保幼激素类似物的研究进展与应用

应澍也，李颖慧，徐豫松，王华兵

（浙江大学 动物科学学院，浙江 杭州 310058）

昆虫的生长发育和变态主要是由促前胸腺激素（Prothoracicotropic hormone，PTTH）、蜕皮激素（Moulting hormone，MH）及保幼激素（Juvenile hormone，JH）等控制［1］。其中，保幼激素为除植物外，节肢动物独有的激素［2］，由脑后的一对咽侧体合成并分泌到血淋巴中，其分泌水平直接影响了昆虫的发育情况和生理机能［3］。随着生物学研究技术的迅速发展，自JH 被Wigglesworth（1934）发现至今，关于JH及其类似物的研究与应用获得了许多进展。

1 保幼激素及其类似物的研究进展

1.1 保幼激素的合成、分泌、代谢及调节

昆虫血淋巴循环系统中保幼激素滴度稳态是由其生物合成和代谢过程共同保持的［4］。JH的生物合成途径主要是：乙酸、丙酸→甲羟戊酸→焦磷酸法呢酯→法呢酯→JH。从法呢酯→JH 的生物合成途径，因昆虫种类的不同而异［5］。

保幼激素的分泌和转运途径主要为：JH自咽侧体合成后分泌至血液，与其中的血淋巴JH载体蛋白（hemolymph JH binding protein，hJHBP）结合形成JH-载体蛋白质复合体，依靠其自身的血液循环到达靶细胞，并与JH受体作用进而调控相应基因的表达，决定昆虫的生长发育［6］。保幼激素的代谢由保幼激素酯酶（Juvenile hormone esterase，JHE）、保幼激素环氧水解酶（Juvenile hormone epoxide hydrolase，JHEH）和保幼激素二醇激酶（Juvenile hormone diol kinase，JHDK）等催化完成。JH 在JHE 的催化下生成保幼激素酸，也可在JHEH 的催化下生成保幼激素二醇。保幼激素酸和保幼激素二醇分别可在JHEH和JHE的催化下生成相同的产物——保幼激素酸二醇，存在于一些昆虫细胞质中的JHDK 也可催化保幼激素二醇生成保幼激素二醇磷酸［7］。完整保幼激素代谢图可参考图1。昆虫通过神经刺激、脑分泌的神经肽物质——促咽侧体素（Allatotropin，AT）咽侧体抑制素（Allatostatin，AS）及血液中和JH代谢相关的酶调节控制血液中JH滴度［8］。

图1 保幼激素代谢途径模式图Fig. 1 Metabolic pathway model of juvenile hormone

保幼激素的主要合成为法尼基二磷酸（Farnesyl diphosphate，FPP），FPP 可经由甲羟戊酸途径（MVA path）或丙酮酸途径（DXP path）合成异戊烯焦磷酸，再经由酶促反应得到［9］。Cheng等比较分析了家蚕（Bombyx mori）和黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）等昆虫中数十种与JH合成、代谢及信号传导相关的基因，发现果蝇、家蚕等昆虫中的MVA 途径、JH 生物合成的神经肽调控和JH 信号传导等相关基因多为单拷贝，再次证明了与JH相关的生化途径和步骤在昆虫中相对保守；但若干JH代谢相关基因在鳞翅目中出现明显的多拷贝，猜测JH代谢相关基因的复制可能与鳞翅目进化密切相关［10］。

1.2 保幼激素类似物的研究进展

1.2.1 保幼激素类似物的主要类型

农药的使用对人类和环境健康产生了重大的负面影响。保幼激素靶向性强，是一种良好的昆虫生长调节剂（Insect growth regulators，IGR），可替代许多对环境具有公害的化学杀虫剂。它不会对昆虫产生较为迅速的触杀毒性，但会长期影响昆虫的生理并对其生命活动产生干预［11］。天然的保幼激素在阳光照射下易分解，使之不利于在生产上应用，故人们研究开发了保幼激素类似物（Juvenile hormone analogue，JHA），其按结构和来源可以分为3 类：1）JH结构类似物，以烯虫酯（Methoprene）及其结构类似物烯虫炔酯（Kinoprene）等为代表，此类化合物生物活性可达保幼激素本身的400 倍。2）JH活性类似物，这是一类在分子中引入苯环或杂环的化合物，和JH本身的结构差异较大，但具有更稳定的保幼激素类似物的活性，因此广泛应用于农林及卫生害虫的防治。商品化生产实际应用的主要种类有：双氧威（Fenoxycarb）、吡丙醚（Pyriproxyfen）和哒幼酮（NC-170）等。 3）从植物中分离得到的JH 活性类似物。目前可查证的该类JH 类似物至少有16 种。其中Nama sandwicense是第一个被发现的同时含有保幼激素活性和抗保幼激素活性化合物的植物［12］。

1.2.2 保幼激素类似物作用的关键受体

虽然早在1970 年代中期就已经发现了保幼激素类似物，但是它的作用机制，特别是JH 活性类似物如何在结构差异明显的情况下具有更稳定的保幼激素活性，是在发现JH受体（JH receptor，JHR）后才得以解释［13］。当幼虫达到适当大小时，JH合成停止，抑制变态的基因Krüppel-homolog 1（Kr-h1）表达下降，成虫得以发育，但JHR基因一直在表达［14］。因此，在无JH基因表达时期用JH或其JH类似物处理可阻止变态，而破坏变态则是保幼激素类似物的主要杀虫方式［15］。

20 世纪末，Wilson 等对黑腹果蝇基因进行筛选后发现了耐烯虫酯蛋白（Met），鉴定其具有类核受体（basic-helix-loop-helix，bHLH）/Per-Arnt-Sim（PAS）特性，应为腹黑果蝇的JHR［16］。而后续研究表明，一种因Met基因片段重复而产生的旁系同源基因GCE和Met的双突变体果蝇死亡，单突变体个体可以存活［14］。最终确认，Met/GCE是真正的JH细胞内受体［17］。

2 保幼激素类似物的开发应用研究

2.1 保幼激素类似物在害虫防治中的应用

2.1.1 保幼激素类似物在防治农业害虫上的应用

保幼激素类似物已被应用于水稻、玉米和果蔬等的害虫防治。烟粉虱（Bemisia tabaci）是一种寄主广泛的田间害虫，为害方式主要为传播植物病毒［18］，何振华等试验得出喷洒0.2 g/L 吡丙醚于豆角，5 d后虫口减退率达61.57%，适合Q型烟粉虱卵块较多时使用［19］。杨帅等采用无人机施药技术喷洒3%苯氧威乳油，以防治玉米害虫亚洲玉米螟（Ostrinia furnacalis），试验得出建议飞行高度为1 m，用药剂量600 mL/hm2，喷洒药液量为12 L/hm2［20］。桃树蚜虫为影响桃树产量的关键害虫，雷改平等试验得出对有虫株率为100%的桃园施药3%高渗苯氧威1 000倍液，8 d后虫口减退率为84.57%［21］。朱新海等指出在商品蘑菇培育上可使用保幼激素类似物烯虫酯和氯菊酯，以控制害虫平菇瘿蚊和斯式菌瘿蚊的繁殖速度［22］。Chacón-Benavente R 等使用昆虫不育技术（Sterile insect technique，SIT）来防治斜纹夜蛾（Spodoptera litura），发现保幼激素类似物烯虫酯可应用于该技术大规模快速生产不育且能够长时间保持性成熟的雄性昆虫［23］。

2.1.2 保幼激素类似物在防治林业害虫上的应用

保幼激素类似物因其靶向性强且无公害，在林业方面也得到推广应用。许先坤等比较常用药剂对紫薇长斑蚜虫（Tinocallis kahawaluokalaniKirkaldy）的防治效果，得出苯氧威防效最好，施用3%高渗苯氧威1 000倍稀释液8 d后，虫口减退率可达84.57%［24］。采用3%高渗苯氧威或其乳油可有效防治美国白蛾（Hyphantria cunea）、云杉线小卷蛾（Zeiraphera canadensisMutuura et Freeman）和橡胶盔蚧（Parasaissetia nigraNietner）等林业害虫，施药后防治效果可达90%及以上，且对生态环境无不良影响［25］。孙国山等将高渗苯氧威乳油与吡虫啉以45∶20的比例复配，显著提高了原有单一农药对马尾松害虫松梢螟（Dioryctria Splendidella）的防治效果［26］。

2.1.3 保幼激素类似物在防治储粮害虫上的应用

在仓储害虫防治上，保幼激素类似物多种类别组合使用或与其他农药复配使用较多。实践上多使用保幼激素组合Methoprene＋Chloryurifos-methyl或Synergized Phenothrin＋Chloryurifos-methyl＋Piperonylbntoxide以抑制多种玉米病虫害，达到良好贮存的效果［27］。有研究表明，苯氧威对玉米象和谷蠹的杀虫持效期长，对粮食无污染，对黄粉虫生长发育也具有显著的抑制作用，能有效控制其危害；用苯氧威处理能确保所储稻谷一年基本无虫，且对稻谷发芽率无显著影响［32］。

2.1.4 保幼激素类似物在防治卫生害虫上的应用

罗礼智等研究发现，使用烯虫酯30 µg/蛾可降低虫［Mythimnaseparata（Walker）］雌性的飞行能力［29］。于长明等发现吡丙醚处理可影响德国小蠊（Blattella germanica）卵黄发生，使羽化雌性虫不育，影响其繁殖［30］。

2.1.5 保幼激素类似物在防治烟草害虫上的应用

烟草甲（Lasioderma serricorne）是烟叶贮存时的主要贮烟害虫，研究发现使用10-20 mg/kg 苯氧威处理烟叶10 个月后，对烟草甲的防治效果达到100%，苯氧威表现出较强的类保幼激素活性，可观察到烟草甲为滞育状态或已死亡，苯氧威有望替代对人体具有毒害的熏蒸剂农药［31］。烟蚜（Myzus persicae）为种植烟草中遇到的主要害虫之一，烟蚜茧蜂（Aphidius gifuensis）是其优势寄生蜂。白晶晶等发现，在温度10 ℃时使用烯虫乙酯（1 000 ng/µL）处理后，烟蚜茧蜂蛹羽化时间延迟56 h［32］。

2.2 保幼激素类似物在资源昆虫中的应用

2.2.1 保幼激素类似物在蚕业方面的应用

施用保幼激素类似物以提高家蚕增丝效果的技术已有50年左右的历史，相关研究围绕保幼激素的施用时间、次数、用量、处理方式以及与蜕皮激素的配合使用等展开。施药时间以5 龄中期偏早为宜。徐建春适当使用保幼激素可溶性粉对5龄期蚕进行添食，能够调节蚕生长发育，延长5龄期10 h左右并使其多食桑叶，可以用于抗高温逼熟或桑叶过剩［33］。庄大桓等利用保幼激素反复给法可以进一步提高增产效果，使用ZR-515对5龄家蚕进行2次体喷，可增产20%，茧丝纤度增粗可达10%，且未发现明显不良影响［34］。但近年来，保幼激素类似物杀虫剂引发蚕中毒的情况时有发生，故采取预防措施来推进该类农药的科学与规范使用愈加重要［35］。

2.2.2 保幼激素类似物在养蜂业方面的应用

蜜蜂是一种社会性昆虫，级型分化是其维持正常群体生活的基础。有研究发现咽侧体中保幼激素合成水平与级型分化存在关联，雄蜂和工蜂幼虫的保幼激素合成水平几乎相同，而雄性和雌性蜜蜂幼虫中保幼激素的合成存在差异［36］。血淋巴中保幼激素的滴度是调控不同年龄段与工作阶段的蜜蜂行为活动的基础［37-39］。周冰峰等使用剂量0.05～0.005 µg的ZR-512 处理蜂王，可使交配时间提前2.4～2.6 d，增加有效产卵量［40］，对扩大蜜蜂群势、保证工蜂数量及提高蜂群生产力遒奠定基础。但Chang等研究表明，工蜂以专门的觅食活动为节点改变其分工角色，烯虫酯会提早该行为的发生，同时在一定程度上降低觅食活动时间，故施用该保幼激素类似物需要注意可能引起的蜂群群体阶级变化［41］。

2.3 保幼激素类似物的其他应用与研究进展

关于保幼激素类似物的应用研究，在经济昆虫饲养、农业害虫防治等方面已有较多进展。Devi 等以蜜蛾（Galleria mellonella）为研究对象，比较了保幼激素类似物吡丙醚和苯氧威对5龄幼虫的毒害能力，发现四（2-氯乙基）二氯异戊基二磷酸酯（V6）毒性最强，致死中浓度（LC50）值为0.11 mg/mL［42］。白蜡虫（Ericerus pela Chavannes）分泌的白蜡在我国医药与工业领域都有广泛使用；刘妮等使用2.5 mg/ml吡丙醚喷施处理2 龄白蜡虫雄幼虫提高其泌蜡量，具体增效因地域环境而异［43］。亚洲瓢虫异色瓢虫（Harmonia axyridis）是几种农业害虫（包括蚜虫和粉虱）的重要捕食者，商业上需要大规模饲养以控制害虫［44］。路玉婷等发现1 mg/Kg烯虫乙酯施用下可使捕食性昆虫异色瓢虫（Harmonia axyridis）正常繁殖，保证其农药上控害能力，并对其后代无生存不良影响［45］。刘永平等研究表明10 µg/头浓度Methoprene 处理可延长斜纹夜蛾（Spodoptera litura）末龄幼虫的寿命，提高其幼虫的病毒产量［46］。Zhu 等敲除了埃及伊蚊（Aedes aegypti）转录因子E93，发现在E93 突 变 中，Broad complex 和Krüppel homolog 1（Kr-h1）转录因子表达水平增加，而幼虫组织程序性细胞死亡（PCD）和自噬相关的基因表达减少，为烯虫酯的作用机制提供了新见解［47］。杀虫剂通过直接杀死或调节蜘蛛的发育和繁殖来伤害有益的生物体，如捕食性蜘蛛。使用苯氧威可显著上调稻田中主要掠食性蜘蛛Pardosa pseudoannulata的JH 生物合成相关基因的转录水平，从而延缓了其表皮蜕皮［48］。用0.5 nmol/L～10 µmol/L 不同浓度的fenoxycarb 对Sf21 细胞系进行细胞毒性试验，以48 h 下的IC25浓度处理72 h后，可见细胞间隙扩大，细胞凋亡增加；在共聚焦显微镜分析中，通过Hoechst-33，342观察到细胞核浓缩并折叠成许多碎片；研究结果证实了Sf21细胞系中存在芬氧威介导的细胞凋亡和抑制细胞增殖［49］。研究人员在400个全基因组转录组基础上重建了拟毛单蚁（Monomorium pharaonis）和棘蚁（Acromyrmex echinatior）2 种蚂蚁的个体发育轨迹，发现保幼激素信号通路通过调节体重差异，在级型分化中发挥关键作用［50］。

3 展望

综上所述，保幼激素类似物是一种生产实践上重要的昆虫生长调节剂，对自然环境公害低，在环境问题严重的当下，应合理开发利用该种杀虫剂，并科学使用该种生长调节剂于经济昆虫的饲养中。关于保幼激素的合成、代谢和调控方式，科学界已有合理阐释；但保幼激素在不同生物中的合成途径特异性需要被关注和完善，科学家们目前也对保幼激素滴度与各种非生物因素如随温度、光周期和饮食等的变化关系也非常有兴趣［15］。同时，保幼激素是否存在更多的同源物也是值得探究的问题。