生氰糖苷在鳞翅目昆虫体内的代谢机制研究进展*

贾雪峰

(广西壮族自治区蚕业科学研究院，南宁 530007)

已知植物会产生30万种不同的次生代谢产物，这些次生代谢产物是植物在长期演化过程中产生的，在植物应对不良因子的防御反应中发挥着重要作用。生氰糖苷(cyanogenic glucosides)，简称氰苷，是一类植物次生代谢产物，迄今为止有2 650多种植物可以产生氰苷来防御食草动物侵害[1]，因而氰苷也是植物界中分布最广泛的化学防御物质之一。氰苷本身是无毒的，在植物中氰苷和水解酶是分布在不同组织的，只有被草食动物攻击，组织破裂，氰苷与水解酶接触才被分解成酮、醛化物和有毒的氢氰酸(HCN)[2]。

然而，部分以生氰植物为食的鳞翅目昆虫对这些植物含有的氰苷没有表现出任何不良反应，表明它们已经进化出特殊的适应机制。这些昆虫不仅能吸收植物中的氰苷用于自身防御、种内沟通、求偶等，少数昆虫还能在需要时自行合成生氰糖苷，在与生氰植物的长期对抗中进化出一套有效的排毒系统，确保了种群的生存和繁衍。本文从氰苷的生物合成及代谢出发，重点阐述鳞翅目昆虫体内氰苷的种类和代谢途径以及生理功能等方面的研究进展。

1 生氰糖苷的种类

氰苷是植物与草食动物之间趋同进化的天然产物。已知有超过60种不同的氰苷结构，并且这些化合物存在于2 650种以上的植物中。氰苷是带有α-羟基腈的β-葡萄糖苷，基于组成氨基酸的属性分为4类：脂肪族类氰苷、芳香族类氰苷、环戊烯类氰苷和其他类等(图1)。脂肪族类氰苷是衍生自脂族蛋白质氨基酸L-缬氨酸、L-异亮氨酸和L-亮氨酸；芳香族类氰苷衍生自芳香族氨基酸L-苯丙氨酸和L-酪氨酸；环戊烯类氰苷衍生自环戊烯类非蛋白质氨基酸2-(2-环戊烯基)-甘氨酸[1]。

图1 鳞翅目昆虫中发现的生氰糖苷种类及分子式

迄今为止，在鳞翅目昆虫中发现的氰苷包含以上4类氰苷。第1类脂肪族氰苷(aliphatic)包括亚麻苦苷(linamarin)、百脉根苷(lotaustralin)，主要分布在斑蛾总科(Zygaenoidea)和凤蝶总科(Papilionoidea)[1]；第2类芳香族氰苷(aromatic)包括野黑樱苷(prunasin)、苯甲醛(benzaldehyde)、氢氰酸(HCN)、苯甲酸(benzoic acid)、扁桃腈(mandelonitrile)等，主要分布在凤蝶总科(Papilionoidea)、枯叶蛾科(Lasiocampidae)的苹天幕毛虫(Malacosomaamericanum)、网蛾科(Thyrididae)[3];第3类环戊烯类氰苷(cyclopentenoid)主要为表-异叶大风子腈苷(epivolkenin)，分布在凤蝶总科(Papilionoidea)的釉蛱蝶亚科(Heliconiinae)[4]；第4类(其他类)包括苏铁苷(cycasin)、垂盆草苷(sarmentosin)，主要分布在灯蛾科(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、水解与解毒途径

2.1 生氰糖苷的生物合成途径

鳞翅目昆虫大部分是通过螯合食用植物中的氰苷参与机体代谢，部分种属进化出在体内自行生物合成氰苷的能力。这种生物合成途径与植物中的途径类似，主要分3步(图2)。第1步为第1种细胞色素P450酶[6]催化组成氨基酸连续2个N-羟基化反应—脱水和脱羧反应，生成E-醛肟(E-aldoxime)；第2步是第2种细胞色素P450酶将E-醛肟转化为Z-醛肟(Z-aldoxime)[7]，该Z-醛肟通过脱水和C-羟基化反应形成α-羟基腈(氰醇)；最后，氰醇部分被UDPG依赖性糖基转移酶(UGT)糖基化生成氰苷[6]。

图2 生氰糖苷的合成与分解及解毒途径[8]

在斑蛾科的六星灯蛾(Zygaenafilipendulae)体内，氰苷的自行生物合成被3种酶(CYP405A2、CYP332A3和UGT33A1)催化[6]。在釉蛱蝶亚科(Heliconiinae)的4个属(Heliconiini，Acraeini，Argynniini，Vagrantini)中都发现了亚麻苦苷和百脉根苷，而它们的大多数取食植物都不是生氰植物，并且在红带袖蝶(Heliconiusmelpomene)中发现与六星灯蛾合成途径相同的亲本氨基酸和中间体，因此有学者认为所有釉蛱蝶都可以从头开始生物合成氰苷。

2.2 生氰糖苷的水解途径

植物体内的氰苷在水解酶的催化下释放HCN用于防御之需，以及将氮和葡萄糖循环到其他代谢过程中。氰苷在植物和节肢动物中的水解途径非常相似，主要是由β-葡萄糖苷酶催化的，该酶去除了稳定氰苷结构的葡萄糖残基，将其转化为相应的α-羟基腈，然后在pH值>6的情况下自发分解为糖、酮类化合物和HCN(图2)，而在较低的pH值下水解反应由α-羟腈裂解酶催化[9]。有毒物质HCN对线粒体呼吸途径中的末端细胞色素氧化酶具有抑制作用[10]。β-葡萄糖苷酶已在许多生氰植物中被鉴定出[11]，该酶通常在酸性最适pH下非常稳定。α-羟腈裂解酶则仅从几种植物中分离出。最近在六星灯蛾中发现，β-葡萄糖苷酶负责水解氰苷的基因(ZfBGD2)在血淋巴的血细胞中表达，该酶可能起二聚体的作用，具有与植物β-葡萄糖苷酶相似的特性，并且对百脉根苷和亚麻苦苷的活性更高。尚不清楚如何调节酶活性以避免昆虫中毒，但有迹象表明α-羟腈裂解酶活性可能与β-葡萄糖苷酶联系紧密[1]。

2.3 氢氰酸的解毒途径

氰苷的代谢产物HCN对大多数食草动物都是有毒的。对于鳞翅目昆虫来说，摄食生氰植物是由于进化出了有效的排毒机制可以对HCN解毒，避免受其损害。目前在鳞翅目中发现有2种解毒途径：一种途径是由β-氰丙氨酸合成酶催化半胱氨酸或丝氨酸形成β-氰丙氨酸；另一种途径由硫氰酸酶利用半胱氨酸作为硫载体，将硫从硫代硫酸盐转移到HCN中，生成硫氰酸盐和亚硫酸盐(图2)。

在植物中，β-氰丙氨酸被氰丙氨酸合成酶催化为天冬酰胺或天冬氨酸和氨。在动物界中，仅在线虫和节肢动物中发现β-氰丙氨酸合成酶。通过鉴定β-氰丙氨酸合成酶催化氰苷的解毒产物β-氰丙氨酸，证实了鳞翅目以下16个科的昆虫体内含有β-氰丙氨酸合成酶，分别是：灯蛾科(Arctiidae)、拟夜蛾科(Cymatophoridae)、尺蛾科(Geometridae)、弄蝶科(Hesperidae)、拟蓑蛾科(Heterogynidae)、刺蛾科(Limacodidae)、灰蝶科(Lycaenidae)、毒蛾科(Lymantriidae)、绒蛾科(Megalopygidae)、夜蛾科(Noctuidae)、舟蛾科(Notodontidae)、蛱蝶科(Nymphalidae)、凤蝶科(Papilionidae)、粉蝶科(Pieridae)、巢蛾科(Yponomeutidae)和斑蛾科(Zygaenidae)[1]。上述科的一些属种摄取硫代葡萄糖苷而不是氰苷，研究发现在粉蝶体内的硫代葡萄糖苷也可以通过氰丙氨酸合成酶解毒[12]。

硫氰酸酶对HCN的解毒机制多存在于部分细菌、植物和动物(包括脊椎动物)。几乎所有脊椎动物都存在硫氰酸酶，但以氰化物在脊椎动物中的高毒性推断，硫氰酸酶催化并不是对氰化物非常有效的排毒机制[8]。除作用于HCN解毒外，硫氰酸酶还具有多种功能，其中最重要的是为蛋白质提供硫元素。由于一些以生氰植物为食的昆虫似乎缺乏这种酶，而许多食用非生氰植物的物种却存在这种酶，因此，硫氰酸酶在昆虫中可能与HCN排毒无直接关联，而是在初级代谢中起主要作用[1]。

3 生氰糖苷的生理功能

3.1 生氰糖苷的防御功能

许多有警戒色的鳞翅目昆虫与有毒植物有明显的联系，这些昆虫除了自身合成防御化合物外，有时还从植物中螯合防御化合物[13]。这种自身合成和螯合同一种氰苷的能力似乎仅限于鳞翅目昆虫。脂肪族氰苷亚麻苦苷和百脉根苷是广泛存在于含氰鳞翅目昆虫中的防御化合物，通常在昆虫的一个或多个生命阶段中进行生物合成。少数鳞翅目昆虫含有的芳香族氰苷最有可能是从食用植物中螯合而来。

网蛾科的Calindoeatrifascialis为防御天敌捕食分泌的毒液，其成分中含有苯甲醛、苯甲酸和扁桃腈[3]。枯叶蛾科的苹天幕毛虫(Malacosomaamericanum)的幼虫遇危险时，会从口器反流一滴含有苯甲醛和HCN的肠溶液，成功抵御捕食性蚂蚁的侵害。六星灯蛾的幼虫遇到捕食者攻击时，其体背的表皮腔中会释放高粘性的无色液滴，将捕食者的下颚和腿粘在一起防止被其捕食，这些防御性的液滴含有很高浓度的亚麻苦苷和百脉根苷[14]。还有斑蛾科的幼虫当以无氰植物为食，不得不自行合成所需的全部氰苷时，其发育会受到阻碍，表现出较高的死亡率。因此，从食用植物中获取氰苷仍然是鳞翅目昆虫获得氰苷的主要方式。

3.2 生氰糖苷的信息功能

由于氰苷的水解产物易挥发，所以有学者认为氰苷在昆虫的种间和种内通讯中起作用。如袖蛱蝶科Heliconiineerato的雌蛾，可以利用食用植物中的挥发性氰化物来引导它们到达双花西番莲(Passiflorabiflora)叶片上产卵。研究发现，斑蛾科未交尾过的雌蛾比交尾过的雌蛾释放更高水平的HCN、丙酮和2-丁酮，这表明氰苷的水解产物在雌性唤起行为中起作用[15]。雌蛾以HCN、丙酮和2-丁酮作为性信息素诱引雄性来交配，为其输送氰苷来储备防御化合物，尤其是如果雌蛾交配不止一次时，则雄蛾提供的氰苷对于雌蛾防御化合物的储备非常重要。这一功能在六星灯蛾成虫中也被观察到。

3.3 生氰糖苷对于还原氮和葡萄糖的储存与动员

氰苷是一种非常稳定的化合物，由于附着有葡萄糖分子，在内源性转移途径的作用下，氰苷可以作为碳水化合物和还原氮的机动储存库，在初级代谢中发挥作用[16-17]。在斑蛾科幼虫到成虫的变态过程中，体内的氰苷损失55%左右。由于粪便、蜕皮和茧壳中的氰苷含量很少或没有，因此这种损失不能用排泄来解释[18]。斑蛾在化蛹过程中，HCN和氰苷的其他水解产物的排放不是连续的，而是在转化阶段的短暂时期发生的[19]。由于变态过程中会产生大量含甲壳素的几丁质，因此可能通过快速转换储存在斑蛾科幼虫中的氰苷来获取氮。可能的途径是通过β-氰丙氨酸合成酶将氰苷解毒产生的β-氰丙氨酸转化为天冬酰胺和天冬氨酸[20]，然后通过转氨酶或谷氨酸脱氢酶进一步催化，氮通过N-乙酰基葡萄糖胺并入甲壳素中。灰蝶科的伊眼灰蝶(Polyommatusicarus)也被认为在其发育过程中利用了氰苷水解产生的氮(可能还有葡萄糖)[21]。釉蛱蝶亚科的拴袖蝶(Heliconiussara)通过用硫醇基团取代腈，将螯合的环戊烯类氰苷(表-异叶大风子腈苷，epivolkenin)转化为非氰基化合物(sarauriculatin)[22]，释放的氮用于其他代谢过程。

3.4 生氰糖苷含量作为择偶标准

研究发现，六星灯蛾雌蛾拒绝与氰苷含量较低的雄蛾交尾[23]，但当这些雄蛾被注射了亚麻苦苷或百脉根苷后，雌蛾就会与之交尾[15]。这表明雌蛾能够评估每个雄蛾可为其贡献多少氰苷。灯蛾科的响盒蛾(Utetheisaornatrix)中也发现了这样一种评估系统，该系统包含用于化学防御的吡咯里西啶生物碱(pyrrolizidine alkaloids)。雄蛾求偶时将其中一些吡咯里西啶生物碱转化为性信息素，然后通过腹部毛刷释放，吸引雌蛾交配。雌蛾能够通过腹部毛刷来评估雄蛾防御化合物的多寡，优先选择含有高数量氰苷的雄蛾进行交尾[24]。斑蛾科的雄蛾也有腹部毛刷，雌蛾在交配后显示出较高的氰苷含量，表明氰苷是雄蛾向雌蛾求偶并取得交配权的重要物质，转移的氰苷存放在斑蛾(Zygaena)和红带袖蝶(Heliconiusmelpomene)的受精囊中[25]。在交尾过程中，六星灯蛾雄蛾将体内约30%的氰苷转移给雌蛾[26]，转移来的氰苷主要用于雌蛾的自身防御，只有少量转移到了卵中[27]。

4 讨 论

化学防御是昆虫与植物相互作用的关键组成部分，氰苷是植物重要的防御化合物，昆虫为了生存繁衍摄食生氰植物的同时也在不断进化，通过解毒、排泄或螯合等方式来克服植物防御系统产生的危害。对鳞翅目昆虫来说，氰苷也是重要的防御化合物，可能氰苷的分布范围比目前发现的还要广泛。从幼虫到成虫的整个生命周期中，氰苷具有多种生理功能，除了作为重要的防御化合物之外，氰苷的挥发性水解产物具有信息素的功能，充足的氰苷可以用作求偶礼物获得交配权，以确保更好地保护配偶和后代，还能在需要时用来抵消初级代谢失衡的存储化合物。近年来，有关氰苷在节肢动物中的成分鉴定及生物合成和水解途径等方面的研究成为热点，但是对于氰苷的分布，它们在防御中的作用以及它们在细胞和亚细胞中的存储位点方面的关键结论尚不清楚。另外，昆虫与植物间的氰苷代谢途径的趋同进化也是一个未知之谜，还需要不断的探索研究。