小说 玉米中含有的β-大萜烯倍半萜类化合物通过特定机制对棉铃虫等害虫具有抑制作用

《Industrial Crops and Products》：Novel β-macrocarpene sesquiterpenoids from maize with inhibition potential against Spodoptera pests via species-specific mechanisms

玉米须（Yunrui 62）中鉴定出10种β- macrocarpene型单萜烯（1–10），含9种新化合物。化合物10对两种鳞翅目幼虫（斜纹夜蛾和甜菜夜蛾）具有显著抗虫活性，通过抑制生长和诱导死亡率发挥作用，且在根系中含量最高。分子机制研究表明，10通过靶向解毒酶和调控代谢通路（如Tret1基因）影响虫体生理，对两种昆虫的作用机制存在物种特异性差异。本研究为开发基于生物合成工程的抗虫玉米品种提供了结构基础和理论依据。

　　本研究聚焦于玉米丝中一种特殊的倍半萜类化合物，旨在探索其对两种重要玉米害虫——草地贪夜蛾（*Spodoptera frugiperda*）和甘蓝夜蛾（*S. litura*）的潜在抗虫活性及其作用机制。通过系统的化学分析和生物活性测试，研究人员成功鉴定了九种新型β-宏茂烯型倍半萜类化合物（编号为1至9）以及一种已知的类似物（编号为10），并揭示了这些化合物在玉米不同组织中的分布情况及其对害虫的抑制作用。这些发现不仅丰富了我们对玉米次生代谢产物的认知，还为培育抗虫玉米品种提供了新的思路和策略。

### 1. 研究背景与意义

玉米是全球最重要的粮食作物之一，不仅为人类提供营养，也是动物饲料的重要组成部分。同时，玉米在经济、能源和工业领域也发挥着关键作用。然而，玉米的生产过程中面临着多种害虫的威胁，尤其是草地贪夜蛾和甘蓝夜蛾。这些害虫对玉米的生长和品质构成严重挑战，导致农民遭受巨大的经济损失。目前，化学农药是控制这些害虫的主要手段，但其长期使用引发了害虫抗药性增强、环境污染以及食品安全风险等一系列问题。因此，寻找可持续的替代方案成为当前农业科研的重要方向。

在植物抗虫机制中，次生代谢产物扮演着至关重要的角色。这些化合物包括萜类（如β-宏茂烯）、酚类、含氮化合物和含硫化合物等，它们在植物防御体系中具有多种功能，如直接毒杀害虫或通过释放挥发性物质吸引天敌。在玉米中，β-宏茂烯型倍半萜类化合物被认为可能具有抗虫特性，但其具体活性和作用机制尚未明确。因此，本研究通过系统分析玉米丝中的β-宏茂烯型倍半萜类化合物，评估其对两种害虫的抑制作用，并探讨其作用机制，为玉米抗虫育种和可持续害虫管理提供理论支持和实践指导。

### 2. 材料与方法

本研究采用多种现代分析技术，包括高效液相色谱（HPLC）、高分辨率质谱（HRESIMS）、X射线晶体学分析和电子圆二色谱（ECD）等，对玉米丝中的化合物进行结构鉴定。通过提取和分离，研究人员获得了十种β-宏茂烯型倍半萜类化合物，并对其中部分化合物进行了生物活性测试。

在生物活性测试中，采用人工饲料喂养法，对草地贪夜蛾和甘蓝夜蛾的幼虫进行毒理实验。实验过程中，研究人员将化合物溶解于乙醇中，制备成不同浓度的溶液，随后将其加入人工饲料中进行喂养。通过测定幼虫的体重变化和死亡率，评估化合物的抗虫效果。此外，还通过体外酶活性测定和转录组分析，进一步揭示化合物对害虫解毒酶活性和基因表达的影响。

### 3. 结果与讨论

研究结果显示，从玉米丝中分离出的九种新化合物（1至9）和一种已知化合物（10）具有显著的抗虫活性。其中，化合物2、3、6、7和10在20 μg/g浓度下对草地贪夜蛾的体重增长产生明显抑制作用；而化合物4和10则在相同浓度下对甘蓝夜蛾的生长有抑制效果。值得注意的是，化合物10在草地贪夜蛾中表现出更强的毒性，特别是在浓度为10 μg/g时，3天后即可导致幼虫高死亡率，其效果甚至优于常用的植物源杀虫剂——苦楝素（azadirachtin）。

进一步的定量分析表明，化合物10在玉米的多个组织中广泛存在，尤其是在根部和花药中。这一发现提示，化合物10可能在玉米的防御系统中发挥重要作用。此外，研究还揭示了化合物10对两种害虫的不同作用机制。在甘蓝夜蛾中，化合物10显著抑制了解毒酶的活性，并降低了消化酶的表达，同时增强了某些转运蛋白基因的表达；而在草地贪夜蛾中，化合物10主要影响中肠的细胞成分，而未对解毒途径造成明显影响。

这些发现表明，β-宏茂烯型倍半萜类化合物在玉米的抗虫机制中具有重要作用。它们不仅可能通过直接毒杀害虫，还可能通过干扰害虫的生理功能，如消化和解毒，从而达到抑制其生长的目的。此外，研究还发现，化合物10的立体结构对其活性具有重要影响。例如，其两种对映体（10a和10b）虽然都具有一定的抗虫活性，但其整体效果不及其外消旋体（10）。这表明，化合物10的合成过程可能涉及对映体的生成，而优化其生物合成途径可能有助于增强玉米的抗虫能力。

### 4. 抗虫机制与未来展望

从转录组分析的结果来看，化合物10对草地贪夜蛾和甘蓝夜蛾的基因表达产生了显著影响。在草地贪夜蛾中，化合物10主要抑制了与细胞结构和有机氮化合物合成相关的基因表达，这可能与其导致中肠细胞结构破坏有关。而在甘蓝夜蛾中，化合物10则主要抑制了某些消化酶的表达，同时降低了解毒酶的活性，从而影响害虫的营养吸收和代谢能力。

这些差异表明，不同害虫对化合物10的反应机制可能存在显著差异。这可能与它们的生理结构、代谢途径和基因表达模式有关。因此，未来的研究可以进一步探讨这些差异的分子基础，以期开发更具针对性的抗虫策略。此外，研究还发现，化合物10可能通过干扰某些关键的转运蛋白（如Tret1）发挥作用，这些蛋白在害虫的能量代谢和应激反应中起着重要作用。因此，通过基因编辑技术（如CRISPR-Cas9）研究化合物10的生物合成途径及其作用靶点，将有助于更深入地理解其抗虫机制，并为开发新型抗虫玉米品种提供理论依据。

### 5. 研究意义与应用前景

本研究不仅揭示了玉米丝中多种β-宏茂烯型倍半萜类化合物的结构和生物活性，还明确了其对两种主要害虫的作用机制。这些化合物在玉米中的广泛分布和显著抗虫效果，表明它们可能在玉米的自然防御体系中扮演重要角色。通过进一步研究这些化合物的合成途径和作用机制，可以为提高玉米的抗虫能力提供新的思路。

此外，研究还发现，化合物10的立体结构对其活性具有重要影响。这意味着，通过优化其合成过程，可以提高其抗虫效果。同时，研究还指出，这些化合物可能成为未来抗虫作物育种的重要资源。结合基因编辑和合成生物学技术，未来有望实现对这些化合物的定向合成和表达，从而开发出具有更强抗虫能力的玉米品种。

综上所述，本研究为理解玉米的自然防御机制提供了新的视角，并为培育抗虫玉米品种奠定了理论基础。随着对这些化合物的深入研究，未来有望开发出更高效、更环保的害虫控制策略，减少对化学农药的依赖，提高农业生产的可持续性。