昆虫信息素与寄主挥发物在绿色防控中的关系及研究进展

巩雪芳，谢寿安*，车显荣，吕淑杰，吕 妮

( 1.西北农林科技大学 林学院，陕西 杨陵 712100；2.榆林市林业工作站，陕西 榆林 719000)

1 昆虫信息素与寄主挥发物的概况

1.1 昆虫信息素与寄主挥发物种类

昆虫信息素(pheromone)作为种内或种间个体信息传递的微量行为活动调控物质，主要是由昆虫自身产生并通过各腺体释放到外界，故又称昆虫外激素。根据其作用不同，主要分为聚集信息素、示踪信息素、性信息素和告警信息素[1]。性信息素在家蚕雌蛾中最早发现，由雌蛾位于远端的腹部末端信息素腺体产生并释放[2]。在不同昆虫种群之间与其他生物间也存在着传递信息的信号物质，即种间信息化学物质，简称种间素，分为利己素、利他素和协同素等[3]。

寄主挥发物即植物在各种条件下释放的挥发性信息化学物质。主要包含植物在自然状态时植物自身主动释放的挥发物和经虫害诱导之后被动释放的挥发物[4]。植物挥发物还可以分为普通植物挥发物和特殊气味挥发物两类，普通植物挥发物绝大部分植物都含有，6个C原子的直链醇、醛、不饱和脂肪酸、脂类及萜烯类化合物等[5]；另外也存在一些只被某种植物或某一类植物所特有的特殊气味物质，如在十字花科植物代谢过程中，芥子油苷裂解形成后所释放出的异六氰酸烯丙酯，李树中的野黑樱苷裂解形成的苯甲醛等[6]。已有研究显示，在自然状态下植物自身主动释放的挥发物对植食性昆虫寄主定位及选择发挥着重要作用，而这一过程中对寄主植物进行识别的主要是植食性昆虫的嗅觉感受器[7]。

1.2 昆虫信息素与寄主挥发物的提取分离及结构鉴定

昆虫信息素主要是通过溶剂提取法、吸附法、直接进样法等挥发物提取方法进行提取分离[8]，之后通过气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)进行相对含量分析。2016年张胜男等人[8]分别采用这3种信息素提取方法对黄野螟性信息素进行粗提分析，结果表明：溶剂提取法采集到的样本挥发物所含杂质最少、物质峰分离好、工作量也较小，有助于仪器分析和识别，但是需要较多的供试昆虫样本，吸附法则需样本较少。可知这三种提取信息素的方法各有优缺点，互补性较强。

植物挥发物的采集常见方法有顶空分析法、溶剂提取法、固相微萃取、水蒸气蒸馏法、液氮冷凝法等[9-10]。2016年袁丽芳等人采用固相微萃取法和顶空吸附法分别从花椒健康植株和受花椒窄吉丁危害后的植株叶片、嫩枝(一年生)和树皮中提取得到花椒窄吉丁寄主挥发物[11]。目前，也有学者对不同地区健康植株或部分昆虫危害的云南松松针挥发性物质主要成分进行了研究。结果表明，虫害诱导的植物挥发物可以引诱植食性昆虫的天敌[12]。

目前已知的90%以上的昆虫性信息素均为碳链长度为C12、C14、C16的长链不饱和醇、醛、酮或醋酸酯，分子量范围分布在158～308之间的化合物[13]。多通道电生理记录(multi-unit recording，MR)可以根据多个部位的放电模式以及刺激和记录的同步性推断神经元性质以及之间的功能联系[14]。MR与气相色谱联用(GC-MR)可应用于广谱性气味识别中的活性组分鉴定[15]。Byers等不仅成功鉴定出烟草天蛾寄主植物曼陀罗提取液中的活性成分[16]；Byers等也鉴定出了熊蜂寄主植物彩艳龙头花提取液中的活性物质[17]。

2 信息化合物的生物合成及昆虫感受机制

2.1 昆虫信息素的生物合成的前体

昆虫信息素的生物合成前体物质即在其体内用来合成信息素的中间体或起始原料，按其来源大致分为两类，一种是来自于昆虫的寄主植物，另一种则是昆虫利用特殊腺体组织中的类脂体[18]。已发现粉斑螟的四种主要信息素合成前体物质为十四碳烯酸、反，14-十六碳烯酸、反，12-十四碳烯酸、顺，9-反，12-十四碳烯酸[19]。近年来人们发现在植物中[20]和微生物细胞等场所均能产生信息素[21]，已知的昆虫信息素的种类超过了2 000种[22]，蛾类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，包含许多的短链反应[23]，如飞蛾信息素前体为脂肪酸，而脂肪醇可以通过与昆虫信息素相关基因的异源表达来产生[1]。目前对许多蛾类信息素的生物合成途径已经被深入研究，并且在了解这些挥发物合成方面取得了很大的进展[24-25]，在生物系统中合成并广泛用于害虫防治。

2.2 昆虫对寄主挥发物与昆虫信息素的感受机制

在1832年人们发现昆虫雌、雄两性之间存在着性引诱现象。性信息素发达的昆虫其接受者触角较释放者更加发达，具有显著的性二型现象[26]。昆虫感受信息物质的主要器官是触角，通过对气味信息素的感知，昆虫可以从环境中快速有效地获取交配对象、食物源、产卵寄主、栖息地等对其繁衍生存至关重要的信息[27]。如家蚕雄虫能捕获到雌蛾释放到空气中的单个性信息素分子，以此获得有效的交配信息[28]，雄性由位于触角上的毛形感受器的嗅觉受体神经元(ORNs)专一性地接收和响应雌性性信息素，引起嗅觉反应[29]。

昆虫的嗅觉感受器功能与其构造有着密切的关联，昆虫嗅觉感受器主要分布在触角、下颚须等器官上，从形态上来看主要包括三类：毛形感受器、锥形感受器和腔锥形感受器[30]。国内对昆虫触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、双翅目和缨翅目等昆虫[31-32]。鞘翅目天牛科、小蠹科、金龟科、步甲科等研究较多[33]。研究发现，昆虫嗅觉感受器准确接收到化学感受信号，将其转换为电信号，再传入脑内高级神经系统。高级神经系统对所有的气味信号进行整合后，从而引起昆虫特定的行为反应[34]。昆虫对气味的识别主要涉及气味结合蛋白(OBPs)、气味受体(ORs)、气味降解酶(ODEs)、离子型受体(IRs)以及感觉神经元膜蛋白(SNMPs)[35]。

在昆虫界，气味结合蛋白和化学感受蛋白与昆虫的嗅觉及化学感受交流有关[36]。与信息素结合和转运有关的特定气味结合蛋白称为信息素结合蛋白[37]。气味结合蛋白的功能是使疏水性的气味分子溶解在含水的神经树突周围，保护它们被“分解酯酶”在淋巴液中循环流通[38]。此外，气味结合蛋白传递气味刺激物分子到特定的气味受体通过释放气味接近膜结构交流[39]。因为气味物质普遍具有较强的疏水性，自身不能穿过水性液，必须借助于载体蛋白，这种载体蛋白被称为气味结合蛋白(OBP)。自1981年Vogt和Riddiford鉴定出第一个昆虫OBP以来，至目前为止已有很多种昆虫OBP得以分离鉴定，包括蛾类、白蚁、果蝇、蚊等类群[40-42]，它存在于昆虫的嗅觉感受器淋巴液内，有普通气味结合蛋白(GOBP)和信息素结合蛋白(PBP)。

气味结合蛋白位于昆虫嗅觉感受细胞树突周围的感觉器腔内[43-44]，主要功能是与气味分子结合，从而增加其水溶性，同时将它们运送至受体位点[45-46]。气味结合蛋白由Vogt和Riddiford首次报道[47]。吴少英等人2005年根据已经报道的棉铃虫普通气味结合蛋白Ⅰ和性信息素结合蛋白基因的cDNA序列，获得重组蛋白，经序列测定和结构分析，表明具有昆虫气味结合蛋白的典型特征[48]，冯一璐等人采用同样的方法在2016年得到了一个茶尺蠖的PBP2基因[49]。

近年来大量研究表明，OBPs除在触角中高丰度表达外，还在下唇须、喙、口针、腹、足、翅、腹管、性腺等组织中表达，表明OBPs除具有嗅觉生理功能外，还参与昆虫生命活动中其他更为复杂的生理过程[50-52]。随着进入21世纪后分子生物学的不断发展，已在冈比亚按蚊[53]、黑腹果蝇[54]、豌豆蚜[55]、大猿叶甲[56]、松墨天牛[57]、铜绿丽金龟[58]、谷蠹[59]、二化螟[60]、棉铃虫[61]等多种昆虫触角中鉴定到大量的OBPs基因，为昆虫嗅觉机制的研究奠定了基础。组织表达分析是预测基因功能的一个重要方法[62]，谷少华等人在2013年通过克隆和表达一个新的苜蓿盲蝽气味结合蛋白(AlinOBP3)，采用qPCR方法解析其表达谱，结果发现，AlinOBP3在苜蓿盲蝽的触角中以较高含量表达。推测其可能是苜蓿盲蝽性信息素结合蛋白，在感受植物挥发物和性信息素的过程中起着双重作用[63]。

昆虫源挥发物的活性测定与植物源挥发物的活性测定方法主要分为触角电位反应(EAG)测定和嗅觉行为反应测定及野外试验，是已被广泛应用的研究方法[64-66]。EAG不仅可以很好地模拟神经的各种兴奋和传导特性，而且能定量描述气味物质的作用机理，具有快速灵敏、用虫量少、所需化合物微量等特点，是对活性物质进行定性检测的有效手段[67]。昆虫识别性信息素的过程需要有昆虫性信息素结合蛋白及性信息素受体蛋白的参与[68]，形成的聚合物穿过淋巴液再与神经细胞树突膜上的性信息素受体结合，刺激嗅觉神经元产生动作电位，将携带的化学信号转变为电信号，整合之后传入大脑引起昆虫的响应[69]。在整个感受过程中，主要由气味结合蛋白完成对气味分子的特异性识别，很可能对气味物质进行选择性运输[70]。

3 寄主挥发物与昆虫信息素的相互作用

3.1 植物挥发物与昆虫信息素的相互关系

植物与昆虫协同进化过程中，植物源挥发物对昆虫的生理及行为活动均有影响[13]。研究表明，某些寄主挥发物与昆虫信息素复配使用，能够显著增强引诱力[71]。但植物源挥发物对昆虫信息素除有增效作用外两者之间可能还具有以下相互关系：(1)Raina等1992年发现，玉米穗丝和番茄果实释放的挥发物均能够刺激野生美洲棉铃虫性信息素的合成及释放[72]，说明寄主植物挥发物能够刺激昆虫信息素的合成和释放速率。(2)蛾类通过提前摄入寄主植物释放的挥发性物质或取食寄主植物，经过体内系列反应后能够成功合成性信息素前体物[73]，说明寄主挥发物在昆虫信息素合成与转化过程均发挥着重要的作用。(3)寄主植物所含化合物与昆虫信息素种类密切相关[71]。(4)寄主挥发物能影响昆虫的定向、生殖行为，对其求偶、交配活动有明显的调节作用[71,74]。因而植物挥发物与昆虫信息素协同调控昆虫的定向、求偶等行为[75]。

3.2 寄主挥发物对昆虫信息素的增效作用

最早报道的具有增效作用的寄主挥发物是α-蒎烯，它能刺激甲虫对寄主植物的攻击[76]。1990年Landolt和Heath曾报道当存在寄主气味时[77]，可显著提高粉纹夜蛾雄性信息素对雌蛾的引诱力。2004年Deng等人报道了植物源气味反，-2-己烯醛、苯乙醛、顺，-3-己烯乙酸酯、顺，3-己烯醇在田间对甜菜夜蛾性信息素的显著增效作用[78]表明寄主挥发物与性信息素组合使用，引诱力显著强于各自单独使用。苦楝挥发物和聚集信息素复配使用，对光肩星天牛和星天牛都显示出比两者单独使用更高的诱捕效果[13]。

鞘翅目昆虫类(甲壳虫和象甲科)还有鳞翅类昆虫(蛾类和蝴蝶类)昆虫的数量是最多的也是地球上物种最丰富的昆虫[79]，鞘翅目昆虫天牛也有类似报道，如用性信息素以及寄主挥发物两者复配，比较对柳杉纹虎天牛林间引诱力，发现寄主信息素与性信息素混合使用引诱效果最好，性信息素(3-羟-2-己酮和3-羟-2-辛酮)引诱效果最低；寄主信息素(甲基苯甲酸酯)次之[80]。此外，植物源挥发物对蚜虫报警信息素也有增效作用。许多蚜虫的报警信息素成分经鉴定均为反β-法尼烯(EBF)，但有些蚜虫必须在EBF与某些植物挥发物复配时才表现出强烈而完全的报警反应[81]。在EBF中加入异硫氰酸酯，萝卜蚜的报警反应大增[81,82]。蛾类化学通讯是交配前的一个主要因素，性信息素是生殖和交配行为的基础。2015年于海利等人通过对比不同剂量的乙酸叶醇酯田间诱蛾量，发现30μg的乙酸叶醇酯制成的增效诱芯能显著提高性信息素对梨小食心虫的诱捕能力[83]。在这些昆虫中，嗅觉在不同的水平上被充分利用，从一开始在边缘处接受配体，处理在触角的脑叶信号，在大脑处理中心嗅觉信号与其他感官形式融合，最后是嗅觉信号行为的再现[84]。

3.3 寄主挥发物对昆虫信息素的作用机制

寄主挥发物与昆虫信息素结合能够给昆虫提供更为复杂和完全的信息，不仅包括同种存在还包括适宜寄主存在[85]。章鱼胺(octopamine, OA)首先发现于章鱼的唾腺中，作用于ATP酶，从而引发上皮电位的自发震荡[86]。然而，昆虫的一些行为测定和分子水平的观察结果是相反的，2012年Chaffiol等发现行为测试中植物源挥发物对小地老虎性细腻习俗具有显著增效作用[87]。2009年沈幼莲等发现，苯乙醛在一定剂量(每个诱芯加入0.4mg)时，能显著增强斜纹夜蛾性信息素的引诱力，高剂量使用时则表现出强烈的抑制效果[88]，说明寄主挥发物对昆虫信息素的抑制作用与化合物的种类和浓度还有着密切关联[89]。

4 绿色防控技术在害虫防治中的研究进展及前景

自20世纪50年代以来随着化学农药滥用，已引起了一系列严重的社会性问题。近年来，我国林业有害生物发生面积逐年递增，年均发生7 333.33 hm2[90]，严重威胁着我国森林资源的质量和安全、治沙造林成果、珍稀濒危昆虫物种的保护以及生态环境的改善和林业产业的发展。国外早在1966年首次从加州十齿小蠹雄虫的粪便中鉴定出了其信息素小蠹烯醇、顺-马鞭草烯醇和小蠹二烯醇[91]，从而揭开了森林害虫信息素及其应用研究的大门。进入21世纪后，随着昆虫化学生态学与分子生物学研究的深入及其他多学科间的相互渗透，昆虫信息素与寄主挥发物的研究技术已相对成熟，其基本程序包括信息化合物组分的提取与分离、活性组分捕捉、活性组分结构及相对含量鉴定[92]、生物活性测定、生物合成、人工合成及田间应用技术推广，感受机制原理的深入探究包括基因克隆、测序、蛋白表达及其功能研究等[93]。

寄主植物挥发物与昆虫释放的化学信息素，可以成为更安全有效的新型害虫驱避剂、引诱剂等，利用昆虫信息素，使得害虫不能识别食物源和定向产卵目标等，对农业生产均具有深远的影响，显然绿色防控技术在害虫防治中占据着一定的重要性及优越性。如利用性信息素可以干扰有害昆虫雌雄之间的交配，大大降低害虫的繁殖量[94]；利用聚集信息素，可以实现将害虫聚集在一个地方产卵或进行绿色防治[95]，有利于今后的珍稀濒危物种保护研究。在森林害虫的综合治理中，复配使用昆虫信息素和寄主植物挥发物能够减少大量使用化学农药所造成的环境污染、害虫产生抗性以及杀伤天敌、次要害虫暴发和害虫再猖獗发生，是防治害虫的有效手段。

在过去10～15 a间，国外学者调查显示[96]，生物多样性保护研究显然已成为了一个日益重要的全球热点问题，而只有很少一些昆虫信息素被用于生物多样性和保护研究，包括信息素的鉴别和种群监测应用。让昆虫种群数量显著增加的最有效的方法是利用信息素或其他化学信息素作为引诱剂，这种方法已经长期运用于检测、监测和控制害虫[97]，包括引入入侵物种。这就显得探究寄主植物挥发物与昆虫信息素相互作用及机理至关重要了。国内近年来对信息化学物质的研究多集中在害虫的监测与防控，生物多样性保护方面的意识仍比较淡薄，将信息化学和物质的研究拓展到珍稀濒危的昆虫物种上显得尤为迫切。

今后在昆虫信息素鉴定研究中，尤其是针对信息素组分鉴定困难的昆虫，可参照分类地位相近的昆虫获取大致的信息素组分信息，通过开展触角电位反应(筛选)、室内趋向反应和田间诱捕(选诱)，明确待鉴定昆虫信息素组分类型及其与昆虫寄主挥发物的最佳配比，以加快信息素结构鉴定的进程，推动信息物质对害虫的防控。总而言之，昆虫信息素与寄主挥发物的研究仍处于初始阶段，目前，国内对鳞翅目蛾类、鞘翅目天牛及金龟类等少数农林害虫信息素组成及信息素田间诱捕效果、感受信息化合物的机制及基因表达等分子生物学研究较为深入。但是对于其他珍稀濒危物种、卫生、仓储、经济、药用等昆虫的信息素与其寄主挥发物的研究急需继续拓展。为了取得更加深入的研究进展，还需国内外研究者共同努力，以期能够更加精准地探究更多种昆虫的信息素与寄主挥发物的相互作用，同时应用于全球生物多样性保护，从而造福全人类。