劉旭祥, 季清娥

(福建農(nóng)林大學(xué)生物防治研究所, 聯(lián)合國糧農(nóng)組織/國際原子能機構(gòu)實蠅防控中國合作中心,生物農(nóng)藥與化學(xué)教育部重點實驗室, 閩臺作物有害生物生態(tài)防控國家重點實驗室, 福州 350002)

實蠅隸屬雙翅目(Diptera)實蠅科(Tephritidae),廣泛分布于除兩極之外的熱帶、亞熱帶以及溫帶地區(qū);絕大多數(shù)屬植食性,幼蟲潛葉、食芽、蛀莖、蛀根、蛀果,潛葉危害或造成蟲癭,另外尚有極少數(shù)種類屬非植食性(Christenson and Foote, 1960; 梁廣勤等, 1993; Headrick and Goeden, 1998; Vargasetal., 2010)。

全世界已知實蠅科昆蟲近500屬5 000余種(Clarkeetal., 2005; Scolarietal., 2021),其中具有經(jīng)濟意義的實蠅累計26屬233種(White and Elson-Harris, 1992),是最具經(jīng)濟重要性的實蠅科之一(梁廣勤等, 1993; Hsuetal., 2012),目前在實際生產(chǎn)防治中使用的實蠅引誘劑主要包括雄性實蠅引誘劑和雙性實蠅引誘劑。雄性實蠅會被一些特定的化合物所吸引,一般稱之為雄性引誘劑(male lures)。雄性實蠅引誘劑可以分為兩大類,一類是天然植物揮發(fā)物,例如:甲基丁香酚(methyl eugenol, ME)、覆盆子酮(raspberry ketone, RK)、姜酮(zingerone, ZG);另一類是人工合成的天然產(chǎn)物類似物,例如:4-(4-乙酰氧基苯基)-2-丁酮(cuelure, CL)、叔丁基-4-氯-2-甲基環(huán)己烷-1-羧酸酯(trimedlure, TML)、乙烷基4-(和5-)碘代-反-2-甲基環(huán)己烷-1-羧酸酯(ceralure, CRL)(Chambers, 1977; Sivinski and Calkins, 1986; 蔡曉明等, 2018)。

自然界植物釋放的揮發(fā)性信息化合物不僅是植物的語言,而且可以作為害蟲信息素發(fā)揮作用,在害蟲天然產(chǎn)物引誘劑的研發(fā)中扮演著重要角色,但是存在揮發(fā)性過高、空氣中快速氧化、含量低且難以人工合成的問題;天然信息素的多樣性為人工合成其高效類似物提供結(jié)構(gòu)借鑒,而類信息素與天然信息素相比具有更優(yōu)異的理化和毒理學(xué)特性(鄭麗霞等, 2018)。類信息素無論在高效性、特異性還是穩(wěn)定性方面都表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢,可以解決天然信息素面臨的問題,而且類信息素作為天然信息素的模擬物、增效劑或抑制劑,可以用于害蟲的預(yù)測預(yù)報、誘集捕殺、統(tǒng)防統(tǒng)控、交配干擾等多個領(lǐng)域,應(yīng)用前景廣闊(Renou and Guerrero, 2000; 鄭麗霞等, 2018; Reddyetal., 2020)。植物揮發(fā)物對調(diào)節(jié)植物-害蟲、植物-天敵、害蟲-天敵及植物-害蟲-天敵之間的關(guān)系起到重要作用,從植物揮發(fā)物中分離鑒定到的部分信息化學(xué)物質(zhì)已被應(yīng)用于實蠅害蟲的防控(Pickettetal., 1997; Agelopoulosetal., 1999; Aldrichetal., 2003)。受啟發(fā)于自然界植物與實蠅害蟲之間千絲萬縷的聯(lián)系與相互作用,植物揮發(fā)物及其人工合成類似物與實蠅害蟲的相互作用在實蠅雄性引誘劑的深度開發(fā)與應(yīng)用過程中備受關(guān)注(欽俊德和王琛柱, 2001; 秦秋菊和高希武, 2005; 張真等, 2022)。類似于實蠅取食植物可以為其自身信息素的合成提供前體物質(zhì)(蔡曉明等, 2018),雄性實蠅在被雄性引誘劑吸引的同時會貪婪地進食引誘劑;對這種雄性實蠅被特定化合物強烈吸引并進食現(xiàn)象的解釋為,雄性實蠅取食這些特定的化合物用于合成信息素(Shellyetal., 2010),進而獲得交配優(yōu)勢(Kumaranetal., 2014)。

實蠅取食雄性引誘劑的研究與信息素和類信息素緊密相關(guān),取食雄性引誘劑造成的影響與多樣化的昆蟲信息素和類信息素發(fā)揮作用的機制不盡相同,明確昆蟲信息素與類信息素的分類將有助于指導(dǎo)雄性實蠅取食引誘劑現(xiàn)象的揭秘。昆蟲信息素(來自希臘語“φερειν”-transfer和“oρμαν”-excite)是由昆蟲分泌釋放至體外、能夠在個體間傳遞信息、引起同種或異種個體產(chǎn)生生理或行為反應(yīng)的微量化學(xué)物質(zhì),是昆蟲交流的語言(閆鳳鳴, 2011; 閆鳳鳴等, 2013; Scolarietal., 2021)。作為信息素研究領(lǐng)域的重點,性信息素一直扮演著無可替代的角色。實蠅科昆蟲的性信息素活性成分主要由雄成蟲直腸上所包含的直腸腺釋放(Arita and Kaneshiro, 1986; Wee and Tan, 2005; Tokushimaetal., 2010),例如:加勒比按實蠅Anastrephasuspensa、蒲桃實蠅Bactroceraalbistrigatus、楊桃實蠅B.carambolae、番石榴實蠅B.correcta、黃瓜實蠅B.cucumis、橘小實蠅B.dorsalis、辣椒實蠅B.latifrons、 昆士蘭實蠅B.tryoni、地中海實蠅Ceratitiscapitata、瓜實蠅Zeugodacuscucurbitae;但也有極少數(shù)是由雌成蟲直腸腺釋放,例如:橄欖實蠅B.oleae(Benellietal., 2014; Zhangetal., 2019)。

在植物長期的進化過程中,苯丙氨酸代謝通路最后可以產(chǎn)生ME和RK等物質(zhì)(Metcalf and Kogan, 1987; McPheron and Steck, 1996),而且兩類物質(zhì)一直是取食效應(yīng)研究的聚焦點。由于RK對實蠅的引誘效果在近距離時較為顯著且RK常溫下呈固態(tài)、揮發(fā)性差,而其類似物CL在遠距離時效果更佳且揮發(fā)性好,故RK與CL的研究常被劃分為一類(Metcalf, 1990)。大多數(shù)雄性引誘劑要么吸引對ME有反應(yīng)的實蠅,要么吸引對RK/CL有反應(yīng)的實蠅(Drew, 1974);這種現(xiàn)象可能是由于雄性實蠅特定嗅覺感器的進化發(fā)展導(dǎo)致,這種嗅覺感器在結(jié)構(gòu)上與特定的苯丙烷類或苯丁烷類物質(zhì)互補(Metcalfetal., 1979, 1983)。不同實蠅對不同引誘劑的反應(yīng)差異詮釋了實蠅與腐爛果實的常見腐生關(guān)系的進化差異(Drew, 1974; Metcalfetal., 1979, 1981, 1983, 1986; Drew and Hooper, 1981; Metcalf and Mitchell, 1990; Raghu, 2004; Tanetal., 2014)。

對ME有反應(yīng)的實蠅類群相關(guān)研究表明:(1)ME代謝產(chǎn)物與雄性性信息素的內(nèi)源性成分一起被儲存和釋放;(2)含有這些代謝產(chǎn)物的信息素對雌性表現(xiàn)出極強的吸引力;(3)飼喂ME(或含有ME的植物)的雄性享有更高的交配成功率。對RK有反應(yīng)的實蠅類群相關(guān)研究表明:(1)RK不會被分解或代謝,以原有形式被隔離儲存;(2)雌性對進食RK的雄性產(chǎn)生的信息素表現(xiàn)出強烈偏好性;(3)攝入RK會顯著短暫提高雄性的交配成功率(Shelly, 2010)。對CL有反應(yīng)的實蠅類群研究相對較少,研究表明:實蠅取食CL后在體內(nèi)以水解產(chǎn)物儲存在直腸腺中進而作為信息素成分發(fā)揮作用(Nishidaetal., 1993; Tan and Nishida, 1995)。

昆蟲自身的生物學(xué)特性及其生長發(fā)育狀況、復(fù)雜多變的生態(tài)環(huán)境、一系列人為活動等因素,都會影響昆蟲產(chǎn)生用于交流的信號,同時,也增加了高效實蠅雄性引誘劑研發(fā)的難度。不斷被研究發(fā)現(xiàn)的實蠅信息化學(xué)物質(zhì)(例如:植物揮發(fā)物及其類似物)是開發(fā)實蠅雄性引誘劑的基石;同時,在實蠅雄性引誘劑使用過程中,對雄性實蠅取食引誘劑現(xiàn)象的深入探討將會促進實蠅信息化學(xué)物質(zhì)的研究發(fā)現(xiàn);兩者既相互區(qū)別,又互相聯(lián)系。最常見的引誘劑取食代謝效應(yīng)是,實蠅攝入的引誘劑在求偶期作為雄性信息素的一部分釋放之前,以未改變的原始物質(zhì)狀態(tài)或改變的全新代謝物狀態(tài)經(jīng)血淋巴轉(zhuǎn)運到隔離和儲存雄性信息素的腺體中,然后與信息素一起釋放發(fā)揮作用(Hee and Tan, 2006; Wee and Tan, 2007)。這樣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)。本文綜述了主要實蠅雄性引誘劑及其代謝,以期為實蠅引誘劑的開發(fā)提供研究參考與思路指南。

1 ME

一個多世紀前,Howlett(1912)在測試蠅類引誘劑時發(fā)現(xiàn)香茅精油對寡鬃實蠅屬Dacus的實蠅具有吸引效果,并且實蠅會取食香茅精油;研究首次表明,香茅精油對雄性實蠅的吸引是由于一種化學(xué)成分,即甲基丁香酚(4-allyl-1,2-dime-thoxy-benzene)所導(dǎo)致(Howlett, 1912, 1915; Tanetal., 2021),這種化學(xué)物質(zhì)自然存在于38個不同目的80個科中的450多種植物中,含量從微量到超過90%不等(Tan and Nishida, 2012)。被號稱為“實蠅偉哥”的ME是已知的一種獨特且最有效的實蠅雄性引誘劑。有多種對ME有反應(yīng)的果實蠅屬實蠅,包括幾種推測的果實蠅屬復(fù)合姊妹種,如:杜英實蠅B.cacuminata、楊桃實蠅B.carambolae、番石榴實蠅B.correcta、橘小實蠅B.dorsalis、達爾文實蠅B.opiliae、面包實蠅B.umbrosa、桃實蠅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)。實蠅在距離引誘劑800 m甚至是1 km處都會有反應(yīng)(Steiner, 1952; Roomietal., 1993),其發(fā)揮作用的機理研究對于指導(dǎo)引誘劑的開發(fā)與研制價值巨大。

隨著實蠅對ME的強烈趨性與取食現(xiàn)象引起廣泛關(guān)注,Fitt(1981)率先提出ME或ME衍生化合物是雄性實蠅釋放的性信息素的一部分;不同種類的實蠅取食攝入ME后生物轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物有所差異(表1)。對于性成熟或接近性成熟時取食ME的雄性實蠅,如:楊桃實蠅B.carambolae、番石榴實蠅B.correcta、橘小實蠅B.dorsalis、面包實蠅B.umbrosa和桃實蠅B.zonata來講,會將取食的ME作為一種前體物質(zhì),由單一成分產(chǎn)生到各種內(nèi)源成分組合,在雄性實蠅體內(nèi)進行代謝后轉(zhuǎn)化為信息素成分,通過血淋巴運輸?shù)街蹦c腺儲存和釋放。這種取食效應(yīng)可使信息素更具吸引力,最大程度提高雄性的交配性能和競爭力且保障雄性實蠅交配的成功(Kumaranetal., 2013; Weeetal., 2018a; Shamshir and Wee, 2019)。

表1 果實蠅屬實蠅取食攝入甲基丁香酚(ME)后生物轉(zhuǎn)化的代謝產(chǎn)物Table 1 Biotransformated metabolites in Bactrocera fruit flies after ingestion of methyl eugenol (ME)

盡管小部分(<5%)雄性楊桃實蠅在成蟲羽化后10 d內(nèi)就對ME有反應(yīng),而雄性橘小實蠅在14 d左右對ME有反應(yīng),但大部分(>80%)楊桃實蠅對ME的最佳反應(yīng)時間出現(xiàn)在較大日齡,因此,喂食ME對橘小實蠅產(chǎn)生的反應(yīng)更明顯(Weeetal., 2002)。而且喂食橘小實蠅ME后約15 min即可出現(xiàn)雄性血淋巴中苯丙烷類物質(zhì)的積累、在喂食6 d后達到峰值且可在直腸腺中儲存3周,在喂食21 d后表現(xiàn)出明顯的交配優(yōu)勢,獲得交配優(yōu)勢可持續(xù)35 d之久(Nishidaetal., 1988; Shelly and Dewire, 1994)。面包實蠅在羽化(尚未性成熟)后7 d約22%的雄成蟲對ME有反應(yīng),而在羽化后10 d超過50%的雄成蟲對ME有反應(yīng)。與其性成熟程度相對應(yīng),ME對雄性實蠅的吸引力在10-27 d達到高峰。喂食ME可以使楊桃實蠅與面包實蠅更早的開始召喚、聚集、炫耀、求偶,它們對處女雌性實蠅的吸引比例顯著高于未喂食ME的雄性實蠅。即便楊桃實蠅雄性處在靜止狀態(tài),雌性也會向喂食ME的雄性表現(xiàn)一種交配接受姿態(tài)。未喂食ME的雄性經(jīng)常聚集在1頭喂食過ME的雄性周圍,進食、召喚、交配,這種聚集行為和肛門分泌物攝食行為可能會轉(zhuǎn)移它們對交配的注意力,并在一定程度上保障取食過ME的雄性實蠅能夠擁有更高的交配成功率,這是取食過ME的雄性實蠅將其生物轉(zhuǎn)化為信息素進而體現(xiàn)在競爭中的生殖優(yōu)勢(Weeetal., 2007, 2018a)。供給ME時,雄性橘小實蠅會產(chǎn)生一種誘導(dǎo)一系列行為模式的觸角多肽。多肽會誘導(dǎo)攝食行為,如將多肽注射到從未接觸過ME的同種或異種(例如:楊桃實蠅)雄性實蠅體內(nèi)時,雄性實蠅會頻繁地擠出喙部增加探測行為(Tan, 2000b)。體外研究表明,在橘小實蠅雄性體內(nèi)ME轉(zhuǎn)化為苯丙烷類物質(zhì)涉及一種解毒代謝酶,即基于細胞色素P450系統(tǒng)的混合功能單加氧酶(CYP450),昆蟲經(jīng)一個氧化過程解毒并將ME轉(zhuǎn)化為危害較小的副產(chǎn)物,在釋放前儲存在直腸腺中(Hee and Tan, 2004; 劉喃喃等, 2006; Felton and Tumlinson, 2008; Kimetal., 2011; 彭威等, 2020; 李欣蓮等, 2022)。

橘小實蠅將ME轉(zhuǎn)化為3種信息素成分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)和順-3,4-二甲氧基肉桂醇(cis-3, 4-dimethoxycinnamyl alcohol, ZDMC),DMP的累計量較大,ECF和ZDMC的累計量相對較少。DMP, ECF和ZDMC不僅是性信息素,還是聚集信息素(Hee and Tan, 2006; Wee and Tan, 2007)。隨著黃昏的臨近,光照強度的降低被認為是實蠅開始交配所需的正常刺激。當光照強度降低到300～700 lx(對應(yīng)于黃昏交配期的開始)時,雌性橘小實蠅對DMP和ECF反應(yīng)最明顯(Hee and Tan, 1998; Khooetal., 2000; Weeetal.,2007)。巧合的是,黃昏時刻不僅是實蠅求偶的時間也是實蠅直腸腺化合物釋放的時間,兩者時間相吻合背后蘊藏著極為深遠的生態(tài)學(xué)意義。在性成熟時,橘小實蠅除取食消耗ME在體內(nèi)代謝產(chǎn)生信息素成分以外,還可代謝產(chǎn)生內(nèi)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)。而飼喂ME的番石榴實蠅雄性在直腸腺中分離出ZDMC和順式松伯醇(ZCF)兩種不同的代謝物,且兩者總量達100 μg/頭。取食ME的番石榴實蠅與橘小實蠅的直腸腺中所累計的代謝產(chǎn)物存在差異,可能是因為差異代謝物在同域物種的種內(nèi)或種間相互作用中發(fā)揮不同功能(Tokushimaetal., 2010)。

ME通過二甲氧基苯環(huán)上的對羥基化迅速生物轉(zhuǎn)化為DMP,相較于ECF和ZDMC,DMP對性成熟雄性實蠅更有吸引力。性成熟雄性橘小實蠅對DMP的反應(yīng)在白天較高而晚上較低,雄性橘小實蠅是否交配對于對DMP的嗅覺反應(yīng)并沒有顯著影響。但是,單獨提供給雌性橘小實蠅DMP時,雌性實蠅未表現(xiàn)出接受交配的姿勢。毒理學(xué)試驗表明, DMP是安全無毒的,是一種應(yīng)用于橘小實蠅防控的高效、環(huán)保引誘劑(Dengetal., 2021)。相比之下,ME的烯丙基側(cè)鏈上較慢的對羥基化則導(dǎo)致ECF含量較低,且ECF對性成熟雄性實蠅的引誘效果弱于DMP。雄性實蠅在近距離接觸ECF時表現(xiàn)出類似于對ME的取食效應(yīng),雄性實蠅被ECF強烈吸引并以該化合物為食(Tan and Nishida, 1998)。相較于DMP,單獨提供給雌性橘小實蠅ECF時,ECF可以誘導(dǎo)雌性實蠅的產(chǎn)卵器伸長,呈現(xiàn)出一種接受交配的姿勢。而DMP, ECF和DMC單獨提供給雌性時,ECF是最具吸引力的。ECF可以誘導(dǎo)一定比例的雌性橘小實蠅“Z”字形飛行。DMP和ECF的組合引誘試驗表明,兩者組合處于次優(yōu)濃度時才增強ECF的吸引力,這兩種化合物以0.5 mg/15 min的釋放速率吸引大多數(shù)雌性橘小實蠅(Khooetal., 2000),可以引起更高的雄性實蠅反應(yīng)百分比(Nishidaetal., 1990)。因此,為了增加ECF的吸引力,需要以正確的比例與DMP, DMC, MBA和OXO混合。

血淋巴作為雄性實蠅取食ME后代謝產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運載體,揭示了雄性實蠅取食ME后的代謝產(chǎn)物到直腸腺的轉(zhuǎn)運過程。首次喂食ME后,即可在雄性橘小實蠅的血淋巴中檢測到ME的代謝產(chǎn)物。其次,處女雌性實蠅與雄性實蠅交配時,被雄性實蠅的直腸腺分泌物吸引并進食。在己烷中進行薄層色譜(thin layer chromatography, TLC)后在乙酸乙酯溶劑系統(tǒng)中,實蠅在TLC板上發(fā)現(xiàn)血淋巴提取物的起始點并在其上進食(Hee and Tan, 2004)。雄性橘小實蠅被以ME喂養(yǎng)的雄性實蠅血淋巴提取物吸引并取食,而不以未提供ME的雄性實蠅血淋巴提取物為食;對ME喂養(yǎng)的雄性血淋巴提取物進行化學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)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的缺失和雌雄性實蠅的行為反應(yīng)表明,血淋巴參與了性信息素成分到直腸腺的運輸。

昆蟲不育技術(shù)(sterile insect technique, SIT)中的輻照處理導(dǎo)致不育雄性實蠅交配競爭力降低,提高不育雄性實蠅的交配競爭力是成功應(yīng)用SIT的關(guān)鍵,而取食效應(yīng)對雄性實蠅的作用被視為一種重要的提升不育雄性交配競爭力的方法。雖然取食ME可以提高雄性實蠅的交配成功率,但是與取食ME的雄性交配的雌性可能會儲存更少的精子,并更快地再交配,這可能牽扯到有關(guān)ME在代謝過程中的高耗能與一定的取食毒性(Shellyetal., 2005);而且取食ME對其生殖器官大小和附腺產(chǎn)物沒有明顯影響,最終,不育雄性未能發(fā)揮預(yù)期作用,不能實現(xiàn)交配抑制。因此,探索對ME的高效替代物質(zhì)十分必要,氟原子強大電負性會引起分子中電子分布的變化進而使分子極性發(fā)生一定變化,利用氟原子或含氟基團對天然信息素成分中的氫原子或極性基團進行取代,可以使替代物質(zhì)的結(jié)構(gòu)更符合應(yīng)用要求,例如:ME的氟化類似物FME和RFME。對替代極為有利的是,在田間試驗測試中FME表現(xiàn)出與ME相近的引誘活性,這將加速ME替代品的研究(Khrimianetal.,1994, 2006, 2009; Liquidoetal.,1998)。由此可見,將天然或代謝產(chǎn)物中的信息素成分應(yīng)用于SIT以達到不育雄性實蠅在田間的交配競爭力提高依然存在難度(Orankanoketal., 2007)。

對SIT實施有利的是,以ME為食的實蠅雄成蟲重復(fù)進食的發(fā)生率較低,這使得ME處理過的毒餌能夠在雄性湮滅技術(shù)(male annihilation technique, MAT)處理中發(fā)揮很好的作用,在野生雄性交配產(chǎn)生后代前將其滅殺,提高不育雄成蟲對野生雄成蟲的替代作用(Robinson and Hendrichs, 2005)。取食ME還可以提高雄性實蠅體內(nèi)的蛋白質(zhì)儲備,蛋白質(zhì)含量可能會影響雄性求偶過程中信息素的產(chǎn)生和能量消耗,從而導(dǎo)致取食過ME的雄性整體交配成功率更高,但在日齡較小時這種交配優(yōu)勢不明顯,依然會低于野生橘小實蠅(Reyes-Hernándezetal., 2019)。但在實蠅雄成蟲齡期較小時,取食ME的同時補充高蛋白質(zhì)飼料會顯著提升其交配優(yōu)勢(Orankanoketal., 2013)。低概率的重復(fù)進食與高含量的蛋白質(zhì)儲備,是取食效應(yīng)可用于優(yōu)化SIT的重要特征。

2 RK

RK存在于自然界的多種植物中(Hirvetal., 1981; Hirv and Honkanen, 1984; Marcoetal., 1988),是蘭花、薔薇和菊花等植物揮發(fā)物的組成成分,一種由花朵自然分泌的物質(zhì)吸引雄性實蠅進行授粉(Tanetal., 2002)。為了促進異花授粉,RK也是一種重要野生石豆蘭屬Bulbophyllum蘭花(例如:Bulbophyllumapertum)傳粉者的回饋物質(zhì),可以吸引近300種果實蠅屬和50余種寡鬃實蠅屬及部分鏃果實蠅屬實蠅,例如:B.albistragata,B.caudata,B.melastomatos,Z.cucurbitae和Z.tau(Metcalf, 1990; Tan, 2009; Tanetal., 2014)。作為一種適應(yīng)和進化,石豆蘭屬花有著高度可移動的唇瓣,有助于提高實蠅進行授粉的效率;RK主要分布在活動的唇瓣上,這也是雄性實蠅進行探測后最終取食RK的位置(Tan and Nishida, 2005)。對RK有反應(yīng)的雄性實蠅會將RK與內(nèi)源性合成成分一起代謝消耗和隔離儲存在體內(nèi),形成雄性信息素來吸引雌性,或起到阻止脊椎動物捕食的作用,而且可能增加雄性的交配能力(Khoo and Tan, 2000; Tan and Nishida, 2005)。

截至目前已經(jīng)揭示RK有兩種作用:一是作為性信息素成分吸引同種雌性,二是作為聚集信息素成分吸引同種雄性形成求偶場(Kuba and Sokei, 1988; Tan, 1993; Tan and Nishida, 1998, 2020),并且RK還是一種利己素(Tan, 2000a)。瓜實蠅雌性會優(yōu)先與喂食RK的雄性交配(Nishidaetal., 1993)。此外Akter等發(fā)現(xiàn),可能是因為代謝的增強,將RK喂食給未性成熟雌雄性昆士蘭實蠅會增加其性發(fā)育的速度。如果雌性的選擇性交配涉及爭奪競爭或耐力競爭因素,新陳代謝的增強可能會使雄性更積極地表現(xiàn)求偶行為,進而增加雄性獲得配偶的機會(Akteretal., 2017a, 2017b)。

3 ZG

4-(4-羥基-3-甲氧基苯基)-2-丁酮/姜酮[4-(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-2-butanone]是一種存在于生姜根莖中的化學(xué)物質(zhì),也在野生蘭花Bulbophyllumpatens和B.baileyi的花序香味中被發(fā)現(xiàn)。因其化學(xué)結(jié)構(gòu)類似于ME(含甲氧基活性基團)和RK(含丁酮側(cè)鏈)(Tan and Nishida, 2000),所以能夠吸引多種對ME或RK/CL有反應(yīng)的雄性實蠅,例如:B.albistrigata,B.carambolae,B.caudata,B.umbrosa,Z.cucurbitae和Z.tau;但ZG的引誘活性弱于ME/CL。同時,ZG也可吸引部分對ME或RK/CL無明顯反應(yīng)的雄性實蠅,例如:B.aglaiae,B.aurea,B.jarvisi,B.speewahensis和D.secamoneae,誘蟲譜較廣但高效性與專一性較低(Khoo and Tan, 2000; Tanetal., 2002; Fay, 2012)。這些雄性實蠅是幾種石豆蘭屬蘭花(例如:Bulbophyllumbaileyi,B.patens和B.praetervisum)的重要傳粉媒介,ZG作為一種吸引和獎勵物質(zhì)被植物釋放回饋于雄性實蠅。

與ME和RK類似,雄性實蠅取食ZG后儲存在直腸腺中的物質(zhì)因?qū)嵪夘惾翰煌兴町?取食ZG的雄性實蠅對雌性實蠅表現(xiàn)出更高吸引力。南亞實蠅雄成蟲取食50 μg ZG后直腸腺提取物對同種雌成蟲具有顯著的吸引力,雄成蟲初次取食后的交配優(yōu)勢可以持續(xù)7 d(Shamshir and Wee, 2019)。雄性昆士蘭實蠅通過取食ZG獲得多次交配機會,提高交配成功率,取得交配優(yōu)勢,但這種優(yōu)勢僅為1 d甚至更短;且取食可以導(dǎo)致雌性昆士蘭實蠅的生殖力增加和再繁殖能力降低(Kumaranetal., 2013; Shamshir and Wee, 2019)。這可能是因為攝入的ZG發(fā)生不同生物轉(zhuǎn)化導(dǎo)致,昆士蘭實蠅將少量ZG轉(zhuǎn)化為RK和β-(4-羥基-3-甲氧基苯基)-丙酸[β-(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-propionic acid],顯然,RK可以提高雄性實蠅的交配成功率,但是尚未對其他代謝轉(zhuǎn)化成分所發(fā)揮的潛在功能進行研究。作為扎氏果實蠅的一種特定雄性引誘劑和監(jiān)測劑(Fay, 2012),喂食ZG會顯著提高雄性扎氏果實蠅的交配成功率,ZG用量對交配優(yōu)勢持續(xù)時間有顯著影響;相比于RK喂食的雄性扎氏果實蠅,雌性扎氏果實蠅更喜歡與ZG喂食的同種雄性交配(Wee and Clarke, 2020)。

取食代謝導(dǎo)致ZG儲存的形式因物種而異,除上述昆士蘭實蠅對少量ZG的代謝轉(zhuǎn)化形式以外,ZG可以以原有形式被隔離儲存(Kumaranetal., 2014)。其次,部分種類實蠅(例如:瓜實蠅和橘小實蠅)可以將ZG轉(zhuǎn)化為4-(4-羥基-3-甲氧基苯基)-2-丁醇/姜醇[4-(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-2-butanol](zingerol, Zgol)(Tan and Nishida, 2000)。在瓜實蠅雄性隔離儲存大量ZG的同時,也會有相對少量的Zgol被隔離儲存,兩者比例與自然界蘭花中的比例高度相似(Tan and Nishida, 2000)。然而,在有關(guān)橘小實蠅的相關(guān)研究中則表明,雄性橘小實蠅將ZG轉(zhuǎn)化為Zgol吸引雌性時,雄性隔離儲存了大量的Zgol,而ZG量相對較少,其比例與蘭科植物花中所發(fā)現(xiàn)的比例明顯不同;這可能是因為雄性橘小實蠅優(yōu)先將ZG轉(zhuǎn)化為Zgol,進行Zgol的合成(Tan and Nishida, 2007)。因?qū)嵪壏N類不同,ZG和Zgol的混合物以不同的比例被隔離儲存(Tan and Nishida, 2000, 2007)。雄性實蠅直腸腺中的ZG和Zgol不僅可以刺激雄性的性活動,而且可以吸引雌性實蠅(Tan and Nishida, 1995)。毫無疑問,在這種獨特的互惠關(guān)系中,雄性實蠅和野生蘭花都能獲得一定繁殖利益。

盡管如此,由于沒有對喂食ZG的雄性和未喂食的雄性進行雄性信號轉(zhuǎn)導(dǎo)率和信息素成分的比較,因此無法確定雌性吸引力的增加是由于信息素釋放頻率的增強,還是信息素成分的改變,或者兩者兼有。然而,Shelly(2017)發(fā)現(xiàn),在被喂食ZG后沒有證據(jù)表明瓜實蠅的雄性交配能力增強。瓜實蠅將少量ZG轉(zhuǎn)化為Zgol,但是尚未對Zgol所發(fā)揮的潛在功能進行研究;如果Zgol對瓜實蠅雄性交配成功率沒有影響,那么部分ZG轉(zhuǎn)化為Zgol可能是導(dǎo)致ZG對瓜實蠅雄性交配成功率沒有影響的原因(Seguraetal., 2018)。

4 CL

作為瓜類實蠅高效引誘劑代表之一的CL可以吸引多種實蠅雄成蟲,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)。雄性實蠅攝入CL后在直腸腺中積累了它的脫酰衍生物,吡嗪類、脂肪胺類和2-乙氧基苯甲酸衍生物已被鑒定為雄性瓜實蠅直腸腺分泌物的主要成分,其中主要的揮發(fā)性芳香物質(zhì)被鑒定為4-羥基苯甲酸甲酯、4-羥基苯甲酸乙酯(乙酯含量會隨著性成熟從成蟲早期的低含量逐漸增加,達到10 μg/雄)和4-羥基苯甲酸丙酯,它們與CL都是RK的類似物(Nishidaetal., 1990)。以瓜實蠅為例,RK與CL之間存在一定的生物轉(zhuǎn)化關(guān)系,雄性瓜實蠅在有水分的情況下食用CL后很容易將其在體內(nèi)轉(zhuǎn)化為RK,且飼喂CL后6 h即可在雄性瓜實蠅直腸腺中被隔離儲存(Nishidaetal., 1993)。人工誘捕的雄性瓜實蠅在直腸腺中選擇性地積累揮發(fā)性芳香物質(zhì)的水解衍生物RK,因此,訪問產(chǎn)生和釋放RK蘭花的雄性實蠅類群都會對CL有強烈趨性(Nishidaetal., 1993; Clarkeetal., 2002; Tan and Nishida, 2005)。Tan等(2014)報道在巴布亞新幾內(nèi)亞的某些石豆蘭屬蘭科植物中檢測到了CL和誘蟲酮(anisylacetone),之前CL一直被認為是一種合成化合物(Tanetal., 2014; Seguraetal., 2018; Royeretal., 2020; Aryaetal., 2022; Tarnoetal., 2022)。

與對ME有反應(yīng)的實蠅類群相似,在對CL有反應(yīng)的實蠅類群中,CL對雄性實蠅的吸引力遠遠大于對雌性實蠅的吸引力;在性成熟后,CL對雄性實蠅的吸引力會大幅增加(Fitt, 1981; Wongetal., 1991; Tan and Nishida, 1995;Weldonetal., 2008)。瓜實蠅雄成蟲取食CL可以顯著提高其交配競爭力,雌性會優(yōu)先與喂食CL的雄性交配。雖然雌性瓜實蠅會優(yōu)先與喂食CL的雄性交配,但雌性并沒有通過與喂食CL的雄性交配來獲得直接的健康效益,喂食CL沒有介導(dǎo)雄性射精的成分和數(shù)量改變,進而沒有提高雌性的壽命和繁殖能力(Shelly and Nishimoto, 2017)。

瓜實蠅雄成蟲喂食CL后1 d,在性成熟的雄性直腸腺中檢測到少量的4-羥基苯甲酸乙酯和相對大量的RK和壬二醇(nonanediol),后者作為雄性實蠅直腸腺主要信息素成分,其含量從2周齡時約0.1 μg增加到5周齡時的4.5 μg(Nishidaetal., 1993)。而在有關(guān)昆士蘭實蠅取食CL后的代謝物研究中發(fā)現(xiàn),以CL為食的雄性昆士蘭實蠅直腸腺體中檢測到幾種酮類物質(zhì),其中部分酮類成分含量隨著雄性昆士蘭實蠅性成熟而增多,說明雄性昆士蘭實蠅取食CL后,在其直腸腺代謝轉(zhuǎn)化為以酮類為主成分的物質(zhì)暫存(Tan and Nishida, 1995)。雖然性成熟的雌性實蠅對這些酮類物質(zhì)沒有反應(yīng),但是在實驗室條件下,性成熟的雄性實蠅則會被酮類物質(zhì)吸引并以此為食(Hee and Tan, 1998),這種現(xiàn)象的產(chǎn)生可能是因為雄性昆士蘭實蠅取食CL后的代謝產(chǎn)物主要對同種性成熟同性起到吸引作用,可能在求偶場的形成方面發(fā)揮一定作用(Tan and Nishida, 1995)。

在瓜實蠅雄成蟲取食CL后通過內(nèi)源性產(chǎn)生壬二醇作為性信息素成分及發(fā)揮抗捕食作用時,會消耗較多代謝能用于合成化合物以儲存在直腸腺中;而橘小實蠅雄成蟲取食ME時,相比于前者則消耗更少的能量即可將ME轉(zhuǎn)化后運輸?shù)街蹦c腺儲存;即:前者產(chǎn)生內(nèi)源性成分,然后隔離存儲信息素成分以增強信息素和防御系統(tǒng),后者消耗并轉(zhuǎn)化外源性ME以產(chǎn)生信息素和異單體成分,從而消耗更少的代謝能(Tanetal., 2002)。自然界中,已經(jīng)被記錄到可以分泌ME的植物種類遠遠多于可以分泌RK/CL的植物種類,一定程度上可能說明物種豐富度與其對應(yīng)的代謝能消耗多少與進化水平存在一定聯(lián)系,即被ME吸引的實蠅物種在進化上比被RK/CL吸引的實蠅物種更先進(Tan and Nishida, 2000)。

5 3-羥基-α-紫羅蘭酮 (3-hydroxy-α-ionone)

3-羥基-α-紫羅蘭酮是一種存在于茄子中的雄性辣椒實蠅特異性引誘劑。以茄果為食的雄性性成熟辣椒實蠅選擇性地在直腸腺中積累系列3-氧合-α-紫羅蘭酮/α-紫羅蘭醇(3-oxygenated-α-ionone/α-ionol)及其類似衍生物,例如:3-氧代-α-紫羅蘭醇(3-oxo-α-ionol)和3-氧代-7,8-二氫-α-紫羅蘭醇(3-oxo-7,8-dihydro-α-ionol)。喂食3-羥基-α-紫羅蘭酮、3-氧代-α-紫羅蘭醇或3-氧代-α-紫羅蘭酮(3-oxo-α-ionone)的雄性實蠅,在攝入后6 h內(nèi),可將其部分生物轉(zhuǎn)化為3-氧代-7,8-二氫-α-紫羅蘭醇,并在直腸腺(5 μg/腺體)隔離儲存;異佛爾酮/3,5,5-三甲基-2-環(huán)己烯-1-酮(isophorone/3,5,5-trimethyl-2-cyclohexene-1-one)和異佛爾醇/3,5,5-三甲基-2-環(huán)己烯-1-醇(isophorol/3,5,5-trimethyl-2-cyclohexene-1-ol)具有α-紫羅蘭酮/α-紫羅蘭醇(α-ionone/α-ionol)(即三甲基環(huán)己烯)的部分骨架結(jié)構(gòu),它們對辣椒實蠅雄性具有吸引力,并且它們與辣椒實蠅雄性引誘劑α-紫羅蘭醇(latilure)的混合物表現(xiàn)出比任何單個化合物更強的活性(Ishidaetal., 2008)。

與先前有關(guān)實蠅類害蟲信息素成分儲存腺體的研究結(jié)果相同,直腸腺同樣被認為是辣椒實蠅的信息素儲存器,這些雄性活性成分可能作為性信息素或其前體,在黃昏求偶期間吸引雌性,其方式類似于其他果實蠅屬實蠅物種利用苯丙烷類揮發(fā)物吸引同種雌性(Nishidaetal., 2009)。

6 β-石竹烯 (β-caryophyllene, CAR)

CAR是一種植物天然倍半萜烴產(chǎn)物,通常作為番石榴和芒果等番石榴實蠅的主要寄主水果揮發(fā)性成分(Chyauetal., 1992; White and Elson-Harris, 1992; Allwoodetal., 1999; Tamuraetal., 2000)。雄性番石榴實蠅可以在性成熟以后直接從植物源中獲得倍半萜碳氫化合物并儲存在直腸腺(超過250 μg/腺體)中,這些化合物包括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實蠅信息素腺體中可以檢測到大量的CAR。成熟番石榴果實比未成熟果實產(chǎn)生更多CAR,因為CAR的氣味類似于寄主水果,于是有觀點認為雄性實蠅在求偶期間釋放的直腸腺倍半萜類物質(zhì)可能是在向雌性傳遞成熟果實的存在(Chyauetal., 1992; Soaresetal., 2007; Tokushimaetal., 2010)。

雄性番石榴實蠅對CAR和ME都有趨性,但個體性成熟前對CAR的趨性和需求均更強。CAR能夠以類似于ME的方式,在喂食1 d后增加番石榴實蠅雄性的交配成功率(Orankanoketal., 2013),這是一種雄性交配競爭力提升的外在表現(xiàn)(Weeetal., 2018a)。半野外試驗中,CAR喂養(yǎng)的雄性實蠅與ME喂養(yǎng)的雄性實蠅在競爭同種雌性時的競爭力相當;田間雙選試驗中,讓雌性在CAR或ME喂養(yǎng)的同種雄性之間做出選擇時,交配成功率沒有差異;野外試驗中,CAR僅誘捕到番石榴實蠅,但是ME還可以誘捕到橘小實蠅;對于番石榴實蠅而言,CAR比ME更具效力和特異性(Weeetal., 2018b; Zhangetal., 2019)。因此,CAR比ME更能滿足MAT的先決條件,因為它能在性成熟之前誘捕和消滅許多齡期較小的野生雄性實蠅。這將指導(dǎo)以提升交配競爭力為目的的不育雄性釋放前處理技術(shù)的發(fā)展,提升不育雄性田間交配競爭力的同時降低其對引誘劑的反應(yīng)靈敏程度,提高SIT雄蟲的野外適應(yīng)性。雄性引誘劑的應(yīng)用與推廣將大大提升SIT、MAT、蛋白餌劑技術(shù)(protein bait technique, PBT)的使用效率與防治效果(Vargasetal., 2010; Stringeretal., 2017; Enkerlin, 2021)。

7 小結(jié)與展望

雄性實蠅引誘劑在實蠅害蟲的防控中占有重要地位,其與害蟲之間的微妙關(guān)系成為諸多代謝研究的落腳點。本文立足于雄性實蠅引誘劑取食效應(yīng)的研究聚焦點,綜述了甲基丁香酚、覆盆子酮、姜酮、4-(4-乙酰氧基苯基)-2-丁酮、3-羥基-α-紫羅蘭酮和β-石竹烯6種實蠅雄性引誘劑及其代謝相關(guān)的研究進展,內(nèi)容主要包括雄性實蠅的取食行為及其代謝變化、取食效應(yīng)對實蠅行為反應(yīng)的影響、取食過引誘劑的雄性實蠅對雌雄實蠅的吸引效果及其交配成功率變化等方面,旨在為雄性實蠅引誘劑取食效應(yīng)的研究提供基礎(chǔ),為實蠅引誘劑的研制提供指南。

不難發(fā)現(xiàn),對ME, RK, ZG和CL等實蠅害蟲雄性引誘劑的研究中,部分物質(zhì)的作用機理及其代謝產(chǎn)物、儲存位置等已經(jīng)得到證明,效果明顯的物質(zhì)已被開發(fā)成商品制劑進行實際推廣應(yīng)用。大面積推廣使用的單一主成分雄性引誘劑ME,雖然引誘效果顯著,但刺激的行為反應(yīng)相對較少,而以多種成分作為一個整體復(fù)合單元可以引發(fā)一系列行為反應(yīng)(Robacker and Wolfenbarger, 1988)。但是識別這種復(fù)雜信號機制將是一項巨大的挑戰(zhàn),同時也為后續(xù)研究注入新活力(Tanetal., 2014)。不僅如此,ME還有一定的取食毒性,會威脅到天敵的生存,ME對捕食性天敵壁虎肝臟具有毒性,癥狀包括肝組織變色和硬化,膽囊變白,或出現(xiàn)腫瘤(Wee and Tan, 2001)。因此,對雄性引誘劑作用機理、代謝機制、合成途徑及實際應(yīng)用的探究十分必要,引誘劑的使用不僅需要考慮防治對象的廣度,而且還要充分綜合其對生態(tài)環(huán)境及天敵昆蟲等造成的影響。同時,隨著組學(xué)、生物信息學(xué)、分子生物學(xué)新興技術(shù)手段的興起,雄性實蠅對特異性引誘劑產(chǎn)生趨性的分子機理被愈發(fā)重視起來(Diasetal., 2018; Verschutetal., 2018; 彭威等, 2020; 李靜靜等, 2022)。

有關(guān)實蠅害蟲,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)信息素研究當中,直腸腺一直作為參與揮發(fā)性信息素產(chǎn)生的熱點腺體被用于信息素的分離、鑒定及代謝與功能分析等研究,截至目前已有多種實蠅進行過直腸腺信息素物質(zhì)的提取(表2)。其實,在有關(guān)蠟實蠅屬Ceratitis實蠅(例如:地中海實蠅)的研究中表明,雄性實蠅具有3種性別特異性腺體,分別是:肛腺(anal glands)、胸膜腺(pleural glands)和二態(tài)唾腺(dimorphic salivary glands)(Nation, 1981)。按實蠅屬Anastrepha實蠅有胸膜腺與二態(tài)唾腺,但是沒有肛腺(Nation, 1972, 1981)。馱實蠅屬Toxotrypana實蠅有胸膜腺,雄性實蠅胸膜腺會出現(xiàn)膨脹(puffing)現(xiàn)象(Landolt and Hendrichs, 1983; Tanetal., 2014)。遺憾的是,本文重點介紹的果實蠅屬Bactrocera實蠅,肛腺與二態(tài)唾腺均不存在(Fletcher,1968, 1969; Nation, 1981)。由于對寡鬃實蠅屬Dacus實蠅與繞實蠅屬Rhagoletis實蠅相關(guān)研究缺乏,因此特異性腺體在兩屬中的存在情況有待探究。對特異性腺體的結(jié)構(gòu)與功能研究可能揭開信息素或類信息素發(fā)揮作用的新機制。類似于對腺體多樣性的探索,發(fā)揮引誘劑識別作用的部位不僅有觸角,還有喙與下顎須(Fanetal., 2022)。隨著研究的深入,越來越多的證據(jù)表明,實蠅在感知引誘劑過程中不僅有觸角的識別作用,雄性實蠅的喙與下顎須也發(fā)揮著無可替代的作用。例如:雄性昆士蘭實蠅在識別CL時,主要使用下顎須而不是觸角來探測和響應(yīng)CL;而且下顎須在短距離和長距離下補充了雄性橘小實蠅基于觸角的ME探測,但在近距離下喙所發(fā)揮的作用大于下顎須(Parketal., 2018; Verschutetal., 2018; Fanetal., 2022)。喙與下顎須可能是雙翅目實蠅嗅覺研究的另一個重點,可能在指引雄性實蠅較短距離內(nèi)發(fā)現(xiàn)靠近引誘源方面發(fā)揮了巨大作用(Chiengetal., 2018)。下顎須、觸角與喙對引誘劑的感知效應(yīng)研究有助于深層次的揭開實蠅感知引誘劑全過程感器參與的神秘面紗,為后續(xù)取食效應(yīng)的研究奠定堅實的基礎(chǔ),極大程度上幫助我們理解引誘劑與實蠅間的互作。

表2 實蠅科已從直腸腺提取物鑒定過信息素的物種與性別對應(yīng)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 實蠅科已鑒定表皮碳氫化合物(CHs)的物種與發(fā)育階段對應(yīng)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)

取食引誘劑對雄性實蠅求偶、交配、繁殖等方面的影響研究已經(jīng)在多種實蠅物種中得到證實,但是針對雌性實蠅的相關(guān)研究較少,例如:雌性實蠅更傾向與取食過引誘劑的雄性實蠅交配,這種現(xiàn)象會對雌性實蠅造成什么樣的直接影響,截至目前幾乎沒有研究涉及。與取食引誘劑的雄性進行交配,雌性會獲得什么益處值得探究;這將有助于更加全面、深刻地理解實蠅對引誘劑的響應(yīng)機制,有助于揭秘雌雄兩性在取食效應(yīng)下各自發(fā)揮的重要作用與相互的內(nèi)在復(fù)雜聯(lián)系。