絲帶鳳蝶與馬兜鈴的適應(yīng)關(guān)系及其應(yīng)用價(jià)值研究

廖弘宇

湖南第一師范學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410000

在漫長(zhǎng)的接觸和相互選擇中，昆蟲(chóng)與寄主植物之間建立了長(zhǎng)期且穩(wěn)定的相互關(guān)系，尤其是專食性昆蟲(chóng)，選擇單一的植物作為唯一的食物來(lái)源，昆蟲(chóng)在攝入營(yíng)養(yǎng)上客觀存在的一些問(wèn)題，植物在長(zhǎng)期的生存過(guò)程中相互影響，并逐漸產(chǎn)生了獨(dú)特的物理以及生理生化防御途徑和機(jī)制。

馬兜鈴和絲帶鳳蝶就是在漫長(zhǎng)的選擇中形成的協(xié)同進(jìn)化關(guān)系，馬兜鈴對(duì)取食它的昆蟲(chóng)已經(jīng)形成了以馬兜鈴酸為毒性物質(zhì)的特殊生物化學(xué)防御機(jī)制，沒(méi)有特殊解毒機(jī)制的昆蟲(chóng)難以規(guī)避馬兜鈴酸對(duì)機(jī)體造成的傷害。而絲帶鳳蝶也形成了一套有效的解毒的機(jī)制避免馬兜鈴酸對(duì)自身帶來(lái)的傷害，雖然目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于絲帶鳳蝶代謝馬兜鈴酸A的具體降毒的生理生化機(jī)制仍不清楚，但是關(guān)于絲帶鳳蝶的研究仍是學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。

目前，已經(jīng)有相關(guān)的研究對(duì)絲帶鳳蝶進(jìn)行了全基因組測(cè)序研究，也針對(duì)絲帶鳳蝶自身基因功能上可能的代謝馬兜鈴酸解毒機(jī)理作了分析和推測(cè)。但是關(guān)于它腸道微生物在這個(gè)過(guò)程中是否起到關(guān)鍵作用還有待研究，很多鱗翅目的昆蟲(chóng)以富含有毒物質(zhì)的植物為食，其腸道微生物對(duì)有毒物質(zhì)有一定的降毒作用，而腸道微生物直接接觸食物中的馬兜鈴酸，如何應(yīng)對(duì)其毒性仍不得而知。含有馬兜鈴酸的中藥材、中成藥等不在少數(shù)，以絲帶鳳蝶這個(gè)關(guān)鍵專食性昆蟲(chóng)為線索探究馬兜鈴酸的降毒機(jī)制，能為新型發(fā)酵技術(shù)和生物工程等方向降解馬兜鈴酸A降低此類中藥材的毒性、保留，甚至提升藥效成分物質(zhì)提供新的研究思路。

1 絲帶鳳蝶及其分布規(guī)律

絲帶鳳蝶（Sericinus montelusGray）隸屬于鳳蝶科（Papilionidae）、鋸鳳蝶亞科（Zerynthiinae）、絲帶鳳蝶屬（Sericinus）。以馬兜鈴為寄主植物的絲帶鳳蝶屬在全世界僅記載1種，為東亞地區(qū)特有種，主要分布于中國(guó)、俄羅斯、韓國(guó)及日本，曾被列為我國(guó)14種珍貴蝴蝶種類之一[1]。絲帶鳳蝶是專食性昆蟲(chóng)，它的幼蟲(chóng)食物為馬兜鈴屬（Aristolochia）的植物的葉片，主要包括馬兜鈴（Aristolochia debilis）和北馬兜鈴（Aristolochia contorta），也有研究報(bào)道取食鐵線蓮狀馬兜鈴（Aristolochia clematitis）[2-3]。在已報(bào)道的寄主中，北馬兜鈴主要分布于北方，鐵線蓮狀馬兜鈴主要分布于歐洲；而馬兜鈴主要分布于我國(guó)黃河流域以南至長(zhǎng)江流域，位于長(zhǎng)江流域及以南的各個(gè)省區(qū)也有一定分布，也有研究報(bào)道日本當(dāng)?shù)赜旭R兜鈴分布。絲帶鳳蝶的分布主要受其專一性寄主植物馬兜鈴分布區(qū)的限制[4]。

2 馬兜鈴酸的毒性生理生化機(jī)制

馬兜鈴酸（AAs）屬于3，4-次甲二氧基-10-硝基-1-菲酸的系列衍生物，首見(jiàn)于馬兜鈴科馬兜鈴屬（Aristolochia L.）的植物中因此而聞名，在植物體內(nèi)馬兜鈴酸A（AAⅠ，或稱馬兜鈴酸Ⅰ）存在最廣泛。目前，有明確毒性作用的成分有馬兜鈴酸A、馬兜鈴酸B，而富含馬兜鈴酸的植物中馬兜鈴酸A的含量最高，且它與腺嘌呤A形成的加合物可以在體內(nèi)長(zhǎng)期存在而具有致癌性及致突變性[5-6]。此外，馬兜鈴酸Ⅰ還會(huì)導(dǎo)致腎小管上皮細(xì)胞壞死，并進(jìn)一步導(dǎo)致腎臟纖維化和腎衰竭，是腎毒性的主要來(lái)源。它的作用機(jī)理主要包含：（1）馬兜鈴酸A的暴露可誘導(dǎo)生過(guò)量的ROS/RNS誘發(fā)細(xì)胞發(fā)生氧化應(yīng)激而導(dǎo)致細(xì)胞損傷。（2）馬兜鈴酸A誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡在蛋白質(zhì)水平上的機(jī)制是通過(guò)促進(jìn)促凋亡蛋白的表達(dá)，抑制抗凋亡蛋白的表達(dá)。Xie等[7]的實(shí)驗(yàn)揭示了馬兜鈴酸A誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的機(jī)制是通過(guò)抑制PI3K/Akt信號(hào)通路。Zhou等[8]的研究表明馬兜鈴酸A誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的方式是通過(guò)p53信號(hào)通路。（3）馬兜鈴酸A誘導(dǎo)的間質(zhì)炎癥能夠顯著影響慢性腎臟病進(jìn)展[9]。

馬兜鈴屬植物對(duì)專食性寄主昆蟲(chóng)以外的昆蟲(chóng)具有較強(qiáng)的毒性，相關(guān)學(xué)者使用1年生的當(dāng)年7月的馬兜鈴葉飼養(yǎng)甜菜夜蛾幼蟲(chóng)，幼蟲(chóng)全部死亡。而其他用多年生馬兜鈴葉飼養(yǎng)的甜菜夜蛾幼蟲(chóng)死亡率也顯著高于絲帶鳳蝶。余森泉等[10]用馬兜鈴科馬兜鈴屬的金獅藤提取液處理家蠅成蟲(chóng)和埃及伊蚊四齡幼蟲(chóng)，對(duì)2種試驗(yàn)昆蟲(chóng)都表現(xiàn)出較強(qiáng)的殺蟲(chóng)活性。Venkatraman等[11]通過(guò)提純印度馬兜鈴得到馬兜鈴酸A和馬兜鈴酸B，對(duì)瘧蚊四齡幼蟲(chóng)有較強(qiáng)的殺蟲(chóng)活性。

3 絲帶鳳蝶對(duì)馬兜鈴酸的解毒機(jī)制

關(guān)于絲帶鳳蝶對(duì)馬兜鈴酸的解毒機(jī)制目前還沒(méi)明確的研究，主要集中在2個(gè)方面：

第一，絲帶鳳蝶自身的生理生化與分子生物學(xué)機(jī)制，P450酶是一類不同的基因，在內(nèi)源性和外源性化學(xué)物質(zhì)的代謝中起重要作用。已有相關(guān)研究表明，AAs已經(jīng)被證明與馬兜鈴酸腎病甚至相關(guān)的尿路上皮惡性腫瘤高度相關(guān)；在小鼠和大鼠等哺乳動(dòng)物中，肝細(xì)胞色素P450s可能有助于這些植物毒素的解毒[12]。在幼蟲(chóng)階段檢測(cè)到98個(gè)P450基因中的47個(gè)的表達(dá)水平高于其他階段。在47個(gè)高表達(dá)基因中，有37個(gè)顯著過(guò)表達(dá)。

第二，在之前的研究中，哺乳動(dòng)物對(duì)AA有耐受性的115個(gè)基因中，人腎上皮細(xì)胞過(guò)度接觸AAs可能會(huì)改變延長(zhǎng)蛋白A（eloa）和含有1（HEATR1）的HEAT重復(fù)序列。

4 微生物的降解有毒物質(zhì)作用

在自然界中，許多植物的組織內(nèi)含有一些有毒的化合物以抵御食草昆蟲(chóng)的取食，這些物質(zhì)對(duì)食草動(dòng)物可能造成一定危害。然而，某些昆蟲(chóng)可以針對(duì)性地吸收植物中的某些毒素，并將其轉(zhuǎn)化成其他無(wú)毒的化合物，從而適應(yīng)這種植物，能夠避免在這類毒性物質(zhì)給昆蟲(chóng)機(jī)體造成損害。

一些植食性昆蟲(chóng)依靠腸道微生物與其形成穩(wěn)定共生關(guān)系，能夠利用微生物的代謝能力分解這些有毒物質(zhì)，從而減輕自身的毒害并獲得營(yíng)養(yǎng)。微生物是昆蟲(chóng)應(yīng)對(duì)植物有毒物質(zhì)解毒的生理生化過(guò)程中的關(guān)鍵因素，有時(shí)這種代謝過(guò)程甚至可以為昆蟲(chóng)提特殊營(yíng)養(yǎng)。這類關(guān)于昆蟲(chóng)與微生物相互關(guān)系的研究在生態(tài)學(xué)和進(jìn)化生物學(xué)領(lǐng)域中也是研究熱點(diǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)外尚沒(méi)有關(guān)于其寄主動(dòng)物絲帶鳳蝶腸道微生物代謝分解食物中毒性物質(zhì)的研究。但類似的共生現(xiàn)象在鱗翅目昆蟲(chóng)當(dāng)中十分普遍，腸道微生物可以協(xié)助宿主分解代謝所取食的植物中有毒的化學(xué)物質(zhì)。很多研究顯示：鱗翅目昆蟲(chóng)與腸道微生物互利共生，并與之協(xié)同進(jìn)化。微生物直接或間接作用于宿主，如舞毒蛾（Lymantria dispar）取食山楊（Populus davidianaDode），腸道中的不動(dòng)桿菌屬微生物能夠降解寄主植物中富含的酚苷類化合物（phenolic glycosides），其宿主能長(zhǎng)期適應(yīng)此類化合物而不受到損害[13]。毛健夜蛾（Brithys crini）腸道內(nèi)的微生物對(duì)宿主適應(yīng)取食植物起到了關(guān)鍵作用，其腸道內(nèi)的桿菌屬細(xì)菌有降解生物堿的毒性的功能，而酪黃腸球菌（Enterococcus casseliflavus）能有益于昆蟲(chóng)耐受植物分泌的天然乳膠，腸道內(nèi)的微生物基于互利共生的生態(tài)關(guān)系為昆蟲(chóng)的消化道提供了一定的保護(hù)作用[14]。小菜蛾（Plutella xylostella）的中腸微生物能夠降解其寄主十字花科植物富含的有毒物質(zhì)苯酚的能力[15]。有研究使用枯草芽孢桿菌對(duì)含有馬兜鈴酸A的4種中藥材進(jìn)行體外發(fā)酵，能夠降低藥材中馬兜鈴酸A的含量。

此外，有基于馬兜鈴的根際微生物的分離純化得到11株有降解馬兜鈴酸A能力的微生物樣品。其中以鞘脂菌屬的微生物對(duì)馬兜鈴酸A的降解能力最為顯著。有關(guān)研究表明，某些特殊的微生物可以生成與哺乳動(dòng)物藥物代謝酶功能相似的細(xì)胞色素P450同工酶，以及其他與藥物代謝有關(guān)的酶系。這類微生物的一些Ⅰ相和Ⅱ相藥物代謝反應(yīng)與哺乳動(dòng)物類似[17]。由此可以推斷，枯草芽孢桿菌能產(chǎn)生一類與之相似的具有代謝功能的酶，以類似于哺乳動(dòng)物體內(nèi)代謝的方式進(jìn)行分解轉(zhuǎn)化，在此微生物發(fā)酵過(guò)程中藥材中馬兜鈴酸A得到有效降解，其總含量降低。

5 中藥材傳統(tǒng)發(fā)酵降毒應(yīng)用

我國(guó)對(duì)微生物的利用的歷史悠久，早在幾千年前祖先熟練掌握使用微生物進(jìn)行初步發(fā)酵的技術(shù)。從最初的“杜康”使用“酒曲”發(fā)酵谷物釀酒，之后通過(guò)更加豐富多樣的發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)醋、醬。在漢晉時(shí)期，醫(yī)家開(kāi)始利用微生物發(fā)酵藥材，通過(guò)微生物的發(fā)酵作用，改變了藥材的性質(zhì)和功效，使其更適合醫(yī)療應(yīng)用。這種利用微生物發(fā)酵藥材的方法在中醫(yī)藥領(lǐng)域中具有重要意義，不僅豐富了藥物的種類，還提升了藥物的療效。通過(guò)這些發(fā)酵藥物，醫(yī)家們能夠更好地調(diào)配藥方，用于治療各種疾病。這一傳統(tǒng)在后世也有所延續(xù)，并對(duì)中醫(yī)藥的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

利用微生物發(fā)酵炮制藥材的過(guò)程有著復(fù)雜的生理生化反應(yīng)，整個(gè)過(guò)程中隨著大分子物質(zhì)的消耗和一些小分子代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生，這些物質(zhì)可能具備某些藥理活性，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)整藥性、減毒增效的目標(biāo)。例如：中藥附子有烏頭堿毒性古法采用“大麥煮成粥，以曲造醋候熟去糟” “將附子去根須，于新甕內(nèi)淹七日”或者“以米粥及糟曲等淹之”等發(fā)酵方法解附子之“毒”。半夏是一種中草藥，具有神經(jīng)毒性、生殖毒性和致突變毒性等潛在毒性，誤食可能會(huì)引起中毒并對(duì)健康造成嚴(yán)重威脅。然而，發(fā)酵過(guò)程中，微生物的代謝作用可能改變了半夏中的毒性成分，使其在一定程度上失去了原有的毒性特性，更適合醫(yī)療用途。這種通過(guò)微生物發(fā)酵降低草藥毒性的方法在中藥炮制中是常見(jiàn)的。發(fā)酵可以分解有毒成分，調(diào)整草藥的藥性，使其更適合治療特定病癥。古代時(shí)期，由于對(duì)微生物的認(rèn)知水平受限且研究手段有限，導(dǎo)致在藥用發(fā)酵和食品發(fā)酵過(guò)程中，人們采取的方法是在自然環(huán)境下，創(chuàng)造特定的培養(yǎng)條件，使得特定的微生物成為主導(dǎo)發(fā)酵的優(yōu)勢(shì)菌。

6 現(xiàn)代發(fā)酵降解馬兜鈴酸A應(yīng)用研究

現(xiàn)代科技的進(jìn)步使能夠更好地理解微生物的作用，通過(guò)純化、鑒定和控制微生物，提高發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)品的質(zhì)量、安全性和穩(wěn)定性。根據(jù)國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，目前市面上可能含有24種藥材其化學(xué)成分含有馬兜鈴酸，在已上市的47種中成藥的配方中含有馬兜鈴屬藥材，含馬兜鈴酸的天然中藥材主要有馬兜鈴、青木香、細(xì)辛、關(guān)木通、廣防己等。因此，通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)一種既能降低中藥毒性又不破壞中草藥有效成分的發(fā)酵工藝對(duì)充分利用傳統(tǒng)中藥資源具有十分寶貴的意義。

劉學(xué)湘等[17]采用對(duì)青木香的降毒發(fā)酵采用真菌固態(tài)發(fā)酵的形式，結(jié)果顯示其篩選的13個(gè)微生物株系可以有效降解或轉(zhuǎn)化馬兜鈴酸類化合物，發(fā)酵降毒效果優(yōu)異（有毒成分降低50%以上）的真菌高達(dá)6種。曹藝等[18]選取了10個(gè)常見(jiàn)的微生物發(fā)酵工程菌種，以馬兜鈴屬、細(xì)辛屬等藥材為原料，采用液體發(fā)酵技術(shù)對(duì)藥材粉末進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化脫毒，經(jīng)檢測(cè)顯示有1個(gè)菌種對(duì)降解代謝此類中藥材的馬兜鈴酸A的成分具備通用效果。向微等[19]的研究分別以馬兜鈴和樟樹(shù)根際土壤微生物為源，從馬兜鈴根際土壤中分離純化得到了33個(gè)微生物菌株，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證其中11株菌種具備降解馬兜鈴酸A的能力，而從野外樟樹(shù)根際土壤分離純化得到的6株微生物不具備此特異性降解馬兜鈴酸A的能力?？梢酝茢?，并非所有微生物都富含代謝馬兜鈴酸A的相關(guān)功能基因，而與馬兜鈴有相關(guān)性的微生物，可能具備一定的降解馬兜鈴酸A的作用。

7 結(jié)論

絲帶鳳蝶是一類以馬兜鈴為食的專食性昆蟲(chóng)，其抵抗馬兜鈴酸A毒性的機(jī)制尚不清楚，雖然已經(jīng)初步對(duì)絲帶鳳蝶進(jìn)行了全基因組測(cè)序，并根據(jù)以往馬兜鈴酸A的毒性的作用機(jī)制和位點(diǎn)進(jìn)行了分析和預(yù)測(cè)，但國(guó)內(nèi)外仍未開(kāi)展關(guān)于絲帶鳳蝶腸道微生物對(duì)馬兜鈴屬植物的解毒機(jī)制研究?；诮z帶鳳蝶及其腸道微生物為試驗(yàn)材料研究馬兜鈴酸相關(guān)藥材解毒發(fā)酵研究具有較好的針對(duì)性和科學(xué)性。根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)于宿主植物—昆蟲(chóng)—腸道微生物的相關(guān)研究思路，未來(lái)可以從以下方面開(kāi)展研究工作：（1）采用宏基因測(cè)序相關(guān)研究方法，研究絲帶鳳蝶腸道微生態(tài)結(jié)構(gòu)和生物多樣性，以及對(duì)絲帶鳳蝶腸道微生物基因功能進(jìn)行預(yù)測(cè)；（2）采用基礎(chǔ)傳統(tǒng)微生物學(xué)研究方法分離純化能有效降解馬兜鈴酸的相關(guān)微生物。