保幼激素類似物的研究進展與應用

應澍也，李穎慧，徐豫松，王華兵

（浙江大學 動物科學學院，浙江 杭州 310058）

昆蟲的生長發育和變態主要是由促前胸腺激素（Prothoracicotropic hormone，PTTH）、蛻皮激素（Moulting hormone，MH）及保幼激素（Juvenile hormone，JH）等控制［1］。其中，保幼激素為除植物外，節肢動物獨有的激素［2］，由腦后的一對咽側體合成并分泌到血淋巴中，其分泌水平直接影響了昆蟲的發育情況和生理機能［3］。隨著生物學研究技術的迅速發展，自JH 被Wigglesworth（1934）發現至今，關于JH及其類似物的研究與應用獲得了許多進展。

1 保幼激素及其類似物的研究進展

1.1 保幼激素的合成、分泌、代謝及調節

昆蟲血淋巴循環系統中保幼激素滴度穩態是由其生物合成和代謝過程共同保持的［4］。JH的生物合成途徑主要是：乙酸、丙酸→甲羥戊酸→焦磷酸法呢酯→法呢酯→JH。從法呢酯→JH 的生物合成途徑，因昆蟲種類的不同而異［5］。

保幼激素的分泌和轉運途徑主要為：JH自咽側體合成后分泌至血液，與其中的血淋巴JH載體蛋白（hemolymph JH binding protein，hJHBP）結合形成JH-載體蛋白質復合體，依靠其自身的血液循環到達靶細胞，并與JH受體作用進而調控相應基因的表達，決定昆蟲的生長發育［6］。保幼激素的代謝由保幼激素酯酶（Juvenile hormone esterase，JHE）、保幼激素環氧水解酶（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別可在JHEH和JHE的催化下生成相同的產物——保幼激素酸二醇，存在于一些昆蟲細胞質中的JHDK 也可催化保幼激素二醇生成保幼激素二醇磷酸［7］。完整保幼激素代謝圖可參考圖1。昆蟲通過神經刺激、腦分泌的神經肽物質——促咽側體素（Allatotropin，AT）咽側體抑制素（Allatostatin，AS）及血液中和JH代謝相關的酶調節控制血液中JH滴度［8］。

圖1 保幼激素代謝途徑模式圖Fig. 1 Metabolic pathway model of juvenile hormone

保幼激素的主要合成為法尼基二磷酸（Farnesyl diphosphate，FPP），FPP 可經由甲羥戊酸途徑（MVA path）或丙酮酸途徑（DXP path）合成異戊烯焦磷酸，再經由酶促反應得到［9］。Cheng等比較分析了家蠶（Bombyx mori）和黑腹果蠅（Drosophila melanogaster）等昆蟲中數十種與JH合成、代謝及信號傳導相關的基因，發現果蠅、家蠶等昆蟲中的MVA 途徑、JH 生物合成的神經肽調控和JH 信號傳導等相關基因多為單拷貝，再次證明了與JH相關的生化途徑和步驟在昆蟲中相對保守；但若干JH代謝相關基因在鱗翅目中出現明顯的多拷貝，猜測JH代謝相關基因的復制可能與鱗翅目進化密切相關［10］。

1.2 保幼激素類似物的研究進展

1.2.1 保幼激素類似物的主要類型

農藥的使用對人類和環境健康產生了重大的負面影響。保幼激素靶向性強，是一種良好的昆蟲生長調節劑（Insect growth regulators，IGR），可替代許多對環境具有公害的化學殺蟲劑。它不會對昆蟲產生較為迅速的觸殺毒性，但會長期影響昆蟲的生理并對其生命活動產生干預［11］。天然的保幼激素在陽光照射下易分解，使之不利于在生產上應用，故人們研究開發了保幼激素類似物（Juvenile hormone analogue，JHA），其按結構和來源可以分為3 類：1）JH結構類似物，以烯蟲酯（Methoprene）及其結構類似物烯蟲炔酯（Kinoprene）等為代表，此類化合物生物活性可達保幼激素本身的400 倍。2）JH活性類似物，這是一類在分子中引入苯環或雜環的化合物，和JH本身的結構差異較大，但具有更穩定的保幼激素類似物的活性，因此廣泛應用于農林及衛生害蟲的防治。商品化生產實際應用的主要種類有：雙氧威（Fenoxycarb）、吡丙醚（Pyriproxyfen）和噠幼酮（NC-170）等。 3）從植物中分離得到的JH 活性類似物。目前可查證的該類JH 類似物至少有16 種。其中Nama sandwicense是第一個被發現的同時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 保幼激素類似物作用的關鍵受體

雖然早在1970 年代中期就已經發現了保幼激素類似物，但是它的作用機制，特別是JH 活性類似物如何在結構差異明顯的情況下具有更穩定的保幼激素活性，是在發現JH受體（JH receptor，JHR）后才得以解釋［13］。當幼蟲達到適當大小時，JH合成停止，抑制變態的基因Krüppel-homolog 1（Kr-h1）表達下降，成蟲得以發育，但JHR基因一直在表達［14］。因此，在無JH基因表達時期用JH或其JH類似物處理可阻止變態，而破壞變態則是保幼激素類似物的主要殺蟲方式［15］。

20 世紀末，Wilson 等對黑腹果蠅基因進行篩選后發現了耐烯蟲酯蛋白（Met），鑒定其具有類核受體（basic-helix-loop-helix，bHLH）/Per-Arnt-Sim（PAS）特性，應為腹黑果蠅的JHR［16］。而后續研究表明，一種因Met基因片段重復而產生的旁系同源基因GCE和Met的雙突變體果蠅死亡，單突變體個體可以存活［14］。最終確認，Met/GCE是真正的JH細胞內受體［17］。

2 保幼激素類似物的開發應用研究

2.1 保幼激素類似物在害蟲防治中的應用

2.1.1 保幼激素類似物在防治農業害蟲上的應用

保幼激素類似物已被應用于水稻、玉米和果蔬等的害蟲防治。煙粉虱（Bemisia tabaci）是一種寄主廣泛的田間害蟲，為害方式主要為傳播植物病毒［18］，何振華等試驗得出噴灑0.2 g/L 吡丙醚于豆角，5 d后蟲口減退率達61.57%，適合Q型煙粉虱卵塊較多時使用［19］。楊帥等采用無人機施藥技術噴灑3%苯氧威乳油，以防治玉米害蟲亞洲玉米螟（Ostrinia furnacalis），試驗得出建議飛行高度為1 m，用藥劑量600 mL/hm2，噴灑藥液量為12 L/hm2［20］。桃樹蚜蟲為影響桃樹產量的關鍵害蟲，雷改平等試驗得出對有蟲株率為100%的桃園施藥3%高滲苯氧威1 000倍液，8 d后蟲口減退率為84.57%［21］。朱新海等指出在商品蘑菇培育上可使用保幼激素類似物烯蟲酯和氯菊酯，以控制害蟲平菇癭蚊和斯式菌癭蚊的繁殖速度［22］。Chacón-Benavente R 等使用昆蟲不育技術（Sterile insect technique，SIT）來防治斜紋夜蛾（Spodoptera litura），發現保幼激素類似物烯蟲酯可應用于該技術大規?？焖偕a不育且能夠長時間保持性成熟的雄性昆蟲［23］。

2.1.2 保幼激素類似物在防治林業害蟲上的應用

保幼激素類似物因其靶向性強且無公害，在林業方面也得到推廣應用。許先坤等比較常用藥劑對紫薇長斑蚜蟲（Tinocallis kahawaluokalaniKirkaldy）的防治效果，得出苯氧威防效最好，施用3%高滲苯氧威1 000倍稀釋液8 d后，蟲口減退率可達84.57%［24］。采用3%高滲苯氧威或其乳油可有效防治美國白蛾（Hyphantria cunea）、云杉線小卷蛾（Zeiraphera canadensisMutuura et Freeman）和橡膠盔蚧（Parasaissetia nigraNietner）等林業害蟲，施藥后防治效果可達90%及以上，且對生態環境無不良影響［25］。孫國山等將高滲苯氧威乳油與吡蟲啉以45∶20的比例復配，顯著提高了原有單一農藥對馬尾松害蟲松梢螟（Dioryctria Splendidella）的防治效果［26］。

2.1.3 保幼激素類似物在防治儲糧害蟲上的應用

在倉儲害蟲防治上，保幼激素類似物多種類別組合使用或與其他農藥復配使用較多。實踐上多使用保幼激素組合Methoprene＋Chloryurifos-methyl或Synergized Phenothrin＋Chloryurifos-methyl＋Piperonylbntoxide以抑制多種玉米病蟲害，達到良好貯存的效果［27］。有研究表明，苯氧威對玉米象和谷蠹的殺蟲持效期長，對糧食無污染，對黃粉蟲生長發育也具有顯著的抑制作用，能有效控制其危害；用苯氧威處理能確保所儲稻谷一年基本無蟲，且對稻谷發芽率無顯著影響［32］。

2.1.4 保幼激素類似物在防治衛生害蟲上的應用

羅禮智等研究發現，使用烯蟲酯30 μg/蛾可降低蟲［Mythimnaseparata（Walker）］雌性的飛行能力［29］。于長明等發現吡丙醚處理可影響德國小蠊（Blattella germanica）卵黃發生，使羽化雌性蟲不育，影響其繁殖［30］。

2.1.5 保幼激素類似物在防治煙草害蟲上的應用

煙草甲（Lasioderma serricorne）是煙葉貯存時的主要貯煙害蟲，研究發現使用10-20 mg/kg 苯氧威處理煙葉10 個月后，對煙草甲的防治效果達到100%，苯氧威表現出較強的類保幼激素活性，可觀察到煙草甲為滯育狀態或已死亡，苯氧威有望替代對人體具有毒害的熏蒸劑農藥［31］。煙蚜（Myzus persicae）為種植煙草中遇到的主要害蟲之一，煙蚜繭蜂（Aphidius gifuensis）是其優勢寄生蜂。白晶晶等發現，在溫度10 ℃時使用烯蟲乙酯（1 000 ng/μL）處理后，煙蚜繭蜂蛹羽化時間延遲56 h［32］。

2.2 保幼激素類似物在資源昆蟲中的應用

2.2.1 保幼激素類似物在蠶業方面的應用

施用保幼激素類似物以提高家蠶增絲效果的技術已有50年左右的歷史，相關研究圍繞保幼激素的施用時間、次數、用量、處理方式以及與蛻皮激素的配合使用等展開。施藥時間以5 齡中期偏早為宜。徐建春適當使用保幼激素可溶性粉對5齡期蠶進行添食，能夠調節蠶生長發育，延長5齡期10 h左右并使其多食桑葉，可以用于抗高溫逼熟或桑葉過剩［33］。莊大桓等利用保幼激素反復給法可以進一步提高增產效果，使用ZR-515對5齡家蠶進行2次體噴，可增產20%，繭絲纖度增粗可達10%，且未發現明顯不良影響［34］。但近年來，保幼激素類似物殺蟲劑引發蠶中毒的情況時有發生，故采取預防措施來推進該類農藥的科學與規范使用愈加重要［35］。

2.2.2 保幼激素類似物在養蜂業方面的應用

蜜蜂是一種社會性昆蟲，級型分化是其維持正常群體生活的基礎。有研究發現咽側體中保幼激素合成水平與級型分化存在關聯，雄蜂和工蜂幼蟲的保幼激素合成水平幾乎相同，而雄性和雌性蜜蜂幼蟲中保幼激素的合成存在差異［36］。血淋巴中保幼激素的滴度是調控不同年齡段與工作階段的蜜蜂行為活動的基礎［37-39］。周冰峰等使用劑量0.05～0.005 μg的ZR-512 處理蜂王，可使交配時間提前2.4～2.6 d，增加有效產卵量［40］，對擴大蜜蜂群勢、保證工蜂數量及提高蜂群生產力遒奠定基礎。但Chang等研究表明，工蜂以專門的覓食活動為節點改變其分工角色，烯蟲酯會提早該行為的發生，同時在一定程度上降低覓食活動時間，故施用該保幼激素類似物需要注意可能引起的蜂群群體階級變化［41］。

2.3 保幼激素類似物的其他應用與研究進展

關于保幼激素類似物的應用研究，在經濟昆蟲飼養、農業害蟲防治等方面已有較多進展。Devi 等以蜜蛾（Galleria mellonella）為研究對象，比較了保幼激素類似物吡丙醚和苯氧威對5齡幼蟲的毒害能力，發現四（2-氯乙基）二氯異戊基二磷酸酯（V6）毒性最強，致死中濃度（LC50）值為0.11 mg/mL［42］。白蠟蟲（Ericerus pela Chavannes）分泌的白蠟在我國醫藥與工業領域都有廣泛使用；劉妮等使用2.5 mg/ml吡丙醚噴施處理2 齡白蠟蟲雄幼蟲提高其泌蠟量，具體增效因地域環境而異［43］。亞洲瓢蟲異色瓢蟲（Harmonia axyridis）是幾種農業害蟲（包括蚜蟲和粉虱）的重要捕食者，商業上需要大規模飼養以控制害蟲［44］。路玉婷等發現1 mg/Kg烯蟲乙酯施用下可使捕食性昆蟲異色瓢蟲（Harmonia axyridis）正常繁殖，保證其農藥上控害能力，并對其后代無生存不良影響［45］。劉永平等研究表明10 μg/頭濃度Methoprene 處理可延長斜紋夜蛾（Spodoptera litura）末齡幼蟲的壽命，提高其幼蟲的病毒產量［46］。Zhu 等敲除了埃及伊蚊（Aedes aegypti）轉錄因子E93，發現在E93 突 變 中，Broad complex 和Krüppel homolog 1（Kr-h1）轉錄因子表達水平增加，而幼蟲組織程序性細胞死亡（PCD）和自噬相關的基因表達減少，為烯蟲酯的作用機制提供了新見解［47］。殺蟲劑通過直接殺死或調節蜘蛛的發育和繁殖來傷害有益的生物體，如捕食性蜘蛛。使用苯氧威可顯著上調稻田中主要掠食性蜘蛛Pardosa pseudoannulata的JH 生物合成相關基因的轉錄水平，從而延緩了其表皮蛻皮［48］。用0.5 nmol/L～10 μmol/L 不同濃度的fenoxycarb 對Sf21 細胞系進行細胞毒性試驗，以48 h 下的IC25濃度處理72 h后，可見細胞間隙擴大，細胞凋亡增加；在共聚焦顯微鏡分析中，通過Hoechst-33，342觀察到細胞核濃縮并折疊成許多碎片；研究結果證實了Sf21細胞系中存在芬氧威介導的細胞凋亡和抑制細胞增殖［49］。研究人員在400個全基因組轉錄組基礎上重建了擬毛單蟻（Monomorium pharaonis）和棘蟻（Acromyrmex echinatior）2 種螞蟻的個體發育軌跡，發現保幼激素信號通路通過調節體重差異，在級型分化中發揮關鍵作用［50］。

3 展望

綜上所述，保幼激素類似物是一種生產實踐上重要的昆蟲生長調節劑，對自然環境公害低，在環境問題嚴重的當下，應合理開發利用該種殺蟲劑，并科學使用該種生長調節劑于經濟昆蟲的飼養中。關于保幼激素的合成、代謝和調控方式，科學界已有合理闡釋；但保幼激素在不同生物中的合成途徑特異性需要被關注和完善，科學家們目前也對保幼激素滴度與各種非生物因素如隨溫度、光周期和飲食等的變化關系也非常有興趣［15］。同時，保幼激素是否存在更多的同源物也是值得探究的問題。