昆虫代谢环氧化睡茄内酯的分子机制：专食性与广食性物种的比较研究揭示解毒新途径

本研究发现专食性昆虫Heliothis subflexa和广食性昆虫Heliothis virescens均能通过环氧化物水解酶介导的代谢途径将环氧化睡茄内酯4β-羟基睡茄内酯E（4BHWE）转化为睡茄内酯S。研究采用13C同位素标记技术结合高效液相色谱-高分辨质谱（HPLC-HRESIMS）和核磁共振（NMR）分析，首次揭示昆虫体内睡茄内酯的代谢命运，为植物-昆虫协同进化提供关键分子证据。

　　

引言

睡茄内酯（withanolides）作为酸浆属（Physalis）植物的主要次生代谢产物，具有显著的拒食和生长抑制效应，其对昆虫的毒性机制尚未完全阐明。专食性昆虫Heliothis subflexa专门取食酸浆果实，而近缘广食性物种Heliothis virescens虽取食14科植物却回避酸浆。两者对膳食睡茄内酯的生理响应存在显著差异：subflexa生长促进而virescens生长抑制，且睡茄内酯对两者免疫基因表达呈现相反调控作用。

实验方法

通过¹³CO₂气氛培养酸浆植株获得同位素标记的4β-羟基睡茄内酯E（4BHWE），经甲醇提取、中压液相色谱（MPLC）和半制备高效液相色谱（HPLC）纯化获得1.5 mg标记化合物。将4BHWE掺入人工饲料饲喂四龄幼虫48小时后，收集粪便进行甲醇提取，采用HPLC-DAD-HRESIMS和700 MHz核磁共振谱（NMR）分析代谢产物。

结果与讨论

质谱分析显示两种昆虫粪便中均存在分子式C₂₈H₄₀O₈的主要代谢物（m/z 549.2691 [M+HCOOH-H]^-），其保留时间与4BHWE相近但多两个氢原子。通过1,1-ADEQUATE、HSQC-TOCSY和HMBC等核磁技术解析结构，确认代谢物为睡茄内酯S（withanolide S）。该转化涉及β-5,6环氧化物开环形成5α,6β-反式二羟基结构，侧链立体构型（17S,20S,22R）保持不变。电子圆二色谱（ECD）验证与计算光谱完全匹配，排除5β,6α-羟基化的4-去氧睡茄内酯可能性。

该转化可能由环氧化物水解酶（epoxide hydrolase）催化完成，此前已在virescens中鉴定到该酶。代谢转化未显著改变化合物极性，但通过消除环氧化物反应性可能降低毒性。值得注意的是，虽然两种昆虫代谢途径相同，但这无法解释其生长响应差异，提示需要全面考虑膳食中其他化合物互作效应。睡茄内酯S与蜕皮激素（ecdysone）结构差异显著（缺乏5β-亚甲基和6-酮基），其是否具有蜕皮激素活性仍需进一步研究。

结论

本研究首次阐明昆虫对环氧化睡茄内酯的代谢机制，证实专食性和广食性昆虫均通过相同途径将4BHWE转化为睡茄内酯S。¹³C标记技术成功追踪代谢命运，为植物-昆虫互作研究提供新方法。环氧化物水解酶介导的解毒策略可能是昆虫适应植物化学防御的重要机制。