生氰糖苷在鱗翅目昆蟲體內(nèi)的代謝機(jī)制研究進(jìn)展*

賈雪峰

(廣西壯族自治區(qū)蠶業(yè)科學(xué)研究院，南寧 530007)

已知植物會(huì)產(chǎn)生30萬種不同的次生代謝產(chǎn)物，這些次生代謝產(chǎn)物是植物在長期演化過程中產(chǎn)生的，在植物應(yīng)對不良因子的防御反應(yīng)中發(fā)揮著重要作用。生氰糖苷(cyanogenic glucosides)，簡稱氰苷，是一類植物次生代謝產(chǎn)物，迄今為止有2 650多種植物可以產(chǎn)生氰苷來防御食草動(dòng)物侵害[1]，因而氰苷也是植物界中分布最廣泛的化學(xué)防御物質(zhì)之一。氰苷本身是無毒的，在植物中氰苷和水解酶是分布在不同組織的，只有被草食動(dòng)物攻擊，組織破裂，氰苷與水解酶接觸才被分解成酮、醛化物和有毒的氫氰酸(HCN)[2]。

然而，部分以生氰植物為食的鱗翅目昆蟲對這些植物含有的氰苷沒有表現(xiàn)出任何不良反應(yīng)，表明它們已經(jīng)進(jìn)化出特殊的適應(yīng)機(jī)制。這些昆蟲不僅能吸收植物中的氰苷用于自身防御、種內(nèi)溝通、求偶等，少數(shù)昆蟲還能在需要時(shí)自行合成生氰糖苷，在與生氰植物的長期對抗中進(jìn)化出一套有效的排毒系統(tǒng)，確保了種群的生存和繁衍。本文從氰苷的生物合成及代謝出發(fā)，重點(diǎn)闡述鱗翅目昆蟲體內(nèi)氰苷的種類和代謝途徑以及生理功能等方面的研究進(jìn)展。

1 生氰糖苷的種類

氰苷是植物與草食動(dòng)物之間趨同進(jìn)化的天然產(chǎn)物。已知有超過60種不同的氰苷結(jié)構(gòu)，并且這些化合物存在于2 650種以上的植物中。氰苷是帶有α-羥基腈的β-葡萄糖苷，基于組成氨基酸的屬性分為4類：脂肪族類氰苷、芳香族類氰苷、環(huán)戊烯類氰苷和其他類等(圖1)。脂肪族類氰苷是衍生自脂族蛋白質(zhì)氨基酸L-纈氨酸、L-異亮氨酸和L-亮氨酸；芳香族類氰苷衍生自芳香族氨基酸L-苯丙氨酸和L-酪氨酸；環(huán)戊烯類氰苷衍生自環(huán)戊烯類非蛋白質(zhì)氨基酸2-(2-環(huán)戊烯基)-甘氨酸[1]。

圖1 鱗翅目昆蟲中發(fā)現(xiàn)的生氰糖苷種類及分子式

迄今為止，在鱗翅目昆蟲中發(fā)現(xiàn)的氰苷包含以上4類氰苷。第1類脂肪族氰苷(aliphatic)包括亞麻苦苷(linamarin)、百脈根苷(lotaustralin)，主要分布在斑蛾總科(Zygaenoidea)和鳳蝶總科(Papilionoidea)[1]；第2類芳香族氰苷(aromatic)包括野黑櫻苷(prunasin)、苯甲醛(benzaldehyde)、氫氰酸(HCN)、苯甲酸(benzoic acid)、扁桃腈(mandelonitrile)等，主要分布在鳳蝶總科(Papilionoidea)、枯葉蛾科(Lasiocampidae)的蘋天幕毛蟲(Malacosomaamericanum)、網(wǎng)蛾科(Thyrididae)[3];第3類環(huán)戊烯類氰苷(cyclopentenoid)主要為表-異葉大風(fēng)子腈苷(epivolkenin)，分布在鳳蝶總科(Papilionoidea)的釉蛺蝶亞科(Heliconiinae)[4]；第4類(其他類)包括蘇鐵苷(cycasin)、垂盆草苷(sarmentosin)，主要分布在燈蛾科(Arctiidae)、尺蠖科(Geometridae)的醋栗尺蛾(Abraxasgrossulariata)、巢蛾科(Yponomeutidae)[5]等。

2 生氰糖苷的合成、水解與解毒途徑

2.1 生氰糖苷的生物合成途徑

鱗翅目昆蟲大部分是通過螯合食用植物中的氰苷參與機(jī)體代謝，部分種屬進(jìn)化出在體內(nèi)自行生物合成氰苷的能力。這種生物合成途徑與植物中的途徑類似，主要分3步(圖2)。第1步為第1種細(xì)胞色素P450酶[6]催化組成氨基酸連續(xù)2個(gè)N-羥基化反應(yīng)—脫水和脫羧反應(yīng)，生成E-醛肟(E-aldoxime)；第2步是第2種細(xì)胞色素P450酶將E-醛肟轉(zhuǎn)化為Z-醛肟(Z-aldoxime)[7]，該Z-醛肟通過脫水和C-羥基化反應(yīng)形成α-羥基腈(氰醇)；最后，氰醇部分被UDPG依賴性糖基轉(zhuǎn)移酶(UGT)糖基化生成氰苷[6]。

圖2 生氰糖苷的合成與分解及解毒途徑[8]

在斑蛾科的六星燈蛾(Zygaenafilipendulae)體內(nèi)，氰苷的自行生物合成被3種酶(CYP405A2、CYP332A3和UGT33A1)催化[6]。在釉蛺蝶亞科(Heliconiinae)的4個(gè)屬(Heliconiini，Acraeini，Argynniini，Vagrantini)中都發(fā)現(xiàn)了亞麻苦苷和百脈根苷，而它們的大多數(shù)取食植物都不是生氰植物，并且在紅帶袖蝶(Heliconiusmelpomene)中發(fā)現(xiàn)與六星燈蛾合成途徑相同的親本氨基酸和中間體，因此有學(xué)者認(rèn)為所有釉蛺蝶都可以從頭開始生物合成氰苷。

2.2 生氰糖苷的水解途徑

植物體內(nèi)的氰苷在水解酶的催化下釋放HCN用于防御之需，以及將氮和葡萄糖循環(huán)到其他代謝過程中。氰苷在植物和節(jié)肢動(dòng)物中的水解途徑非常相似，主要是由β-葡萄糖苷酶催化的，該酶去除了穩(wěn)定氰苷結(jié)構(gòu)的葡萄糖殘基，將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的α-羥基腈，然后在pH值>6的情況下自發(fā)分解為糖、酮類化合物和HCN(圖2)，而在較低的pH值下水解反應(yīng)由α-羥腈裂解酶催化[9]。有毒物質(zhì)HCN對線粒體呼吸途徑中的末端細(xì)胞色素氧化酶具有抑制作用[10]。β-葡萄糖苷酶已在許多生氰植物中被鑒定出[11]，該酶通常在酸性最適pH下非常穩(wěn)定。α-羥腈裂解酶則僅從幾種植物中分離出。最近在六星燈蛾中發(fā)現(xiàn)，β-葡萄糖苷酶負(fù)責(zé)水解氰苷的基因(ZfBGD2)在血淋巴的血細(xì)胞中表達(dá)，該酶可能起二聚體的作用，具有與植物β-葡萄糖苷酶相似的特性，并且對百脈根苷和亞麻苦苷的活性更高。尚不清楚如何調(diào)節(jié)酶活性以避免昆蟲中毒，但有跡象表明α-羥腈裂解酶活性可能與β-葡萄糖苷酶聯(lián)系緊密[1]。

2.3 氫氰酸的解毒途徑

氰苷的代謝產(chǎn)物HCN對大多數(shù)食草動(dòng)物都是有毒的。對于鱗翅目昆蟲來說，攝食生氰植物是由于進(jìn)化出了有效的排毒機(jī)制可以對HCN解毒，避免受其損害。目前在鱗翅目中發(fā)現(xiàn)有2種解毒途徑：一種途徑是由β-氰丙氨酸合成酶催化半胱氨酸或絲氨酸形成β-氰丙氨酸；另一種途徑由硫氰酸酶利用半胱氨酸作為硫載體，將硫從硫代硫酸鹽轉(zhuǎn)移到HCN中，生成硫氰酸鹽和亞硫酸鹽(圖2)。

在植物中，β-氰丙氨酸被氰丙氨酸合成酶催化為天冬酰胺或天冬氨酸和氨。在動(dòng)物界中，僅在線蟲和節(jié)肢動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)β-氰丙氨酸合成酶。通過鑒定β-氰丙氨酸合成酶催化氰苷的解毒產(chǎn)物β-氰丙氨酸，證實(shí)了鱗翅目以下16個(gè)科的昆蟲體內(nèi)含有β-氰丙氨酸合成酶，分別是：燈蛾科(Arctiidae)、擬夜蛾科(Cymatophoridae)、尺蛾科(Geometridae)、弄蝶科(Hesperidae)、擬蓑蛾科(Heterogynidae)、刺蛾科(Limacodidae)、灰蝶科(Lycaenidae)、毒蛾科(Lymantriidae)、絨蛾科(Megalopygidae)、夜蛾科(Noctuidae)、舟蛾科(Notodontidae)、蛺蝶科(Nymphalidae)、鳳蝶科(Papilionidae)、粉蝶科(Pieridae)、巢蛾科(Yponomeutidae)和斑蛾科(Zygaenidae)[1]。上述科的一些屬種攝取硫代葡萄糖苷而不是氰苷，研究發(fā)現(xiàn)在粉蝶體內(nèi)的硫代葡萄糖苷也可以通過氰丙氨酸合成酶解毒[12]。

硫氰酸酶對HCN的解毒機(jī)制多存在于部分細(xì)菌、植物和動(dòng)物(包括脊椎動(dòng)物)。幾乎所有脊椎動(dòng)物都存在硫氰酸酶，但以氰化物在脊椎動(dòng)物中的高毒性推斷，硫氰酸酶催化并不是對氰化物非常有效的排毒機(jī)制[8]。除作用于HCN解毒外，硫氰酸酶還具有多種功能，其中最重要的是為蛋白質(zhì)提供硫元素。由于一些以生氰植物為食的昆蟲似乎缺乏這種酶，而許多食用非生氰植物的物種卻存在這種酶，因此，硫氰酸酶在昆蟲中可能與HCN排毒無直接關(guān)聯(lián)，而是在初級代謝中起主要作用[1]。

3 生氰糖苷的生理功能

3.1 生氰糖苷的防御功能

許多有警戒色的鱗翅目昆蟲與有毒植物有明顯的聯(lián)系，這些昆蟲除了自身合成防御化合物外，有時(shí)還從植物中螯合防御化合物[13]。這種自身合成和螯合同一種氰苷的能力似乎僅限于鱗翅目昆蟲。脂肪族氰苷亞麻苦苷和百脈根苷是廣泛存在于含氰鱗翅目昆蟲中的防御化合物，通常在昆蟲的一個(gè)或多個(gè)生命階段中進(jìn)行生物合成。少數(shù)鱗翅目昆蟲含有的芳香族氰苷最有可能是從食用植物中螯合而來。

網(wǎng)蛾科的Calindoeatrifascialis為防御天敵捕食分泌的毒液，其成分中含有苯甲醛、苯甲酸和扁桃腈[3]?？萑~蛾科的蘋天幕毛蟲(Malacosomaamericanum)的幼蟲遇危險(xiǎn)時(shí)，會(huì)從口器反流一滴含有苯甲醛和HCN的腸溶液，成功抵御捕食性螞蟻的侵害。六星燈蛾的幼蟲遇到捕食者攻擊時(shí)，其體背的表皮腔中會(huì)釋放高粘性的無色液滴，將捕食者的下顎和腿粘在一起防止被其捕食，這些防御性的液滴含有很高濃度的亞麻苦苷和百脈根苷[14]。還有斑蛾科的幼蟲當(dāng)以無氰植物為食，不得不自行合成所需的全部氰苷時(shí)，其發(fā)育會(huì)受到阻礙，表現(xiàn)出較高的死亡率。因此，從食用植物中獲取氰苷仍然是鱗翅目昆蟲獲得氰苷的主要方式。

3.2 生氰糖苷的信息功能

由于氰苷的水解產(chǎn)物易揮發(fā)，所以有學(xué)者認(rèn)為氰苷在昆蟲的種間和種內(nèi)通訊中起作用。如袖蛺蝶科Heliconiineerato的雌蛾，可以利用食用植物中的揮發(fā)性氰化物來引導(dǎo)它們到達(dá)雙花西番蓮(Passiflorabiflora)葉片上產(chǎn)卵。研究發(fā)現(xiàn)，斑蛾科未交尾過的雌蛾比交尾過的雌蛾釋放更高水平的HCN、丙酮和2-丁酮，這表明氰苷的水解產(chǎn)物在雌性喚起行為中起作用[15]。雌蛾以HCN、丙酮和2-丁酮作為性信息素誘引雄性來交配，為其輸送氰苷來儲(chǔ)備防御化合物，尤其是如果雌蛾交配不止一次時(shí)，則雄蛾提供的氰苷對于雌蛾防御化合物的儲(chǔ)備非常重要。這一功能在六星燈蛾成蟲中也被觀察到。

3.3 生氰糖苷對于還原氮和葡萄糖的儲(chǔ)存與動(dòng)員

氰苷是一種非常穩(wěn)定的化合物，由于附著有葡萄糖分子，在內(nèi)源性轉(zhuǎn)移途徑的作用下，氰苷可以作為碳水化合物和還原氮的機(jī)動(dòng)儲(chǔ)存庫，在初級代謝中發(fā)揮作用[16-17]。在斑蛾科幼蟲到成蟲的變態(tài)過程中，體內(nèi)的氰苷損失55%左右。由于糞便、蛻皮和繭殼中的氰苷含量很少或沒有，因此這種損失不能用排泄來解釋[18]。斑蛾在化蛹過程中，HCN和氰苷的其他水解產(chǎn)物的排放不是連續(xù)的，而是在轉(zhuǎn)化階段的短暫時(shí)期發(fā)生的[19]。由于變態(tài)過程中會(huì)產(chǎn)生大量含甲殼素的幾丁質(zhì)，因此可能通過快速轉(zhuǎn)換儲(chǔ)存在斑蛾科幼蟲中的氰苷來獲取氮?？赡艿耐緩绞峭ㄟ^β-氰丙氨酸合成酶將氰苷解毒產(chǎn)生的β-氰丙氨酸轉(zhuǎn)化為天冬酰胺和天冬氨酸[20]，然后通過轉(zhuǎn)氨酶或谷氨酸脫氫酶進(jìn)一步催化，氮通過N-乙?；咸烟前凡⑷爰讱に刂小；业频囊裂刍业?Polyommatusicarus)也被認(rèn)為在其發(fā)育過程中利用了氰苷水解產(chǎn)生的氮(可能還有葡萄糖)[21]。釉蛺蝶亞科的拴袖蝶(Heliconiussara)通過用硫醇基團(tuán)取代腈，將螯合的環(huán)戊烯類氰苷(表-異葉大風(fēng)子腈苷，epivolkenin)轉(zhuǎn)化為非氰基化合物(sarauriculatin)[22]，釋放的氮用于其他代謝過程。

3.4 生氰糖苷含量作為擇偶標(biāo)準(zhǔn)

研究發(fā)現(xiàn)，六星燈蛾雌蛾拒絕與氰苷含量較低的雄蛾交尾[23]，但當(dāng)這些雄蛾被注射了亞麻苦苷或百脈根苷后，雌蛾就會(huì)與之交尾[15]。這表明雌蛾能夠評估每個(gè)雄蛾可為其貢獻(xiàn)多少氰苷。燈蛾科的響盒蛾(Utetheisaornatrix)中也發(fā)現(xiàn)了這樣一種評估系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含用于化學(xué)防御的吡咯里西啶生物堿(pyrrolizidine alkaloids)。雄蛾求偶時(shí)將其中一些吡咯里西啶生物堿轉(zhuǎn)化為性信息素，然后通過腹部毛刷釋放，吸引雌蛾交配。雌蛾能夠通過腹部毛刷來評估雄蛾防御化合物的多寡，優(yōu)先選擇含有高數(shù)量氰苷的雄蛾進(jìn)行交尾[24]。斑蛾科的雄蛾也有腹部毛刷，雌蛾在交配后顯示出較高的氰苷含量，表明氰苷是雄蛾向雌蛾求偶并取得交配權(quán)的重要物質(zhì)，轉(zhuǎn)移的氰苷存放在斑蛾(Zygaena)和紅帶袖蝶(Heliconiusmelpomene)的受精囊中[25]。在交尾過程中，六星燈蛾雄蛾將體內(nèi)約30%的氰苷轉(zhuǎn)移給雌蛾[26]，轉(zhuǎn)移來的氰苷主要用于雌蛾的自身防御，只有少量轉(zhuǎn)移到了卵中[27]。

4 討 論

化學(xué)防御是昆蟲與植物相互作用的關(guān)鍵組成部分，氰苷是植物重要的防御化合物，昆蟲為了生存繁衍攝食生氰植物的同時(shí)也在不斷進(jìn)化，通過解毒、排泄或螯合等方式來克服植物防御系統(tǒng)產(chǎn)生的危害。對鱗翅目昆蟲來說，氰苷也是重要的防御化合物，可能氰苷的分布范圍比目前發(fā)現(xiàn)的還要廣泛。從幼蟲到成蟲的整個(gè)生命周期中，氰苷具有多種生理功能，除了作為重要的防御化合物之外，氰苷的揮發(fā)性水解產(chǎn)物具有信息素的功能，充足的氰苷可以用作求偶禮物獲得交配權(quán)，以確保更好地保護(hù)配偶和后代，還能在需要時(shí)用來抵消初級代謝失衡的存儲(chǔ)化合物。近年來，有關(guān)氰苷在節(jié)肢動(dòng)物中的成分鑒定及生物合成和水解途徑等方面的研究成為熱點(diǎn)，但是對于氰苷的分布，它們在防御中的作用以及它們在細(xì)胞和亞細(xì)胞中的存儲(chǔ)位點(diǎn)方面的關(guān)鍵結(jié)論尚不清楚。另外，昆蟲與植物間的氰苷代謝途徑的趨同進(jìn)化也是一個(gè)未知之謎，還需要不斷的探索研究。