实蝇雄性引诱剂及其代谢研究进展

刘旭祥, 季清娥

(福建农林大学生物防治研究所, 联合国粮农组织/国际原子能机构实蝇防控中国合作中心,生物农药与化学教育部重点实验室, 闽台作物有害生物生态防控国家重点实验室, 福州 350002)

实蝇隶属双翅目(Diptera)实蝇科(Tephritidae),广泛分布于除两极之外的热带、亚热带以及温带地区;绝大多数属植食性,幼虫潜叶、食芽、蛀茎、蛀根、蛀果,潜叶危害或造成虫瘿,另外尚有极少数种类属非植食性(Christenson and Foote, 1960; 梁广勤等, 1993; Headrick and Goeden, 1998; Vargasetal., 2010)。

全世界已知实蝇科昆虫近500属5 000余种(Clarkeetal., 2005; Scolarietal., 2021),其中具有经济意义的实蝇累计26属233种(White and Elson-Harris, 1992),是最具经济重要性的实蝇科之一(梁广勤等, 1993; Hsuetal., 2012),目前在实际生产防治中使用的实蝇引诱剂主要包括雄性实蝇引诱剂和双性实蝇引诱剂。雄性实蝇会被一些特定的化合物所吸引,一般称之为雄性引诱剂(male lures)。雄性实蝇引诱剂可以分为两大类,一类是天然植物挥发物,例如:甲基丁香酚(methyl eugenol, ME)、覆盆子酮(raspberry ketone, RK)、姜酮(zingerone, ZG);另一类是人工合成的天然产物类似物,例如:4-(4-乙酰氧基苯基)-2-丁酮(cuelure, CL)、叔丁基-4-氯-2-甲基环己烷-1-羧酸酯(trimedlure, TML)、乙烷基4-(和5-)碘代-反-2-甲基环己烷-1-羧酸酯(ceralure, CRL)(Chambers, 1977; Sivinski and Calkins, 1986; 蔡晓明等, 2018)。

自然界植物释放的挥发性信息化合物不仅是植物的语言,而且可以作为害虫信息素发挥作用,在害虫天然产物引诱剂的研发中扮演着重要角色,但是存在挥发性过高、空气中快速氧化、含量低且难以人工合成的问题;天然信息素的多样性为人工合成其高效类似物提供结构借鉴,而类信息素与天然信息素相比具有更优异的理化和毒理学特性(郑丽霞等, 2018)。类信息素无论在高效性、特异性还是稳定性方面都表现出明显的优势,可以解决天然信息素面临的问题,而且类信息素作为天然信息素的模拟物、增效剂或抑制剂,可以用于害虫的预测预报、诱集捕杀、统防统控、交配干扰等多个领域,应用前景广阔(Renou and Guerrero, 2000; 郑丽霞等, 2018; Reddyetal., 2020)。植物挥发物对调节植物-害虫、植物-天敌、害虫-天敌及植物-害虫-天敌之间的关系起到重要作用,从植物挥发物中分离鉴定到的部分信息化学物质已被应用于实蝇害虫的防控(Pickettetal., 1997; Agelopoulosetal., 1999; Aldrichetal., 2003)。受启发于自然界植物与实蝇害虫之间千丝万缕的联系与相互作用,植物挥发物及其人工合成类似物与实蝇害虫的相互作用在实蝇雄性引诱剂的深度开发与应用过程中备受关注(钦俊德和王琛柱, 2001; 秦秋菊和高希武, 2005; 张真等, 2022)。类似于实蝇取食植物可以为其自身信息素的合成提供前体物质(蔡晓明等, 2018),雄性实蝇在被雄性引诱剂吸引的同时会贪婪地进食引诱剂;对这种雄性实蝇被特定化合物强烈吸引并进食现象的解释为,雄性实蝇取食这些特定的化合物用于合成信息素(Shellyetal., 2010),进而获得交配优势(Kumaranetal., 2014)。

实蝇取食雄性引诱剂的研究与信息素和类信息素紧密相关,取食雄性引诱剂造成的影响与多样化的昆虫信息素和类信息素发挥作用的机制不尽相同,明确昆虫信息素与类信息素的分类将有助于指导雄性实蝇取食引诱剂现象的揭秘。昆虫信息素(来自希腊语“φερειν”-transfer和“oρμαν”-excite)是由昆虫分泌释放至体外、能够在个体间传递信息、引起同种或异种个体产生生理或行为反应的微量化学物质,是昆虫交流的语言(闫凤鸣, 2011; 闫凤鸣等, 2013; Scolarietal., 2021)。作为信息素研究领域的重点,性信息素一直扮演着无可替代的角色。实蝇科昆虫的性信息素活性成分主要由雄成虫直肠上所包含的直肠腺释放(Arita and Kaneshiro, 1986; Wee and Tan, 2005; Tokushimaetal., 2010),例如:加勒比按实蝇Anastrephasuspensa、蒲桃实蝇Bactroceraalbistrigatus、杨桃实蝇B.carambolae、番石榴实蝇B.correcta、黄瓜实蝇B.cucumis、橘小实蝇B.dorsalis、辣椒实蝇B.latifrons、 昆士兰实蝇B.tryoni、地中海实蝇Ceratitiscapitata、瓜实蝇Zeugodacuscucurbitae;但也有极少数是由雌成虫直肠腺释放,例如:橄榄实蝇B.oleae(Benellietal., 2014; Zhangetal., 2019)。

在植物长期的进化过程中,苯丙氨酸代谢通路最后可以产生ME和RK等物质(Metcalf and Kogan, 1987; McPheron and Steck, 1996),而且两类物质一直是取食效应研究的聚焦点。由于RK对实蝇的引诱效果在近距离时较为显著且RK常温下呈固态、挥发性差,而其类似物CL在远距离时效果更佳且挥发性好,故RK与CL的研究常被划分为一类(Metcalf, 1990)。大多数雄性引诱剂要么吸引对ME有反应的实蝇,要么吸引对RK/CL有反应的实蝇(Drew, 1974);这种现象可能是由于雄性实蝇特定嗅觉感器的进化发展导致,这种嗅觉感器在结构上与特定的苯丙烷类或苯丁烷类物质互补(Metcalfetal., 1979, 1983)。不同实蝇对不同引诱剂的反应差异诠释了实蝇与腐烂果实的常见腐生关系的进化差异(Drew, 1974; Metcalfetal., 1979, 1981, 1983, 1986; Drew and Hooper, 1981; Metcalf and Mitchell, 1990; Raghu, 2004; Tanetal., 2014)。

对ME有反应的实蝇类群相关研究表明:(1)ME代谢产物与雄性性信息素的内源性成分一起被储存和释放;(2)含有这些代谢产物的信息素对雌性表现出极强的吸引力;(3)饲喂ME(或含有ME的植物)的雄性享有更高的交配成功率。对RK有反应的实蝇类群相关研究表明:(1)RK不会被分解或代谢,以原有形式被隔离储存;(2)雌性对进食RK的雄性产生的信息素表现出强烈偏好性;(3)摄入RK会显著短暂提高雄性的交配成功率(Shelly, 2010)。对CL有反应的实蝇类群研究相对较少,研究表明:实蝇取食CL后在体内以水解产物储存在直肠腺中进而作为信息素成分发挥作用(Nishidaetal., 1993; Tan and Nishida, 1995)。

昆虫自身的生物学特性及其生长发育状况、复杂多变的生态环境、一系列人为活动等因素,都会影响昆虫产生用于交流的信号,同时,也增加了高效实蝇雄性引诱剂研发的难度。不断被研究发现的实蝇信息化学物质(例如:植物挥发物及其类似物)是开发实蝇雄性引诱剂的基石;同时,在实蝇雄性引诱剂使用过程中,对雄性实蝇取食引诱剂现象的深入探讨将会促进实蝇信息化学物质的研究发现;两者既相互区别,又互相联系。最常见的引诱剂取食代谢效应是,实蝇摄入的引诱剂在求偶期作为雄性信息素的一部分释放之前,以未改变的原始物质状态或改变的全新代谢物状态经血淋巴转运到隔离和储存雄性信息素的腺体中,然后与信息素一起释放发挥作用(Hee and Tan, 2006; Wee and Tan, 2007)。这样的信息素更有吸引力且最大程度保障雄性交配的成功(Kumaranetal., 2013; Weeetal., 2018a; Shamshir and Wee, 2019)。本文综述了主要实蝇雄性引诱剂及其代谢,以期为实蝇引诱剂的开发提供研究参考与思路指南。

1 ME

一个多世纪前,Howlett(1912)在测试蝇类引诱剂时发现香茅精油对寡鬃实蝇属Dacus的实蝇具有吸引效果,并且实蝇会取食香茅精油;研究首次表明,香茅精油对雄性实蝇的吸引是由于一种化学成分,即甲基丁香酚(4-allyl-1,2-dime-thoxy-benzene)所导致(Howlett, 1912, 1915; Tanetal., 2021),这种化学物质自然存在于38个不同目的80个科中的450多种植物中,含量从微量到超过90%不等(Tan and Nishida, 2012)。被号称为“实蝇伟哥”的ME是已知的一种独特且最有效的实蝇雄性引诱剂。有多种对ME有反应的果实蝇属实蝇,包括几种推测的果实蝇属复合姊妹种,如:杜英实蝇B.cacuminata、杨桃实蝇B.carambolae、番石榴实蝇B.correcta、橘小实蝇B.dorsalis、达尔文实蝇B.opiliae、面包实蝇B.umbrosa、桃实蝇B.zonata、B.musae和B.xanthodes等(Tan and Nishida, 2012; Vargasetal., 2015; Naazetal., 2016; Royer and Mayer, 2018; Royeretal., 2019b; Weeetal., 2020; Manoukisetal., 2023)。实蝇在距离引诱剂800 m甚至是1 km处都会有反应(Steiner, 1952; Roomietal., 1993),其发挥作用的机理研究对于指导引诱剂的开发与研制价值巨大。

随着实蝇对ME的强烈趋性与取食现象引起广泛关注,Fitt(1981)率先提出ME或ME衍生化合物是雄性实蝇释放的性信息素的一部分;不同种类的实蝇取食摄入ME后生物转化的产物有所差异(表1)。对于性成熟或接近性成熟时取食ME的雄性实蝇,如:杨桃实蝇B.carambolae、番石榴实蝇B.correcta、橘小实蝇B.dorsalis、面包实蝇B.umbrosa和桃实蝇B.zonata来讲,会将取食的ME作为一种前体物质,由单一成分产生到各种内源成分组合,在雄性实蝇体内进行代谢后转化为信息素成分,通过血淋巴运输到直肠腺储存和释放。这种取食效应可使信息素更具吸引力,最大程度提高雄性的交配性能和竞争力且保障雄性实蝇交配的成功(Kumaranetal., 2013; Weeetal., 2018a; Shamshir and Wee, 2019)。

表1 果实蝇属实蝇取食摄入甲基丁香酚(ME)后生物转化的代谢产物Table 1 Biotransformated metabolites in Bactrocera fruit flies after ingestion of methyl eugenol (ME)

尽管小部分(<5%)雄性杨桃实蝇在成虫羽化后10 d内就对ME有反应,而雄性橘小实蝇在14 d左右对ME有反应,但大部分(>80%)杨桃实蝇对ME的最佳反应时间出现在较大日龄,因此,喂食ME对橘小实蝇产生的反应更明显(Weeetal., 2002)。而且喂食橘小实蝇ME后约15 min即可出现雄性血淋巴中苯丙烷类物质的积累、在喂食6 d后达到峰值且可在直肠腺中储存3周,在喂食21 d后表现出明显的交配优势,获得交配优势可持续35 d之久(Nishidaetal., 1988; Shelly and Dewire, 1994)。面包实蝇在羽化(尚未性成熟)后7 d约22%的雄成虫对ME有反应,而在羽化后10 d超过50%的雄成虫对ME有反应。与其性成熟程度相对应,ME对雄性实蝇的吸引力在10-27 d达到高峰。喂食ME可以使杨桃实蝇与面包实蝇更早的开始召唤、聚集、炫耀、求偶,它们对处女雌性实蝇的吸引比例显著高于未喂食ME的雄性实蝇。即便杨桃实蝇雄性处在静止状态,雌性也会向喂食ME的雄性表现一种交配接受姿态。未喂食ME的雄性经常聚集在1头喂食过ME的雄性周围,进食、召唤、交配,这种聚集行为和肛门分泌物摄食行为可能会转移它们对交配的注意力,并在一定程度上保障取食过ME的雄性实蝇能够拥有更高的交配成功率,这是取食过ME的雄性实蝇将其生物转化为信息素进而体现在竞争中的生殖优势(Weeetal., 2007, 2018a)。供给ME时,雄性橘小实蝇会产生一种诱导一系列行为模式的触角多肽。多肽会诱导摄食行为,如将多肽注射到从未接触过ME的同种或异种(例如:杨桃实蝇)雄性实蝇体内时,雄性实蝇会频繁地挤出喙部增加探测行为(Tan, 2000b)。体外研究表明,在橘小实蝇雄性体内ME转化为苯丙烷类物质涉及一种解毒代谢酶,即基于细胞色素P450系统的混合功能单加氧酶(CYP450),昆虫经一个氧化过程解毒并将ME转化为危害较小的副产物,在释放前储存在直肠腺中(Hee and Tan, 2004; 刘喃喃等, 2006; Felton and Tumlinson, 2008; Kimetal., 2011; 彭威等, 2020; 李欣莲等, 2022)。

橘小实蝇将ME转化为3种信息素成分2-烯丙基-4,5-二甲氧基苯酚(2-allyl-4, 5-dimethoxyphenol, DMP)、反式松柏醇(trans-coniferyl alcohol, ECF)和顺-3,4-二甲氧基肉桂醇(cis-3, 4-dimethoxycinnamyl alcohol, ZDMC),DMP的累计量较大,ECF和ZDMC的累计量相对较少。DMP, ECF和ZDMC不仅是性信息素,还是聚集信息素(Hee and Tan, 2006; Wee and Tan, 2007)。随着黄昏的临近,光照强度的降低被认为是实蝇开始交配所需的正常刺激。当光照强度降低到300～700 lx(对应于黄昏交配期的开始)时,雌性橘小实蝇对DMP和ECF反应最明显(Hee and Tan, 1998; Khooetal., 2000; Weeetal.,2007)。巧合的是,黄昏时刻不仅是实蝇求偶的时间也是实蝇直肠腺化合物释放的时间,两者时间相吻合背后蕴藏着极为深远的生态学意义。在性成熟时,橘小实蝇除取食消耗ME在体内代谢产生信息素成分以外,还可代谢产生内源性性信息素成分N-3-甲基丁基乙酰胺(MBA)和6-羰基-1-壬醇(OXO)(Nishidaetal., 1988)。而饲喂ME的番石榴实蝇雄性在直肠腺中分离出ZDMC和顺式松伯醇(ZCF)两种不同的代谢物,且两者总量达100 μg/头。取食ME的番石榴实蝇与橘小实蝇的直肠腺中所累计的代谢产物存在差异,可能是因为差异代谢物在同域物种的种内或种间相互作用中发挥不同功能(Tokushimaetal., 2010)。

ME通过二甲氧基苯环上的对羟基化迅速生物转化为DMP,相较于ECF和ZDMC,DMP对性成熟雄性实蝇更有吸引力。性成熟雄性橘小实蝇对DMP的反应在白天较高而晚上较低,雄性橘小实蝇是否交配对于对DMP的嗅觉反应并没有显著影响。但是,单独提供给雌性橘小实蝇DMP时,雌性实蝇未表现出接受交配的姿势。毒理学试验表明, DMP是安全无毒的,是一种应用于橘小实蝇防控的高效、环保引诱剂(Dengetal., 2021)。相比之下,ME的烯丙基侧链上较慢的对羟基化则导致ECF含量较低,且ECF对性成熟雄性实蝇的引诱效果弱于DMP。雄性实蝇在近距离接触ECF时表现出类似于对ME的取食效应,雄性实蝇被ECF强烈吸引并以该化合物为食(Tan and Nishida, 1998)。相较于DMP,单独提供给雌性橘小实蝇ECF时,ECF可以诱导雌性实蝇的产卵器伸长,呈现出一种接受交配的姿势。而DMP, ECF和DMC单独提供给雌性时,ECF是最具吸引力的。ECF可以诱导一定比例的雌性橘小实蝇“Z”字形飞行。DMP和ECF的组合引诱试验表明,两者组合处于次优浓度时才增强ECF的吸引力,这两种化合物以0.5 mg/15 min的释放速率吸引大多数雌性橘小实蝇(Khooetal., 2000),可以引起更高的雄性实蝇反应百分比(Nishidaetal., 1990)。因此,为了增加ECF的吸引力,需要以正确的比例与DMP, DMC, MBA和OXO混合。

血淋巴作为雄性实蝇取食ME后代谢产物的转运载体,揭示了雄性实蝇取食ME后的代谢产物到直肠腺的转运过程。首次喂食ME后,即可在雄性橘小实蝇的血淋巴中检测到ME的代谢产物。其次,处女雌性实蝇与雄性实蝇交配时,被雄性实蝇的直肠腺分泌物吸引并进食。在己烷中进行薄层色谱(thin layer chromatography, TLC)后在乙酸乙酯溶剂系统中,实蝇在TLC板上发现血淋巴提取物的起始点并在其上进食(Hee and Tan, 2004)。雄性橘小实蝇被以ME喂养的雄性实蝇血淋巴提取物吸引并取食,而不以未提供ME的雄性实蝇血淋巴提取物为食;对ME喂养的雄性血淋巴提取物进行化学分析,发现存在性信息素成分(Metcalfetal., 1975; Hee and Tan, 2004)。ME衍生的信息素成分的存在、血淋巴中ME的缺失和雌雄性实蝇的行为反应表明,血淋巴参与了性信息素成分到直肠腺的运输。

昆虫不育技术(sterile insect technique, SIT)中的辐照处理导致不育雄性实蝇交配竞争力降低,提高不育雄性实蝇的交配竞争力是成功应用SIT的关键,而取食效应对雄性实蝇的作用被视为一种重要的提升不育雄性交配竞争力的方法。虽然取食ME可以提高雄性实蝇的交配成功率,但是与取食ME的雄性交配的雌性可能会储存更少的精子,并更快地再交配,这可能牵扯到有关ME在代谢过程中的高耗能与一定的取食毒性(Shellyetal., 2005);而且取食ME对其生殖器官大小和附腺产物没有明显影响,最终,不育雄性未能发挥预期作用,不能实现交配抑制。因此,探索对ME的高效替代物质十分必要,氟原子强大电负性会引起分子中电子分布的变化进而使分子极性发生一定变化,利用氟原子或含氟基团对天然信息素成分中的氢原子或极性基团进行取代,可以使替代物质的结构更符合应用要求,例如:ME的氟化类似物FME和RFME。对替代极为有利的是,在田间试验测试中FME表现出与ME相近的引诱活性,这将加速ME替代品的研究(Khrimianetal.,1994, 2006, 2009; Liquidoetal.,1998)。由此可见,将天然或代谢产物中的信息素成分应用于SIT以达到不育雄性实蝇在田间的交配竞争力提高依然存在难度(Orankanoketal., 2007)。

对SIT实施有利的是,以ME为食的实蝇雄成虫重复进食的发生率较低,这使得ME处理过的毒饵能够在雄性湮灭技术(male annihilation technique, MAT)处理中发挥很好的作用,在野生雄性交配产生后代前将其灭杀,提高不育雄成虫对野生雄成虫的替代作用(Robinson and Hendrichs, 2005)。取食ME还可以提高雄性实蝇体内的蛋白质储备,蛋白质含量可能会影响雄性求偶过程中信息素的产生和能量消耗,从而导致取食过ME的雄性整体交配成功率更高,但在日龄较小时这种交配优势不明显,依然会低于野生橘小实蝇(Reyes-Hernándezetal., 2019)。但在实蝇雄成虫龄期较小时,取食ME的同时补充高蛋白质饲料会显著提升其交配优势(Orankanoketal., 2013)。低概率的重复进食与高含量的蛋白质储备,是取食效应可用于优化SIT的重要特征。

2 RK

RK存在于自然界的多种植物中(Hirvetal., 1981; Hirv and Honkanen, 1984; Marcoetal., 1988),是兰花、蔷薇和菊花等植物挥发物的组成成分,一种由花朵自然分泌的物质吸引雄性实蝇进行授粉(Tanetal., 2002)。为了促进异花授粉,RK也是一种重要野生石豆兰属Bulbophyllum兰花(例如:Bulbophyllumapertum)传粉者的回馈物质,可以吸引近300种果实蝇属和50余种寡鬃实蝇属及部分镞果实蝇属实蝇,例如:B.albistragata,B.caudata,B.melastomatos,Z.cucurbitae和Z.tau(Metcalf, 1990; Tan, 2009; Tanetal., 2014)。作为一种适应和进化,石豆兰属花有着高度可移动的唇瓣,有助于提高实蝇进行授粉的效率;RK主要分布在活动的唇瓣上,这也是雄性实蝇进行探测后最终取食RK的位置(Tan and Nishida, 2005)。对RK有反应的雄性实蝇会将RK与内源性合成成分一起代谢消耗和隔离储存在体内,形成雄性信息素来吸引雌性,或起到阻止脊椎动物捕食的作用,而且可能增加雄性的交配能力(Khoo and Tan, 2000; Tan and Nishida, 2005)。

截至目前已经揭示RK有两种作用:一是作为性信息素成分吸引同种雌性,二是作为聚集信息素成分吸引同种雄性形成求偶场(Kuba and Sokei, 1988; Tan, 1993; Tan and Nishida, 1998, 2020),并且RK还是一种利己素(Tan, 2000a)。瓜实蝇雌性会优先与喂食RK的雄性交配(Nishidaetal., 1993)。此外Akter等发现,可能是因为代谢的增强,将RK喂食给未性成熟雌雄性昆士兰实蝇会增加其性发育的速度。如果雌性的选择性交配涉及争夺竞争或耐力竞争因素,新陈代谢的增强可能会使雄性更积极地表现求偶行为,进而增加雄性获得配偶的机会(Akteretal., 2017a, 2017b)。

3 ZG

4-(4-羟基-3-甲氧基苯基)-2-丁酮/姜酮[4-(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-2-butanone]是一种存在于生姜根茎中的化学物质,也在野生兰花Bulbophyllumpatens和B.baileyi的花序香味中被发现。因其化学结构类似于ME(含甲氧基活性基团)和RK(含丁酮侧链)(Tan and Nishida, 2000),所以能够吸引多种对ME或RK/CL有反应的雄性实蝇,例如:B.albistrigata,B.carambolae,B.caudata,B.umbrosa,Z.cucurbitae和Z.tau;但ZG的引诱活性弱于ME/CL。同时,ZG也可吸引部分对ME或RK/CL无明显反应的雄性实蝇,例如:B.aglaiae,B.aurea,B.jarvisi,B.speewahensis和D.secamoneae,诱虫谱较广但高效性与专一性较低(Khoo and Tan, 2000; Tanetal., 2002; Fay, 2012)。这些雄性实蝇是几种石豆兰属兰花(例如:Bulbophyllumbaileyi,B.patens和B.praetervisum)的重要传粉媒介,ZG作为一种吸引和奖励物质被植物释放回馈于雄性实蝇。

与ME和RK类似,雄性实蝇取食ZG后储存在直肠腺中的物质因实蝇类群不同而有所差异,取食ZG的雄性实蝇对雌性实蝇表现出更高吸引力。南亚实蝇雄成虫取食50 μg ZG后直肠腺提取物对同种雌成虫具有显著的吸引力,雄成虫初次取食后的交配优势可以持续7 d(Shamshir and Wee, 2019)。雄性昆士兰实蝇通过取食ZG获得多次交配机会,提高交配成功率,取得交配优势,但这种优势仅为1 d甚至更短;且取食可以导致雌性昆士兰实蝇的生殖力增加和再繁殖能力降低(Kumaranetal., 2013; Shamshir and Wee, 2019)。这可能是因为摄入的ZG发生不同生物转化导致,昆士兰实蝇将少量ZG转化为RK和β-(4-羟基-3-甲氧基苯基)-丙酸[β-(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-propionic acid],显然,RK可以提高雄性实蝇的交配成功率,但是尚未对其他代谢转化成分所发挥的潜在功能进行研究。作为扎氏果实蝇的一种特定雄性引诱剂和监测剂(Fay, 2012),喂食ZG会显著提高雄性扎氏果实蝇的交配成功率,ZG用量对交配优势持续时间有显著影响;相比于RK喂食的雄性扎氏果实蝇,雌性扎氏果实蝇更喜欢与ZG喂食的同种雄性交配(Wee and Clarke, 2020)。

取食代谢导致ZG储存的形式因物种而异,除上述昆士兰实蝇对少量ZG的代谢转化形式以外,ZG可以以原有形式被隔离储存(Kumaranetal., 2014)。其次,部分种类实蝇(例如:瓜实蝇和橘小实蝇)可以将ZG转化为4-(4-羟基-3-甲氧基苯基)-2-丁醇/姜醇[4-(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-2-butanol](zingerol, Zgol)(Tan and Nishida, 2000)。在瓜实蝇雄性隔离储存大量ZG的同时,也会有相对少量的Zgol被隔离储存,两者比例与自然界兰花中的比例高度相似(Tan and Nishida, 2000)。然而,在有关橘小实蝇的相关研究中则表明,雄性橘小实蝇将ZG转化为Zgol吸引雌性时,雄性隔离储存了大量的Zgol,而ZG量相对较少,其比例与兰科植物花中所发现的比例明显不同;这可能是因为雄性橘小实蝇优先将ZG转化为Zgol,进行Zgol的合成(Tan and Nishida, 2007)。因实蝇种类不同,ZG和Zgol的混合物以不同的比例被隔离储存(Tan and Nishida, 2000, 2007)。雄性实蝇直肠腺中的ZG和Zgol不仅可以刺激雄性的性活动,而且可以吸引雌性实蝇(Tan and Nishida, 1995)。毫无疑问,在这种独特的互惠关系中,雄性实蝇和野生兰花都能获得一定繁殖利益。

尽管如此,由于没有对喂食ZG的雄性和未喂食的雄性进行雄性信号转导率和信息素成分的比较,因此无法确定雌性吸引力的增加是由于信息素释放频率的增强,还是信息素成分的改变,或者两者兼有。然而,Shelly(2017)发现,在被喂食ZG后没有证据表明瓜实蝇的雄性交配能力增强。瓜实蝇将少量ZG转化为Zgol,但是尚未对Zgol所发挥的潜在功能进行研究;如果Zgol对瓜实蝇雄性交配成功率没有影响,那么部分ZG转化为Zgol可能是导致ZG对瓜实蝇雄性交配成功率没有影响的原因(Seguraetal., 2018)。

4 CL

作为瓜类实蝇高效引诱剂代表之一的CL可以吸引多种实蝇雄成虫,例如:B.albistrigata,B.breviaculeus,B.caudata,B.curvipennis,B.distincta,B.facialis,B.frauenfeldi,B.kirki,B.melanota,B.obliqua,B.psiidi,B.tryoni,Dacusbivittatus,D.longicornis,D.punctatifrons,Z.cucurbitae和Z.tau等(Limetal., 2012; Vargasetal., 2015; Royeretal., 2019a, 2019b, 2020; Weeetal., 2020; Onsongoetal., 2022; Manoukisetal., 2023)。雄性实蝇摄入CL后在直肠腺中积累了它的脱酰衍生物,吡嗪类、脂肪胺类和2-乙氧基苯甲酸衍生物已被鉴定为雄性瓜实蝇直肠腺分泌物的主要成分,其中主要的挥发性芳香物质被鉴定为4-羟基苯甲酸甲酯、4-羟基苯甲酸乙酯(乙酯含量会随着性成熟从成虫早期的低含量逐渐增加,达到10 μg/雄)和4-羟基苯甲酸丙酯,它们与CL都是RK的类似物(Nishidaetal., 1990)。以瓜实蝇为例,RK与CL之间存在一定的生物转化关系,雄性瓜实蝇在有水分的情况下食用CL后很容易将其在体内转化为RK,且饲喂CL后6 h即可在雄性瓜实蝇直肠腺中被隔离储存(Nishidaetal., 1993)。人工诱捕的雄性瓜实蝇在直肠腺中选择性地积累挥发性芳香物质的水解衍生物RK,因此,访问产生和释放RK兰花的雄性实蝇类群都会对CL有强烈趋性(Nishidaetal., 1993; Clarkeetal., 2002; Tan and Nishida, 2005)。Tan等(2014)报道在巴布亚新几内亚的某些石豆兰属兰科植物中检测到了CL和诱虫酮(anisylacetone),之前CL一直被认为是一种合成化合物(Tanetal., 2014; Seguraetal., 2018; Royeretal., 2020; Aryaetal., 2022; Tarnoetal., 2022)。

与对ME有反应的实蝇类群相似,在对CL有反应的实蝇类群中,CL对雄性实蝇的吸引力远远大于对雌性实蝇的吸引力;在性成熟后,CL对雄性实蝇的吸引力会大幅增加(Fitt, 1981; Wongetal., 1991; Tan and Nishida, 1995;Weldonetal., 2008)。瓜实蝇雄成虫取食CL可以显著提高其交配竞争力,雌性会优先与喂食CL的雄性交配。虽然雌性瓜实蝇会优先与喂食CL的雄性交配,但雌性并没有通过与喂食CL的雄性交配来获得直接的健康效益,喂食CL没有介导雄性射精的成分和数量改变,进而没有提高雌性的寿命和繁殖能力(Shelly and Nishimoto, 2017)。

瓜实蝇雄成虫喂食CL后1 d,在性成熟的雄性直肠腺中检测到少量的4-羟基苯甲酸乙酯和相对大量的RK和壬二醇(nonanediol),后者作为雄性实蝇直肠腺主要信息素成分,其含量从2周龄时约0.1 μg增加到5周龄时的4.5 μg(Nishidaetal., 1993)。而在有关昆士兰实蝇取食CL后的代谢物研究中发现,以CL为食的雄性昆士兰实蝇直肠腺体中检测到几种酮类物质,其中部分酮类成分含量随着雄性昆士兰实蝇性成熟而增多,说明雄性昆士兰实蝇取食CL后,在其直肠腺代谢转化为以酮类为主成分的物质暂存(Tan and Nishida, 1995)。虽然性成熟的雌性实蝇对这些酮类物质没有反应,但是在实验室条件下,性成熟的雄性实蝇则会被酮类物质吸引并以此为食(Hee and Tan, 1998),这种现象的产生可能是因为雄性昆士兰实蝇取食CL后的代谢产物主要对同种性成熟同性起到吸引作用,可能在求偶场的形成方面发挥一定作用(Tan and Nishida, 1995)。

在瓜实蝇雄成虫取食CL后通过内源性产生壬二醇作为性信息素成分及发挥抗捕食作用时,会消耗较多代谢能用于合成化合物以储存在直肠腺中;而橘小实蝇雄成虫取食ME时,相比于前者则消耗更少的能量即可将ME转化后运输到直肠腺储存;即:前者产生内源性成分,然后隔离存储信息素成分以增强信息素和防御系统,后者消耗并转化外源性ME以产生信息素和异单体成分,从而消耗更少的代谢能(Tanetal., 2002)。自然界中,已经被记录到可以分泌ME的植物种类远远多于可以分泌RK/CL的植物种类,一定程度上可能说明物种丰富度与其对应的代谢能消耗多少与进化水平存在一定联系,即被ME吸引的实蝇物种在进化上比被RK/CL吸引的实蝇物种更先进(Tan and Nishida, 2000)。

5 3-羟基-α-紫罗兰酮 (3-hydroxy-α-ionone)

3-羟基-α-紫罗兰酮是一种存在于茄子中的雄性辣椒实蝇特异性引诱剂。以茄果为食的雄性性成熟辣椒实蝇选择性地在直肠腺中积累系列3-氧合-α-紫罗兰酮/α-紫罗兰醇(3-oxygenated-α-ionone/α-ionol)及其类似衍生物,例如:3-氧代-α-紫罗兰醇(3-oxo-α-ionol)和3-氧代-7,8-二氢-α-紫罗兰醇(3-oxo-7,8-dihydro-α-ionol)。喂食3-羟基-α-紫罗兰酮、3-氧代-α-紫罗兰醇或3-氧代-α-紫罗兰酮(3-oxo-α-ionone)的雄性实蝇,在摄入后6 h内,可将其部分生物转化为3-氧代-7,8-二氢-α-紫罗兰醇,并在直肠腺(5 μg/腺体)隔离储存;异佛尔酮/3,5,5-三甲基-2-环己烯-1-酮(isophorone/3,5,5-trimethyl-2-cyclohexene-1-one)和异佛尔醇/3,5,5-三甲基-2-环己烯-1-醇(isophorol/3,5,5-trimethyl-2-cyclohexene-1-ol)具有α-紫罗兰酮/α-紫罗兰醇(α-ionone/α-ionol)(即三甲基环己烯)的部分骨架结构,它们对辣椒实蝇雄性具有吸引力,并且它们与辣椒实蝇雄性引诱剂α-紫罗兰醇(latilure)的混合物表现出比任何单个化合物更强的活性(Ishidaetal., 2008)。

与先前有关实蝇类害虫信息素成分储存腺体的研究结果相同,直肠腺同样被认为是辣椒实蝇的信息素储存器,这些雄性活性成分可能作为性信息素或其前体,在黄昏求偶期间吸引雌性,其方式类似于其他果实蝇属实蝇物种利用苯丙烷类挥发物吸引同种雌性(Nishidaetal., 2009)。

6 β-石竹烯 (β-caryophyllene, CAR)

CAR是一种植物天然倍半萜烃产物,通常作为番石榴和芒果等番石榴实蝇的主要寄主水果挥发性成分(Chyauetal., 1992; White and Elson-Harris, 1992; Allwoodetal., 1999; Tamuraetal., 2000)。雄性番石榴实蝇可以在性成熟以后直接从植物源中获得倍半萜碳氢化合物并储存在直肠腺(超过250 μg/腺体)中,这些化合物包括β-石竹烯、α-葎草烯(α-humulene)和香橙烯(alloaromadendrene),因此在野生雄性番石榴实蝇信息素腺体中可以检测到大量的CAR。成熟番石榴果实比未成熟果实产生更多CAR,因为CAR的气味类似于寄主水果,于是有观点认为雄性实蝇在求偶期间释放的直肠腺倍半萜类物质可能是在向雌性传递成熟果实的存在(Chyauetal., 1992; Soaresetal., 2007; Tokushimaetal., 2010)。

雄性番石榴实蝇对CAR和ME都有趋性,但个体性成熟前对CAR的趋性和需求均更强。CAR能够以类似于ME的方式,在喂食1 d后增加番石榴实蝇雄性的交配成功率(Orankanoketal., 2013),这是一种雄性交配竞争力提升的外在表现(Weeetal., 2018a)。半野外试验中,CAR喂养的雄性实蝇与ME喂养的雄性实蝇在竞争同种雌性时的竞争力相当;田间双选试验中,让雌性在CAR或ME喂养的同种雄性之间做出选择时,交配成功率没有差异;野外试验中,CAR仅诱捕到番石榴实蝇,但是ME还可以诱捕到橘小实蝇;对于番石榴实蝇而言,CAR比ME更具效力和特异性(Weeetal., 2018b; Zhangetal., 2019)。因此,CAR比ME更能满足MAT的先决条件,因为它能在性成熟之前诱捕和消灭许多龄期较小的野生雄性实蝇。这将指导以提升交配竞争力为目的的不育雄性释放前处理技术的发展,提升不育雄性田间交配竞争力的同时降低其对引诱剂的反应灵敏程度,提高SIT雄虫的野外适应性。雄性引诱剂的应用与推广将大大提升SIT、MAT、蛋白饵剂技术(protein bait technique, PBT)的使用效率与防治效果(Vargasetal., 2010; Stringeretal., 2017; Enkerlin, 2021)。

7 小结与展望

雄性实蝇引诱剂在实蝇害虫的防控中占有重要地位,其与害虫之间的微妙关系成为诸多代谢研究的落脚点。本文立足于雄性实蝇引诱剂取食效应的研究聚焦点,综述了甲基丁香酚、覆盆子酮、姜酮、4-(4-乙酰氧基苯基)-2-丁酮、3-羟基-α-紫罗兰酮和β-石竹烯6种实蝇雄性引诱剂及其代谢相关的研究进展,内容主要包括雄性实蝇的取食行为及其代谢变化、取食效应对实蝇行为反应的影响、取食过引诱剂的雄性实蝇对雌雄实蝇的吸引效果及其交配成功率变化等方面,旨在为雄性实蝇引诱剂取食效应的研究提供基础,为实蝇引诱剂的研制提供指南。

不难发现,对ME, RK, ZG和CL等实蝇害虫雄性引诱剂的研究中,部分物质的作用机理及其代谢产物、储存位置等已经得到证明,效果明显的物质已被开发成商品制剂进行实际推广应用。大面积推广使用的单一主成分雄性引诱剂ME,虽然引诱效果显著,但刺激的行为反应相对较少,而以多种成分作为一个整体复合单元可以引发一系列行为反应(Robacker and Wolfenbarger, 1988)。但是识别这种复杂信号机制将是一项巨大的挑战,同时也为后续研究注入新活力(Tanetal., 2014)。不仅如此,ME还有一定的取食毒性,会威胁到天敌的生存,ME对捕食性天敌壁虎肝脏具有毒性,症状包括肝组织变色和硬化,胆囊变白,或出现肿瘤(Wee and Tan, 2001)。因此,对雄性引诱剂作用机理、代谢机制、合成途径及实际应用的探究十分必要,引诱剂的使用不仅需要考虑防治对象的广度,而且还要充分综合其对生态环境及天敌昆虫等造成的影响。同时,随着组学、生物信息学、分子生物学新兴技术手段的兴起,雄性实蝇对特异性引诱剂产生趋性的分子机理被愈发重视起来(Diasetal., 2018; Verschutetal., 2018; 彭威等, 2020; 李静静等, 2022)。

有关实蝇害虫,集中于Anastrepha(Nation, 1972, 1989, 1990),Bactrocera(Fletcheretal., 1968; Kobayashietal., 1978; Bakeretal., 1980; Kuba and Sokei, 1988; Poramarcom and Baimai, 2020)和Ceratitis(Arita and Kaneshiro, 1986; Quilicietal., 2002)信息素研究当中,直肠腺一直作为参与挥发性信息素产生的热点腺体被用于信息素的分离、鉴定及代谢与功能分析等研究,截至目前已有多种实蝇进行过直肠腺信息素物质的提取(表2)。其实,在有关蜡实蝇属Ceratitis实蝇(例如:地中海实蝇)的研究中表明,雄性实蝇具有3种性别特异性腺体,分别是:肛腺(anal glands)、胸膜腺(pleural glands)和二态唾腺(dimorphic salivary glands)(Nation, 1981)。按实蝇属Anastrepha实蝇有胸膜腺与二态唾腺,但是没有肛腺(Nation, 1972, 1981)。驮实蝇属Toxotrypana实蝇有胸膜腺,雄性实蝇胸膜腺会出现膨胀(puffing)现象(Landolt and Hendrichs, 1983; Tanetal., 2014)。遗憾的是,本文重点介绍的果实蝇属Bactrocera实蝇,肛腺与二态唾腺均不存在(Fletcher,1968, 1969; Nation, 1981)。由于对寡鬃实蝇属Dacus实蝇与绕实蝇属Rhagoletis实蝇相关研究缺乏,因此特异性腺体在两属中的存在情况有待探究。对特异性腺体的结构与功能研究可能揭开信息素或类信息素发挥作用的新机制。类似于对腺体多样性的探索,发挥引诱剂识别作用的部位不仅有触角,还有喙与下颚须(Fanetal., 2022)。随着研究的深入,越来越多的证据表明,实蝇在感知引诱剂过程中不仅有触角的识别作用,雄性实蝇的喙与下颚须也发挥着无可替代的作用。例如:雄性昆士兰实蝇在识别CL时,主要使用下颚须而不是触角来探测和响应CL;而且下颚须在短距离和长距离下补充了雄性橘小实蝇基于触角的ME探测,但在近距离下喙所发挥的作用大于下颚须(Parketal., 2018; Verschutetal., 2018; Fanetal., 2022)。喙与下颚须可能是双翅目实蝇嗅觉研究的另一个重点,可能在指引雄性实蝇较短距离内发现靠近引诱源方面发挥了巨大作用(Chiengetal., 2018)。下颚须、触角与喙对引诱剂的感知效应研究有助于深层次的揭开实蝇感知引诱剂全过程感器参与的神秘面纱,为后续取食效应的研究奠定坚实的基础,极大程度上帮助我们理解引诱剂与实蝇间的互作。

表2 实蝇科已从直肠腺提取物鉴定过信息素的物种与性别对应表(改自Scolari et al., 2021)Table 2 List of Tephritidae species and sexes for which pheromones have been identified from rectal gland extracts (adapted from Scolari et al., 2021)

表3 实蝇科已鉴定表皮碳氢化合物(CHs)的物种与发育阶段对应表(改自Scolari et al., 2021)Table 3 List of Tephritidae species and developmental stage for which cuticular hydrocarbons (CHs) have been identified (adapted from Scolari et al., 2021)

取食引诱剂对雄性实蝇求偶、交配、繁殖等方面的影响研究已经在多种实蝇物种中得到证实,但是针对雌性实蝇的相关研究较少,例如:雌性实蝇更倾向与取食过引诱剂的雄性实蝇交配,这种现象会对雌性实蝇造成什么样的直接影响,截至目前几乎没有研究涉及。与取食引诱剂的雄性进行交配,雌性会获得什么益处值得探究;这将有助于更加全面、深刻地理解实蝇对引诱剂的响应机制,有助于揭秘雌雄两性在取食效应下各自发挥的重要作用与相互的内在复杂联系。