金龜甲性信息素的化學成分及其應用

崔志浩，陳 立，王文凱

(1. 長江大學農學院，湖北荊州 434025；2. 河北大學生命科學學院，生命科學與綠色發展研究院，河北保定 071002)

金龜科Scarabaeoidae屬鞘翅目Coleoptera多食亞目Polyphaga金龜總科Scarabaeoidea，是鞘翅目中數量較大的一個科。金龜科下分13亞科，約1 600個屬、27 000種(賈晨曦, 2014)。此類昆蟲具有種類多、分布廣、食性雜、生活隱蔽、適應性強、生活史長短不一等特點，是多種農作物、林木的主要害蟲之一。成蟲和幼蟲均可危害，成蟲嗜好取食植物葉片，對農作物和樹木造成嚴重危害(胡瓊波, 2004; 滕小慧, 2018)；幼蟲俗稱蠐螬，在土壤內長時間隱蔽生活，為害多種農作物、林木等植物的地下幼嫩部分，如萌發的種子、幼根和地下莖(張美翠等, 2014; 陳博和陳磊, 2016)。長期以來化學藥劑一直是防治金龜的主要方法。然而，由于金龜的主要危害發生于隱藏在地下的幼蟲期，藥劑防治效果較差，且較為單一的藥劑種類及不合理施用，極易導致金龜抗藥性上升，不僅無法達到預期效果，還會殘留于環境中(劉艷濤等, 2019)。

昆蟲性信息素是由昆蟲某一性別個體釋放，被同種的異性個體感受并引起異性個體產生一定生殖行為反應的微量化學物質。應用昆蟲性信息素防治害蟲具有安全、高效且不傷害天敵等優點(張新慰等, 2020)，是近年來快速發展的一種害蟲防治方法(張廣智, 2020)。目前，昆蟲性信息素的研究與應用主要集中在鱗翅目的蛾類昆蟲，其中尺蛾科、螟蛾科、夜蛾科和潛葉蛾科性信息素的生物合成及利用其性信息素開發性誘芯和田間監測技術已比較成熟(王博, 2015; 李洪明, 2018; 馬濤等, 2019; 魏亮, 2020; 王洋等, 2021)，但對鞘翅目昆蟲，尤其是金龜甲性信息素的研究還不夠深入。關于金龜甲的研究，僅局限于生物學特性、生殖行為、性信息素成分鑒定等方面，在性信息素應用方面的研究還比較欠缺。上世紀70年代，首次出現金龜甲性信息素成分鑒定方面的報道，從新西蘭肋翅鰓金龜Costalytrazealandica鑒定出性信息素成分苯酚(Henzell and Lowe, 1970; Tumlinsonetal., 1977)。隨著氣相色譜和觸角電位聯用技術的廣泛應用，金龜科麗金龜亞科和鰓金龜亞科性信息素成分鑒定方面的研究取得了顯著進展(龔恒亮等, 2013)。目前，已鑒定出性信息素成分的金龜甲有20余種(王廣利和孫凡, 2005)。本文總結了已知的金龜甲性信息素成分的結構特點，并對金龜甲性信息素的應用進行了概述。

1 麗金龜亞科Rutelinae性信息素成分

麗金龜亞科的性信息素成分主要是脂肪酸衍生物，目前共鑒定出13種性信息素。異麗金龜屬近源種之間性信息素差異不大，銅色麗金龜Anomalacuprea、扁綠麗金龜Anomalaoctiescostata、白毛綠麗金龜奇島亞種Anomalaalbopilosasakishimana、Anomalasolida、櫻桃綠麗金龜Anomaladaimiana和白毛綠麗金龜指名亞種Anomalaalbopilosaalbopilosa性信息素中均含有(R,Z)-5-(-)-(辛-1-烯基)二氫呋喃-2-酮(Buibuilactone)，銅色麗金龜、扁綠麗金龜、日本麗金龜Popilliajaponica、白毛綠麗金龜奇島亞種和阿板麗金龜Anomalaosakana釋放的性信息素包含(R,Z)-5-(-)-(癸-1-烯基)二氫呋喃-2-酮(Japonilure)， 可見(R,Z)-5-(-)-(辛-1-烯基)二氫呋喃-2-酮和(R,Z)-5-(-)-(癸-1-烯基)二氫呋喃-2-酮是多種麗金龜性信息素的共有成分。銅色麗金龜、扁綠麗金龜和白毛綠麗金龜奇島亞種釋放這兩種性信息素成分的比例存在種間差異(Tamakietal., 1985)。日本麗金龜的性信息素R-Japonilure的S-對映體是阿板麗金龜的性信息素主要成分(Tumlinsonetal., 1977)。其它種性信息素成分見表1。

表1 麗金龜亞科性信息素

續表1 Continued table 1

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2 鰓金龜亞科Melolonthinae性信息素成分

鰓金龜亞科的性信息素成分主要為氨基酸衍生物或萜烯類化合物。以氨基酸衍生物作為性信息素成分是鰓金龜亞科區別于其它亞科的一個重要特點。鰓金龜亞科性信息素成分差異顯著，除Holotrichiakiotonensis和Holotrichialoochooanaloochooana、Phyllophagacrinita和Phyllophagatristis有相同成分外，其它物種間性信息素成分的結構差異比較大。L-纈氨酸甲酯和L-異亮氨酸甲酯是Phyllophagaanxia的性信息素成分(Zhangetal., 1997)。Phyllophagaeleman和Phyllophagaviciana的性信息素成分相近，主要由N-乙酰基L-異亮氨酸甲酯、N-甲酰L-異亮氨酸甲酯和L-異亮氨酸甲酯組成(Leal, 1998)。乙偶姻(R)-Acetoin是Amphimallonsolstitiale的性信息素，對于成群婚飛的雄成蟲有很強的吸引作用(Tolaschetal., 2003)。Phyllophagacrinita的性信息素是2-甲基(聚硫甲基)-安息香酸鹽Methyl 2-(methylthio) benzoate，這是首次報道金龜甲性信息素成分中含有硫基團(Robbinsetal., 2003)。其它種性信息素成分見表2。

表2 鰓金龜亞科性信息素

續表2 Continued table 2

續表2 Continued table 2

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鰓金龜釋放的信息化學物質可以直接作為性信息素發揮作用，或者作為性信息素前體物質，快速轉化為性信息素后發揮作用。這些性信息素成分大多都具有殺菌作用，可能是由原始的防衛機制進化而來的(Leal, 1997)。鰓金龜Cyclocephalalurida雄蟲觸角對幼蟲和雌性成蟲的提取物中的一種共有成分具有電生理反應，該成分能夠激發C.lurida雄蟲的交配前的婚飛行為(Leal, 1998)。因此性信息素可能在幼蟲階段發揮某種替代作用，在發育成熟的雄蟲中消失，但在雌性成蟲中仍然保留，目前尚不清楚幼蟲時期就開始產生性信息素的原因(Leal, 1998)。鰓金龜性信息素的這種特點或許可以揭示昆蟲信息素的進化途徑(Haynes and Potter, 1995)。

3 金龜甲生殖隔離機制

在金龜科中，不同物種利用同一種物質作為性信息素的現象普遍存在，其避免種間的交叉吸引的方法主要有兩種，一種是利用分子結構的手性，另一種是利用交配時間和地理分布的差異。

手性化合物是化學分子結構上鏡像對稱又不能完全重合的化合物(龔恒亮等, 2013)。在金龜科中，大多數物種的性信息素都是單一組分，且有些物種的信息素成分存在立體異構現象。因此，手性異構體成為了這些金龜實現物種間生殖隔離的重要化學信息物質。有些種類的麗金龜具有相同的性信息素物質，但空間構型不同，利用手性性信息素對映體實現種間生殖隔離。如日本麗金龜和阿板麗金龜在日本普遍發生，生態分布區重疊，且性信息素都是(R,Z)-5-(-)-(癸-1-烯基)二氫呋喃-2-酮(劉孟英, 1997)。但兩個物種利用信息素化學結構的手性異構巧妙地避免了種間的交叉引誘：日本麗金龜雌蟲只產生R-Japonilure，微量S異構體即可對雄蟲產生趨避作用(Tumlinsonetal., 1977)；阿板麗金龜只利用S-Japonilure為性信息素，雄蟲對R對映體具有趨避反應(Leal, 1996)。因此，手性結構的相互拮抗機制在金龜甲性信息素的化學信息通訊中具有重要的生物學意義。同時，手性結構對處于同一生態位的不同種金龜性信息素的活性也有拮抗作用。日本麗金龜和紅銅麗金龜Anomalarufocuprea常在日本混合發生，前者的性信息素R-Japonilure不影響后者的交配行為，但后者的性信息素Methyl 5-(Z)-tetradecenoate對前者性信息素的活性有抑制作用(Leal, 1996)。銅色麗金龜的性信息素由R-Buibuilactone和R-Japonilure組成，S-Buibuilactone可抑制R-Japonilure對雄蟲的引誘作用(Larssonetal., 1999)。

東方麗金龜Blitoperthaorientalis和東方異麗金龜的性信息素均為(Z)-7-十三烯-2-酮和(E)-7-十三烯-2-酮，但前者分布于美國，后者分布于日本(Zhangetal., 1994)。扁綠麗金龜和銅色麗金龜性信息素成分均為R-Buibuilactone和R-Japonilure，在日本均有分布，但發生期不同，前者成蟲期主要在早春，而后者成蟲期卻在夏天(Lealetal., 1993a; Lealetal., 1994a; Lealetal., 1994b)。交配時間的不同是具有相同性信息素成分的金龜之間產生生殖隔離的另一重要因素。銅色麗金龜的性信息素釋放量和交配活動在日落前達到峰值；白毛綠麗金龜指名亞種的性信息素釋放量和交配活動則在日落后達到頂峰(Lealetal., 1996a)。Cyclocephalaborealis和Cyclocephalalurida也是通過成蟲活躍時間的差異來實現種間生殖隔離。Cyclocephalalurida主要在在夜間11點之前活動，C.borealis則在午夜之后(Potter, 1980)。

4 應用研究

金龜甲性信息素有高效的引誘作用，僅有少數幾種金龜甲性信息素在田間應用成功，如日本麗金龜Popilliajaponica、暗黑鰓金龜Holotrichiaparallela引誘劑(張艷玲等, 2004; 鞠倩等, 2014)。1 mg苯酚對新西蘭肋翅鰓角金龜具有非常明顯的引誘效果(Harperetal., 2017)；劑量為1 mg 和20 mg的(E)-2-壬烯-1-醇在田間對宣氏麗金龜A.schonfeldti的引誘效果無顯著性差異(Hasegawaetal., 1993)；聚乙烯管可以延長性信息素的引誘時間，使用聚乙烯管裝載12 mg (R)-2-丁醇誘集Dasylepidaishigakiensis的持效期長達167 d，對照組持效期僅28 d (Wakamuraetal., 2009)；六月鰓金龜的性信息素纈氨酸甲酯和異亮氨酸甲酯對食葉鰓金龜屬的多種(約59種)金龜具有引誘作用，該研究揭示了一種性信息素的多態現象(Robbinsetal., 2006a)。(Z)-7-十四碳烯-2-酮和(E)-7-十四碳烯-2-酮以93 ∶ 7的比例混合對東方異麗金龜有明顯的引誘效果，顯著降低了田間的種群密度，降低率可達92% (Polavarapuetal., 2002)。人工合成的R-Japonilure對日本麗金龜雄蟲有顯著的誘集作用，引誘效果和雌蟲引誘效果相當，但它的(S)-對映體能顯著降低R-Japonilure對雄蟲的誘集能力(Leal, 1996)。高效性誘劑的研發依賴于田間反復誘集、篩選的實驗基礎上，對其各成分配比進行不斷調整，最后得到引誘效果最佳且應用方便的誘劑。麗金龜亞科麗金龜屬多數金龜有相同的性信息素成分(表1)，可以利用此特性開發廣譜型引誘劑。

植食性金龜甲在植物上進行聚集、取食、交配或產卵等行為，植物揮發物為其這些行為提供了不可或缺的信息。植物揮發物與性信息素混配可顯著增強引誘效果。比如植物源引誘劑丁子香酚與日本麗金龜性信息素R-Japonilure混合，引誘效果相比單一使用性信息素提高了2～3倍(Ladd, 1986)；植物揮發物乙酸-反-2-己烯酯與暗黑鰓金龜性信息素異亮氨酸甲酯、芳樟醇混合比單一使用性信息素有更高的誘捕率，且在比例為1 ∶ 5時引誘率最高，增效率達175% (Juetal., 2017)。植物揮發物順-3-己烯醇可顯著提高Melolonthamelolontha性信息素甲苯醌的引誘效果，在10 ∶ 1時的效果比單用性信息素提升了10倍；順-3-己烯醇也可顯著提高性信息素1,4-Benzoquinone對M.hippocastani的引誘效果，在10 ∶ 1時效果提升了2倍(Reineckeetal., 2006)。扁綠麗金龜性信息素與植物揮發物乙酸葉醇酯、苯甲醛、苯乙醛、苯甲醇、苯乙醇、苯乙腈和苯甲酸甲酯以4 ∶ 8 ∶ 14 ∶ 3 ∶ 5 ∶ 19 ∶ 11的比例混用后可顯著增強引誘效果(Tamaki, 1984; Lealetal., 1994c)；紅銅麗金龜性信息素(Z)-5-十四碳烯酸甲酯與植物揮發性物質鄰氨基苯甲酸甲酯混合使用比單獨使用性信息素提高了5倍的引誘效果(Imaietal., 1997)。這些都表明了將性信息素與植物揮發物結合應用的前景廣闊。

5 問題與展望

性信息素是有害生物綜合防治策略(Intergrated pest management, IPM)中的重要途徑之一，越來越受到世界各國的關注。目前已鑒定出的金龜甲性信息素主要集中于麗金龜亞科和鰓金龜亞科，但依然還有大量危害農林果木及農作物的金龜的性信息素未被鑒定。已鑒定的金龜性信息素應用范圍較窄，成功應用田間防治的引誘劑屈指可數。金龜甲性信息素產品少的主要原因一是性信息素中各微量成分的比例難以確定，比例不當會嚴重影響引誘效果；二是人工合成路線復雜，成本較高，這些都嚴重影響到金龜性信息素的鑒定及田間應用，亟需掌握金龜性信息素成分最佳配比，提高合成效率、降低成本，加速金龜性信息素商品化，使其成為農業生產上一種便捷高效的防治手段。

利用昆蟲性信息素控制其為害已成為全球生物防治的重要舉措。近年來隨著分子生物學技術的快速發展，如觸角轉錄組及嗅覺基因分析、性信息素受體蛋白基因克隆及原核表達等技術的快速應用，國內外有關金龜性信息素的報道逐年增多。借助分子生物學技術可以進一步開展性信息素的生物合成、嗅覺感受機理等方面的研究。

麗金龜亞科不同屬之間的性信息素成分具有重疊現象，如無法確定某種金龜的性信息素成分時，可借鑒已鑒定的金龜性信息素成分，利用標準品進行電生理反應和田間試驗，進而縮小性信息素的范圍，降低性信息素組分的鑒定難度；也可利用該特征防治不同屬的金龜，擴大金龜性信息素的應用范圍，以期在有害生物綜合防治過程中發揮更大的作用。