丝带凤蝶与马兜铃的适应关系及其应用价值研究

廖弘宇

湖南第一师范学院，湖南长沙 410000

在漫长的接触和相互选择中，昆虫与寄主植物之间建立了长期且稳定的相互关系，尤其是专食性昆虫，选择单一的植物作为唯一的食物来源，昆虫在摄入营养上客观存在的一些问题，植物在长期的生存过程中相互影响，并逐渐产生了独特的物理以及生理生化防御途径和机制。

马兜铃和丝带凤蝶就是在漫长的选择中形成的协同进化关系，马兜铃对取食它的昆虫已经形成了以马兜铃酸为毒性物质的特殊生物化学防御机制，没有特殊解毒机制的昆虫难以规避马兜铃酸对机体造成的伤害。而丝带凤蝶也形成了一套有效的解毒的机制避免马兜铃酸对自身带来的伤害，虽然目前国内外关于丝带凤蝶代谢马兜铃酸A的具体降毒的生理生化机制仍不清楚，但是关于丝带凤蝶的研究仍是学者关注的热点。

目前，已经有相关的研究对丝带凤蝶进行了全基因组测序研究，也针对丝带凤蝶自身基因功能上可能的代谢马兜铃酸解毒机理作了分析和推测。但是关于它肠道微生物在这个过程中是否起到关键作用还有待研究，很多鳞翅目的昆虫以富含有毒物质的植物为食，其肠道微生物对有毒物质有一定的降毒作用，而肠道微生物直接接触食物中的马兜铃酸，如何应对其毒性仍不得而知。含有马兜铃酸的中药材、中成药等不在少数，以丝带凤蝶这个关键专食性昆虫为线索探究马兜铃酸的降毒机制，能为新型发酵技术和生物工程等方向降解马兜铃酸A降低此类中药材的毒性、保留，甚至提升药效成分物质提供新的研究思路。

1 丝带凤蝶及其分布规律

丝带凤蝶（Sericinus montelusGray）隶属于凤蝶科（Papilionidae）、锯凤蝶亚科（Zerynthiinae）、丝带凤蝶属（Sericinus）。以马兜铃为寄主植物的丝带凤蝶属在全世界仅记载1种，为东亚地区特有种，主要分布于中国、俄罗斯、韩国及日本，曾被列为我国14种珍贵蝴蝶种类之一[1]。丝带凤蝶是专食性昆虫，它的幼虫食物为马兜铃属（Aristolochia）的植物的叶片，主要包括马兜铃（Aristolochia debilis）和北马兜铃（Aristolochia contorta），也有研究报道取食铁线莲状马兜铃（Aristolochia clematitis）[2-3]。在已报道的寄主中，北马兜铃主要分布于北方，铁线莲状马兜铃主要分布于欧洲；而马兜铃主要分布于我国黄河流域以南至长江流域，位于长江流域及以南的各个省区也有一定分布，也有研究报道日本当地有马兜铃分布。丝带凤蝶的分布主要受其专一性寄主植物马兜铃分布区的限制[4]。

2 马兜铃酸的毒性生理生化机制

马兜铃酸（AAs）属于3，4-次甲二氧基-10-硝基-1-菲酸的系列衍生物，首见于马兜铃科马兜铃属（Aristolochia L.）的植物中因此而闻名，在植物体内马兜铃酸A（AAⅠ，或称马兜铃酸Ⅰ）存在最广泛。目前，有明确毒性作用的成分有马兜铃酸A、马兜铃酸B，而富含马兜铃酸的植物中马兜铃酸A的含量最高，且它与腺嘌呤A形成的加合物可以在体内长期存在而具有致癌性及致突变性[5-6]。此外，马兜铃酸Ⅰ还会导致肾小管上皮细胞坏死，并进一步导致肾脏纤维化和肾衰竭，是肾毒性的主要来源。它的作用机理主要包含：（1）马兜铃酸A的暴露可诱导生过量的ROS/RNS诱发细胞发生氧化应激而导致细胞损伤。（2）马兜铃酸A诱导细胞凋亡在蛋白质水平上的机制是通过促进促凋亡蛋白的表达，抑制抗凋亡蛋白的表达。Xie等[7]的实验揭示了马兜铃酸A诱导细胞凋亡的机制是通过抑制PI3K/Akt信号通路。Zhou等[8]的研究表明马兜铃酸A诱导细胞凋亡的方式是通过p53信号通路。（3）马兜铃酸A诱导的间质炎症能够显著影响慢性肾脏病进展[9]。

马兜铃属植物对专食性寄主昆虫以外的昆虫具有较强的毒性，相关学者使用1年生的当年7月的马兜铃叶饲养甜菜夜蛾幼虫，幼虫全部死亡。而其他用多年生马兜铃叶饲养的甜菜夜蛾幼虫死亡率也显著高于丝带凤蝶。余森泉等[10]用马兜铃科马兜铃属的金狮藤提取液处理家蝇成虫和埃及伊蚊四龄幼虫，对2种试验昆虫都表现出较强的杀虫活性。Venkatraman等[11]通过提纯印度马兜铃得到马兜铃酸A和马兜铃酸B，对疟蚊四龄幼虫有较强的杀虫活性。

3 丝带凤蝶对马兜铃酸的解毒机制

关于丝带凤蝶对马兜铃酸的解毒机制目前还没明确的研究，主要集中在2个方面：

第一，丝带凤蝶自身的生理生化与分子生物学机制，P450酶是一类不同的基因，在内源性和外源性化学物质的代谢中起重要作用。已有相关研究表明，AAs已经被证明与马兜铃酸肾病甚至相关的尿路上皮恶性肿瘤高度相关；在小鼠和大鼠等哺乳动物中，肝细胞色素P450s可能有助于这些植物毒素的解毒[12]。在幼虫阶段检测到98个P450基因中的47个的表达水平高于其他阶段。在47个高表达基因中，有37个显著过表达。

第二，在之前的研究中，哺乳动物对AA有耐受性的115个基因中，人肾上皮细胞过度接触AAs可能会改变延长蛋白A（eloa）和含有1（HEATR1）的HEAT重复序列。

4 微生物的降解有毒物质作用

在自然界中，许多植物的组织内含有一些有毒的化合物以抵御食草昆虫的取食，这些物质对食草动物可能造成一定危害。然而，某些昆虫可以针对性地吸收植物中的某些毒素，并将其转化成其他无毒的化合物，从而适应这种植物，能够避免在这类毒性物质给昆虫机体造成损害。

一些植食性昆虫依靠肠道微生物与其形成稳定共生关系，能够利用微生物的代谢能力分解这些有毒物质，从而减轻自身的毒害并获得营养。微生物是昆虫应对植物有毒物质解毒的生理生化过程中的关键因素，有时这种代谢过程甚至可以为昆虫提特殊营养。这类关于昆虫与微生物相互关系的研究在生态学和进化生物学领域中也是研究热点。

目前，国内外尚没有关于其寄主动物丝带凤蝶肠道微生物代谢分解食物中毒性物质的研究。但类似的共生现象在鳞翅目昆虫当中十分普遍，肠道微生物可以协助宿主分解代谢所取食的植物中有毒的化学物质。很多研究显示：鳞翅目昆虫与肠道微生物互利共生，并与之协同进化。微生物直接或间接作用于宿主，如舞毒蛾（Lymantria dispar）取食山杨（Populus davidianaDode），肠道中的不动杆菌属微生物能够降解寄主植物中富含的酚苷类化合物（phenolic glycosides），其宿主能长期适应此类化合物而不受到损害[13]。毛健夜蛾（Brithys crini）肠道内的微生物对宿主适应取食植物起到了关键作用，其肠道内的杆菌属细菌有降解生物碱的毒性的功能，而酪黄肠球菌（Enterococcus casseliflavus）能有益于昆虫耐受植物分泌的天然乳胶，肠道内的微生物基于互利共生的生态关系为昆虫的消化道提供了一定的保护作用[14]。小菜蛾（Plutella xylostella）的中肠微生物能够降解其寄主十字花科植物富含的有毒物质苯酚的能力[15]。有研究使用枯草芽孢杆菌对含有马兜铃酸A的4种中药材进行体外发酵，能够降低药材中马兜铃酸A的含量。

此外，有基于马兜铃的根际微生物的分离纯化得到11株有降解马兜铃酸A能力的微生物样品。其中以鞘脂菌属的微生物对马兜铃酸A的降解能力最为显著。有关研究表明，某些特殊的微生物可以生成与哺乳动物药物代谢酶功能相似的细胞色素P450同工酶，以及其他与药物代谢有关的酶系。这类微生物的一些Ⅰ相和Ⅱ相药物代谢反应与哺乳动物类似[17]。由此可以推断，枯草芽孢杆菌能产生一类与之相似的具有代谢功能的酶，以类似于哺乳动物体内代谢的方式进行分解转化，在此微生物发酵过程中药材中马兜铃酸A得到有效降解，其总含量降低。

5 中药材传统发酵降毒应用

我国对微生物的利用的历史悠久，早在几千年前祖先熟练掌握使用微生物进行初步发酵的技术。从最初的“杜康”使用“酒曲”发酵谷物酿酒，之后通过更加丰富多样的发酵技术生产醋、酱。在汉晋时期，医家开始利用微生物发酵药材，通过微生物的发酵作用，改变了药材的性质和功效，使其更适合医疗应用。这种利用微生物发酵药材的方法在中医药领域中具有重要意义，不仅丰富了药物的种类，还提升了药物的疗效。通过这些发酵药物，医家们能够更好地调配药方，用于治疗各种疾病。这一传统在后世也有所延续，并对中医药的发展产生了深远的影响。

利用微生物发酵炮制药材的过程有着复杂的生理生化反应，整个过程中随着大分子物质的消耗和一些小分子代谢产物的产生，这些物质可能具备某些药理活性，从而实现调整药性、减毒增效的目标。例如：中药附子有乌头碱毒性古法采用“大麦煮成粥，以曲造醋候熟去糟” “将附子去根须，于新瓮内淹七日”或者“以米粥及糟曲等淹之”等发酵方法解附子之“毒”。半夏是一种中草药，具有神经毒性、生殖毒性和致突变毒性等潜在毒性，误食可能会引起中毒并对健康造成严重威胁。然而，发酵过程中，微生物的代谢作用可能改变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，更适合医疗用途。这种通过微生物发酵降低草药毒性的方法在中药炮制中是常见的。发酵可以分解有毒成分，调整草药的药性，使其更适合治疗特定病症。古代时期，由于对微生物的认知水平受限且研究手段有限，导致在药用发酵和食品发酵过程中，人们采取的方法是在自然环境下，创造特定的培养条件，使得特定的微生物成为主导发酵的优势菌。

6 现代发酵降解马兜铃酸A应用研究

现代科技的进步使能够更好地理解微生物的作用，通过纯化、鉴定和控制微生物，提高发酵过程中产品的质量、安全性和稳定性。根据国家市场监督管理总局的相关数据显示，目前市面上可能含有24种药材其化学成分含有马兜铃酸，在已上市的47种中成药的配方中含有马兜铃属药材，含马兜铃酸的天然中药材主要有马兜铃、青木香、细辛、关木通、广防己等。因此，通过试验设计一种既能降低中药毒性又不破坏中草药有效成分的发酵工艺对充分利用传统中药资源具有十分宝贵的意义。

刘学湘等[17]采用对青木香的降毒发酵采用真菌固态发酵的形式，结果显示其筛选的13个微生物株系可以有效降解或转化马兜铃酸类化合物，发酵降毒效果优异（有毒成分降低50%以上）的真菌高达6种。曹艺等[18]选取了10个常见的微生物发酵工程菌种，以马兜铃属、细辛属等药材为原料，采用液体发酵技术对药材粉末进行生物转化脱毒，经检测显示有1个菌种对降解代谢此类中药材的马兜铃酸A的成分具备通用效果。向微等[19]的研究分别以马兜铃和樟树根际土壤微生物为源，从马兜铃根际土壤中分离纯化得到了33个微生物菌株，经试验验证其中11株菌种具备降解马兜铃酸A的能力，而从野外樟树根际土壤分离纯化得到的6株微生物不具备此特异性降解马兜铃酸A的能力。可以推断，并非所有微生物都富含代谢马兜铃酸A的相关功能基因，而与马兜铃有相关性的微生物，可能具备一定的降解马兜铃酸A的作用。

7 结论

丝带凤蝶是一类以马兜铃为食的专食性昆虫，其抵抗马兜铃酸A毒性的机制尚不清楚，虽然已经初步对丝带凤蝶进行了全基因组测序，并根据以往马兜铃酸A的毒性的作用机制和位点进行了分析和预测，但国内外仍未开展关于丝带凤蝶肠道微生物对马兜铃属植物的解毒机制研究。基于丝带凤蝶及其肠道微生物为试验材料研究马兜铃酸相关药材解毒发酵研究具有较好的针对性和科学性。根据国内外对于宿主植物—昆虫—肠道微生物的相关研究思路，未来可以从以下方面开展研究工作：（1）采用宏基因测序相关研究方法，研究丝带凤蝶肠道微生态结构和生物多样性，以及对丝带凤蝶肠道微生物基因功能进行预测；（2）采用基础传统微生物学研究方法分离纯化能有效降解马兜铃酸的相关微生物。