜂(AntistrophusrH．rufus)危害產生了蟲癭的莖中這兩對對映異構體的比例向兩個方向偏移較大。Sadof和Grant分析了對美洲松梢斑螟(Dioryctriazimmermani)敏感和抗性歐洲赤松的手性單萜的組成，但沒有發現兩者之間的差異。

2手性識別的研究方法

植物氣味的收集通常采用動態頂空吸附一溶劑解吸或熱解吸、固相微萃取法、冷阱收集、直接進樣分析等，氣相色譜／質譜(GC／MS)聯用技術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管色譜柱技術。1981年，Sybilska等發現用填有用甲酰胺和水飽和的o—環糊精的氣相柱能拆分開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，在實際應用中有許多矛盾。根據此發現，K6nig等采用烷基化環糊精作為固定相，發展了非常有效的拆分單萜的方法。Borg-Karlson等人又發展了二維氣相色譜法。現在，在以上研究基礎上，商品化的環糊精衍生物毛細管手性氣相色譜柱已用在各種萜烯類化合物的拆分研究中。使用觸角電位技術(EAG)或單細胞記錄(SCR)或兩者與氣相色譜的聯用技術測定昆蟲對氣味的電生理反應，采用嗅覺儀、風洞等測定活性化合物對昆蟲行為的影響，這些技術為研究手性氣味化合物提供了前提條件，為研究昆蟲對氣味的手性識別奠定了基礎。

3昆蟲對手性植物氣味的立體選擇性反應

無論是作為昆蟲利他素還是互利素，手性單萜在不同的生物體系中表現出不同的生物活性。采用GCSCR技術，當用1 ng的(+)—和(一)—a—蒎烯、(+)—和(一)—檸檬烯以及消旋體刺激歐洲松樹皮甲(Hylobiusabietis)，消旋體的反應頻率為兩個對映體反應中間值，a—蒎烯對映體的數值差距比檸檬烯對映體大，可能是這種氣味受體對前者有更高的特異性。Rostelien等首先發現煙芽夜蛾(He—liothisvirescens)對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，經分離鑒定，該組分確定為D-杜鵑烯。進一步又發現棉鈴蟲(Helicoverpaarrnigera)和煙青蟲(Helicoverpaassulta)對此倍半萜》杜鵑烯同樣有高度敏感和具有高選擇性的反應，實驗表明3種雌蛾對(+)—和(-)—D—杜鵑烯都有相似的反應，對后者的反應強度為前者的10倍。通過對結構與活性的關系研究，表明D-杜鵑烯中的十元環與三個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映異構體在觸角電生理活性上主要區別的原因。Mozuraitis等采用風洞實驗，研究了已交配的煙芽夜蛾雌蛾對添加和未添加。杜鵑烯的煙草的寄主行為反應，結果表明，添加了(一)—D-杜鵑烯的煙草對煙芽夜蛾雌蛾有更強的吸引作用，且雌蛾在添加了(一)—D—杜鵑烯的煙草上產卵量顯著增加。

當化學混合物質在飽和水平刺激時，對混合物的EAG反應高于單個化合物，表示不同化合物由不同的受體細胞所感受。棉鈴蟲對消旋。—蒎烯的EAG反應值處在兩個對映體反應值的中間，在EAG劑量一反應中，(一)—a—蒎烯產生的反應比(+)—異構體更高，行為實驗表明棉鈴蟲本能更喜好(+)—a—蒎烯，而有(一)—a—蒎烯學習經歷棉鈴蟲則更

喜好(一)—異構體。在EAG實驗中，因為沒有增加的反應，同一受體細胞可能同時接受兩個異構體，單細胞實驗證實了這個猜想，這個實驗結果與Stranden等的一致，D—杜鵑烯的兩個對映體也是由同一個細胞受體接受。在EAG劑量一反應中，(一)—a—a-蒎烯產生的反應比(+)—異構體更高，這可能的解釋是(+)—異構體與多數感覺器中分子受體結合更為有效。棉鈴蟲能識別。—蒎烯的兩個異構體，否則學習經歷不會改變他的喜好性。這種對(+)—。—蒎烯本能的行為喜好與我們的知覺相反，因(+)—異構體的EAG活性比(一)—異構體小，這個結果表明行為反應并不總是建立在高的EAG活性的化合物上，因行為的決定過程是非常復雜的。由于經歷使棉鈴蟲對(一)—a—蒎烯的喜好性增加，一個可能的解釋是同一個受體對對映體的識別是通過濃度效應來實現的。

昆蟲信息素與植物揮發物的協同作用已有一些研究，而來自寄主植物揮發物一對對映異構體如何影響昆蟲對信息素的反應?Erbilgin和Raffa發現一些寄主單萜抑制了云杉松齒小蠹(1pspzm，)對集聚信息素的反應，而(一)—a—蒎烯加強了南部松齒小蠹(1psgrandicollis)對聚集信息素的反應，而別的寄主單萜物質則同樣表現出抑制作用。這兩種小蠹取食的針葉樹寄主植物的揮發物主要為單萜化合物，該單萜本身并不吸引害蟲的天敵，但它可強烈影響天敵對這兩種害蟲信息素的感受作用。其中(+)—a—蒎烯使3種天敵對云杉松齒小蠹信息素的反應產生強的增效作用，而(一)—a—蒎烯則使3種天敵對南部松齒小蠹信息素的反應產生強的增效作用。

4昆蟲對手性植物次生物的選擇和利用

某些昆蟲對手性植物次生物進行代謝轉化和利用，一個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系。當雌性云杉八齒小蠹被揮發物吸引到寄主上，將寄主上(一)—a—蒎烯轉化為(S)—Z—馬鞭草烯醇，它是這種小蠹集聚信息素的一活性成分。該聚集信息素又進一步將遠處的雌與雄性個體聚集吸引到適合的寄主上。這種轉換是腸道中的微生物將(一)—a—蒎烯轉化為它的聚集信息素(S)—Z—馬鞭草烯醇。當寄主植物韌皮部手性單萜的立體異構中(一)—a—蒎烯含量較高時，昆蟲體內Z—馬鞭草烯醇形成，而當寄主植物韌皮部手性單萜的立體異構中(+)—a—蒎烯含量較高，昆蟲體內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(一)—a—蒎烯云杉(挪威的歐洲云杉)更易遭到小蠹襲擊，而如果當樹韌皮部揮發物中的(一)—a—蒎烯沒有或較少(瑞典的歐洲赤松)，則對小蠹有抗性或抑制作用。此外，Silphiumacinia—turn l的莖被蟲癭蜂(AntistrophHJrufus)幼蟲危害后單萜對映異構體的比例發生改變。蟲癭雄蜂可通過識別其幼蟲危害所誘導的揮發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物，發現雄峰能明顯識別蟲癭揮發物，在模擬的蟲癭揮發物上停留更多的時間，而對溶劑對照和未受害反應弱。

5結論和展望

已有的研究表明，植物氣味由不同的立體異構組成，蟲害損傷誘導植物立體組成發生改變，昆蟲對手性氣味表現出立體選擇性，并影響著昆蟲與植物間的相互作用。通過電生理和行為實驗，篩選出對害蟲有引誘和驅避作用的化學物質，可為害蟲防治提供新方法和思路。

昆蟲對手性氣味異構體的表現出不同的反應，其反應機制是什么?這有待進一步探討，以手性植物氣味分子作為探針研究昆蟲化學感受機制是一有效和科學的方法。

研究植物生物合成，不僅可以獲得有機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，改變或提高植物對害蟲的抗性，這在害蟲防治上有重要意義。