天然除虫菊素通过神经毒性作用刺激口器味觉器官抑制家蝇摄食行为的机制研究

本研究通过毛细管摄食实验揭示了天然除虫菊素(pyrethrins)及其合成衍生物拟除虫菊酯(pyrethroids)通过激活电压门控钠通道(voltage-gated sodium channels)，直接刺激家蝇(Phormia regina)口器味觉器官产生神经毒性刺激，从而中断摄食行为。该发现阐明了植物源神经毒剂的独特拒食机制，为昆虫-植物协同进化研究提供了新视角。

　　

在植物与昆虫漫长的进化博弈中，化学防御始终是这场"军备竞赛"的核心武器。除虫菊(pyrethrum)作为古老的杀虫植物，其活性成分除虫菊素(pyrethrins)能迅速击倒昆虫的特性已被广泛应用，但关于其抑制昆虫摄食的机制却长期存在谜团。传统观点认为，植物防御物质主要通过苦味等不良味觉驱避昆虫，而神经毒剂则通过全身毒性间接影响摄食。这种二元对立的理论框架，难以解释为何某些神经毒剂如尼古丁(nicotine)能直接触发昆虫的先天拒食反应。

来自住友化学公司的Takeshi Kojima和Seiji Yamato团队在《Pesticide Biochemistry and Physiology》发表的研究，创新性地采用毛细管摄食实验(capillary-feeding paradigm)，以家蝇(Phormia regina)为模型，揭示了除虫菊素类物质通过独特神经毒性机制直接刺激口器味觉器官的拒食原理。研究突破了传统"毒性"与"拒食"的二分法认知，证实神经毒剂可通过特定分子靶点直接调控昆虫的摄食行为。

关键技术方法包括：1）毛细管摄食定量分析系统，精确记录摄食持续时间(bout duration)、间隔和单次摄入量；2）咽部结扎手术(pharynx-ligated flies)区分口器局部刺激与全身效应；3）击倒活性(knockdown activity)与拒食效价的相关性分析。通过比较天然除虫菊素、6种活性成分及拟除虫菊酯(allethrin/deltamethrin)的作用模式，结合Na⁺通道特异性调控实验，系统阐明了靶点依赖性拒食机制。

【Natural and synthetic pyrethrins indicate feeding inhibition at sublethal concentrations】
研究发现，0.4 μM超低浓度除虫菊素即可使家蝇摄食量降低50%（IC₅₀），效力是常规味觉刺激物的200倍。高速摄像显示，摄食中断时伴随唇瓣震颤(labellar quivering)和喙管(proboscis)收缩犹豫，并出现呕吐行为。这些行为特征与苦味物质引起的单纯拒食反应截然不同。

【Pyrethrins directly irritate oral taste organs】
咽部结扎实验证实，除虫菊素无需进入消化道即可诱发喙管刺激，表明其直接作用于口器味觉器官。电生理记录显示，该刺激引发喙管肌肉过度兴奋(hyperactivation)，这种神经毒性特征与Na⁺通道激活导致的神经元超兴奋性(hyperexcitation)一致。

【Structure-activity relationship of antifeedant effects】
拟除虫菊酯allethrin和deltamethrin展现出与天然除虫菊素相似的拒食模式，且拒食效价与击倒活性呈正相关。这种量效关系强有力地证明，拒食效应源于化合物对神经靶点的固有活性(intrinsic neurotoxic actions)，而非单纯的味觉厌恶。

该研究首次建立"神经毒性-味觉刺激-摄食抑制"的完整机制链条：除虫菊素类物质通过激活口器味觉器官的电压门控钠通道，引发局部神经元超兴奋，产生类似"灼痛感"的化学刺激，从而迫使昆虫中断摄食。这种机制既不同于传统味觉拒食剂的简单信号传导，也区别于全身神经毒剂的间接作用，代表植物化学防御中一类独特的"神经刺激性拒食"策略。

从应用角度看，研究为新型拒食型杀虫剂设计提供了明确靶点——针对昆虫口器特化Na⁺通道亚型进行优化，可同步增强击倒活性和拒食效果。在进化生物学层面，该发现为理解植物如何"驯化"神经毒剂实现双重防御（快速击倒+摄食阻止）提供了关键证据，丰富了化学生态学理论框架。特别值得注意的是，研究中发现的"神经刺激性拒食"现象可能普遍存在于其他植物源神经毒剂中，这为重新审视昆虫与植物的化学军备竞赛开辟了新维度。