紅裙步甲化學(xué)防御研究

郭明磊 柏超 曹杰 劉鵬 韓文鑫 宮立勝 董艷

摘要? ? 本文以紅裙步甲作為試驗(yàn)昆蟲，初步探究昆蟲的化學(xué)防御行為。通過(guò)解剖發(fā)現(xiàn)，紅裙步甲的防御腺由分泌腺、貯液囊、反應(yīng)室和輸出管組成，而且雌雄蟲存在著差異。用二氯甲烷作為萃取劑，采用氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）分析其化學(xué)防御物質(zhì)成分，獲得21個(gè)峰，檢測(cè)出18種化學(xué)成分，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，紅裙步甲防御物質(zhì)主要成分是甲基丙烯酸和2-甲基-2-丁烯酸。

關(guān)鍵詞? ? 紅裙步甲;化學(xué)防御;防御腺;防御物質(zhì)

中圖分類號(hào)? ? Q964? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼? ? A

文章編號(hào)? ?1007-5739（2019）17-0117-03? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

Abstract? ? In this paper，Carabus augustus were used as experimental insects to explore the chemical defense behavior of insects.Through anatomy，it was found that the defensive gland of the Carabus augustus was composed of the secretory gland，the reservoir，the reaction chamber and the output tube，and there were differences between the male and female.Using dichloromethane as the extractant，the chemical defense component was analyzed by gas chromatography-mass spectrometry（GC-MS），21 peaks were obtained，and 18 chemical components were detected.The main components of the defensive substance were methacrylic acid and 2 -methyl-2-butenoic acid.

Key words? ? Carabus augustus;chemical defense;defensive gland，defensive substance

昆蟲是所有生物中種類及數(shù)量最多的一群，是動(dòng)物界中發(fā)展最繁盛的一個(gè)類群，目前已命名逾100 萬(wàn)種，其分布幾乎遍布全球。為了適應(yīng)各種不同的生活環(huán)境，一些種類成功地進(jìn)化出較為完善的防御機(jī)制。根據(jù)其不同的防御機(jī)制，大致可分為隱匿防御、假死和恐嚇?lè)烙C(jī)械防御、化學(xué)防御以及集群和社會(huì)性防御。昆蟲的化學(xué)防御是用其自身的特殊結(jié)構(gòu)分泌并釋放化學(xué)物質(zhì)以保護(hù)自己，是眾多防御類型中最為復(fù)雜、效果最佳的一種[1]。

國(guó)內(nèi)對(duì)昆蟲化學(xué)防御物質(zhì)的研究起步較晚，而且多集中在擬步甲科昆蟲的防御結(jié)構(gòu)研究方面，對(duì)步甲科昆蟲研究較少。梁永生[2]報(bào)道了赤擬谷盜成蟲和幼蟲化學(xué)防御物質(zhì)的主要成分以及其成分對(duì)成蟲、幼蟲的作用，主要成分是甲醌、1-十五碳烯、1，6-十七碳二烯、芍藥醇，這些成分能夠引誘幼蟲但是對(duì)成蟲具有排斥作用。劉 勇等[3]分析了云南琵琶甲（喙尾琵琶甲）防御物質(zhì)的抗菌活性及化學(xué)成分，主要成分是1，4-苯醌，對(duì)細(xì)菌普遍具有抑制作用。任國(guó)棟等[4]通過(guò)研究34種琵甲屬昆蟲防御腺的結(jié)構(gòu)，探討了其進(jìn)化關(guān)系;并于2002年根據(jù)琵甲族11屬58種防御腺的結(jié)構(gòu)特征，探討了屬間的進(jìn)化關(guān)系[5];2009年基于18個(gè)代表種的防御腺特征，探討了中國(guó)刺甲族的屬級(jí)關(guān)系[6]。葉 曄等[7]對(duì)141族31屬 50種擬步甲科昆蟲的防御腺結(jié)構(gòu)特征和系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系進(jìn)行了研究。強(qiáng)承魁等[8]研究了黃粉蟲防御物質(zhì)的化學(xué)成分和其抑菌活性。羅建蓉等[9]研究了喙尾琵琶甲的化學(xué)成分。施貴榮等[10-12]研究了體外防御物質(zhì)的化學(xué)成分及其抗菌活性。郭明磊等[13]用氣相色譜-質(zhì)譜分析了喙尾琵琶甲化學(xué)防御物質(zhì)的化學(xué)成分，并研究了化學(xué)防御物質(zhì)的抑菌活性。季莉麗[14]研究表明，廣炮步甲的防御腺化學(xué)物質(zhì)有6種，主要成分為甲基對(duì)苯二酚、對(duì)苯二酚、甲基對(duì)苯醌與對(duì)苯醌。

步甲的防御腺一般著生于腹部末端。日本科學(xué)家Kats-uo等[15]研究部分步甲科昆蟲的防御腺結(jié)構(gòu)，并將其分為三大類六小類（圖1）。圖中A、B、C類型的防御腺主要分泌的防御物質(zhì)是脂肪酸類物質(zhì)，D類型主要分泌甲酚類物質(zhì)，E、F類型主要分泌苯醌類物質(zhì)。Will等[16]報(bào)道了Catapiesis bart-yrae和Catapiesis mexicana在電鏡下防御腺的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。

步甲科昆蟲的化學(xué)防御分泌物的化學(xué)成分種類復(fù)雜，有短鏈有機(jī)酸、酮、醛、芳香族化合物以及某些特有的化合物。多種步甲的分泌物是甲酸，Dicaelus屬步甲的化學(xué)防御物質(zhì)含有75%的甲酸。曾有人報(bào)道過(guò)一種步甲Brachinus的臀腺能合成氫酮和過(guò)氧化氫等化合物[17]。臭廣肩步甲Calos-oma sycophanta的防御物質(zhì)主要成分是甲基丙烯酸和水楊醛，Carabus ullrichii的防御物質(zhì)主要成分是甲基丙烯酸和當(dāng)歸酸，Abax parallelepipedus的防御物質(zhì)是甲基丙烯酸和巴豆酸;甲基丙烯酸、巴豆酸和異丁酸在以上3種步甲中存在[18]。邊園步甲Omophrom limbatum、大頭肉步甲Broscus cephalotes 的防御物質(zhì)是2-甲基丙酸和3-甲基丁酸;氣步甲屬 Brach-inus crepilaus化學(xué)防御物質(zhì)的主要成分是苯醌、甲基苯醌等。Metrius contractus化學(xué)防御物質(zhì)的主要成分是1，4-苯醌、十五烷、（6Z，7Z）-6，9-Heptadecadiene和（7Z，9Z）-7，9-Heptadecadiene[19]。青步甲屬昆蟲Chlaenius cordicollis化學(xué)防御物質(zhì)的主要成分是2，5-二甲基苯酚和3-乙基苯酚[20]。粒步甲Carabus granulatus、Carabus intricatus、Carabus auronit-ens、Carabus auratus和Carabus irregularis等步甲屬昆蟲化學(xué)防御物質(zhì)的主要化學(xué)成分是甲基丙烯酸和巴豆酸（又稱反式丁烯酸、 β-甲基丙烯酸）[21-25]。

紅裙步甲（Carabus augustus）屬于鞘翅目（Coleoptera）肉食亞目（Adephaga）步甲總科（Caraboidea）步甲屬（Carabus），是一種重要的捕食性天敵昆蟲資源，同時(shí)也是一種觀賞性昆蟲，主要分布在我國(guó)江西一帶，喜食鱗翅目幼蟲、蛹，還可以捕食金龜幼蟲、螻蛄、叩甲卵和幼蟲、蚜蟲等害蟲。目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有相關(guān)文獻(xiàn)的報(bào)道，通過(guò)本研究了解紅裙步甲防御結(jié)構(gòu)和分泌物成分，以期為昆蟲化學(xué)防御機(jī)制的研究及其進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用提供理論基礎(chǔ)依據(jù)。

1? ? 材料與方法

1.1? ? 供試?yán)ハx與儀器

供試?yán)ハx為紅裙步甲，采自江西省新余大崗山自然保護(hù)區(qū)。供試儀器為體視顯微鏡（Carl Zeiss SteREO Discovery.V20，德國(guó)卡爾蔡司集團(tuán)生產(chǎn)）、剖鏡（Leica S6E，德國(guó)萊卡）、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（HP6890GC/5973MS，美國(guó)Agilent Techno-logies公司生產(chǎn)）。

1.2? ? 試驗(yàn)方法

1.2.1? ? 防御腺解剖。參考劉春林[26]的方法，將紅裙步甲的干制標(biāo)本放于10%氫氧化鈉溶液中煮10 min左右，取出后用清水沖洗干凈，然后用解剖鏡剝離與防御腺無(wú)關(guān)的組織獲得防御腺結(jié)構(gòu)。用蒸餾水將其清洗干凈，移入1%伊紅溶液中染色。

1.2.2? ? 防御物質(zhì)GC-MS分析。

（1）化學(xué)防御物質(zhì)收集。將紅裙步甲腹部后端放在1.5 mL EP管口，經(jīng)物理刺激，收集由臀腺噴射出的防御物質(zhì)。每管每次收集原液約為200 μL，向其中加入100 μL 二氯甲烷萃取，重復(fù)3次。經(jīng)10 000 r/min高速離心10 min。離心后分泌物分為上層水溶性和下層水不溶性2部分，將其水溶性部分吸出，然后將其下層不溶于水的部分置于-20 ℃下玻璃管中保存。同樣方法收集疤步甲Carabus pustulifer和喙尾琵琶甲Blaps rynchopetera的化學(xué)防御分泌物。

（2）GC-MS分析。GC條件：HP-5MS石英毛細(xì)管柱（30 mm×0.25 mm×0.25 mm）;柱溫為起始溫度40 ℃，程序升溫3 ℃/min至80 ℃，再程序升溫5 ℃/min至260 ℃;柱流量為1.0 mL/min;進(jìn)樣口溫度250 ℃;柱前壓100 kPa;進(jìn)樣量1.0 mL;分流比10∶1;載氣為高純氦氣。MS條件：電離方式EI;電子能量70;傳輸線溫度250 ℃;離子源溫度230 ℃;四極桿溫度150 ℃;質(zhì)量范圍35～500;采用wiley7n.l標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)檢索定性。

2? ? 結(jié)果與分析

2.1? ? 防御腺

通過(guò)解剖，觀察紅裙步甲防御腺的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。防御結(jié)構(gòu)著生于腹部最后一節(jié)，由分泌腺、貯液囊、反應(yīng)室和輸出管組成，分泌腺著生在貯液囊上，防御液可以儲(chǔ)存在貯液囊中，當(dāng)遇到天敵或者病原菌時(shí)，由輸出管噴射而出。雌蟲具有4個(gè)貯液囊，反應(yīng)室上、下、左、右各有1個(gè)，其中上、下2個(gè)貯液囊較大，左、右較小;雄蟲僅有左、右2個(gè)貯液囊。雌蟲位于反應(yīng)室左、右方向的貯液囊狹長(zhǎng)且端部膨大，由一輸出管與反應(yīng)室連接;位于反應(yīng)室上、下方向的貯液囊寬大，直接與反應(yīng)室相連。囊壁上具有花紋和褶皺。

2.2? ? 防御物質(zhì)GC-MC分析

按照試驗(yàn)方法，測(cè)出紅裙步甲的分泌物總離子圖（圖3），得到21個(gè)峰;各峰經(jīng)過(guò)GC-MS分析得到質(zhì)譜圖，經(jīng)質(zhì)譜庫(kù)鑒定，共鑒定出18種成分，如表1所示。結(jié)果表明，所鑒定的18種化學(xué)成分占總含量的99.18%。甲基丙烯酸、2-甲基-2-丁烯酸、十八碳烯酰胺以及二十二碳烯酰胺相對(duì)含量分別是55.22%、30.40%、3.69%、3.67%，占總含量的92.98%，其中前二者占總含量的85.62%。因此，甲基丙烯酸和2-甲基-2-丁烯酸為主要成分。

另外，將檢測(cè)到的各種成分按照類別可以分為烯酸類（包括甲基丙烯酸和2-甲基-2-丁烯酸），占85.62%;胺類（包括十八碳烯酰胺、二十碳烯酰胺、二十二碳烯酰胺、十四酰胺、十六酰胺和十八酰胺），占12.52%;酸類（包括2-甲基丁酸、苯甲酸和十六烷酸），占0.54%;烷類（包括2，6，10，14-四甲基十五烷、十九烷、二十三烷和二十五烷），占0.28%;烯類（包括二十三碳烯和角鯊烯），占0.15%;醛類（僅有壬醛），占0.07%。因此，烯酸類是紅裙步甲化學(xué)防御物質(zhì)的主要成分。

3? ? 結(jié)論與討論

3.1? ? 防御腺結(jié)構(gòu)

紅裙步甲雌、雄蟲的防御腺結(jié)構(gòu)不同，雌蟲有貯液囊4 個(gè)且貯液囊大，雄蟲僅有2個(gè)且貯液囊小。原因可能有2個(gè)方面：一是雌蟲有繁殖后代的任務(wù)，需要消耗的能量多、捕食多，同時(shí)要防御天敵，因而需要較多的防御液以滿足對(duì)食物和能量的需求;二是雄蟲的外生殖器較大，占據(jù)了較大的空間，阻礙了防御結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)。另外，紅裙步甲囊壁上具有花紋和褶皺，不僅使得貯液囊的表面積和容積變大，能夠貯存更多的防御液，同時(shí)增強(qiáng)了貯液囊的彈性和韌性。

紅裙步甲的防御物質(zhì)主要成分是甲基丙烯酸和2-甲基2-丁烯酸，而Katsuo and Masanori劃分的6個(gè)類型分泌的主要物質(zhì)是脂肪酸、甲酚和苯醌類物質(zhì)，分泌物不同防御腺結(jié)構(gòu)存在著差異。說(shuō)明紅裙步甲的防御腺結(jié)構(gòu)并未在其劃分的類型中。

3.2? ? 防御物質(zhì)化學(xué)成分

學(xué)者Le■i■等[18]研究發(fā)現(xiàn)，步甲屬Carabus ullrichii的防御物質(zhì)化學(xué)成分包含7種，分別是甲基丙烯酸（78.7%）、水楊醛（17.7%）、α-甲基巴豆酸（2.5%）、苯甲酸（0.4%）、異丁酸（0.3%）、丁酸（0.2%）和2-甲基丁酸（0.2%）。在本研究中，紅裙步甲化學(xué)防御物質(zhì)的主要成分是甲基丙烯酸和2-甲基-2-丁烯酸，這一結(jié)果與上述結(jié)果既有相同的地方，也有不同之處。相同成分為甲基丙烯酸（55.22%）、2-甲基丁酸（0.13%）和苯甲酸（0.11%），其中甲基丙烯酸均是主要成分;類似成分為2-甲基-2-丁烯酸（30.40%），與α-甲基巴豆酸是同分異構(gòu)體;其余成分是兩者不同之處，如本研究中含有十六酰胺（3.23%）、十八碳烯酰胺（3.69%）、二十二碳烯酰胺（3.67%）以及一些長(zhǎng)鏈烷類、烯類等化學(xué)成分是Le■i■等學(xué)者的研究結(jié)果中沒(méi)有的，而水楊醛、異丁酸以及丁酸在本研究中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)。

3.3? ? 展望

昆蟲化學(xué)防御物質(zhì)具有殺滅細(xì)菌的作用，如麗蠅蛹集金小蜂的防御素Navidefensin2-2能夠抑制一批革蘭氏陽(yáng)性和革蘭氏陰性細(xì)菌，可作為抗感染藥物資源[27]。許多蜂類的毒液已經(jīng)進(jìn)入商品開(kāi)發(fā)階段，對(duì)許多人類疾病有治療作用。在農(nóng)業(yè)部提出“雙減”目標(biāo)的前提下，可合理利用植物、昆蟲自身的化學(xué)防御物質(zhì)來(lái)抑制細(xì)菌、真菌、昆蟲，以達(dá)到減少化學(xué)農(nóng)藥使用的目的[28]?，F(xiàn)已知的昆蟲體外物質(zhì)的研究非常少，分離、提純各種防御物質(zhì)可為生化、藥理研究及治療人類疾病提供借鑒，因而此方面的研究前景廣闊。

4? ? 參考文獻(xiàn)

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