综述：Colobognatha类马陆的萜类生物碱：结构多样性与功能见解

《Journal of Natural Products》：The Terpenoid Alkaloids of Colobognath Millipedes: Insights into Structural Diversity and Function

本综述系统梳理了Colobognatha类马陆（千足虫）防御性分泌物的化学多样性、生态功能及最新研究进展。文章重点介绍了该类群独特的生物学特性（如育幼行为和社会性），并详细阐述了自2020年以来新发现的三十余种结构复杂（如含七个连续手性中心）的萜类生物碱（Terpenoid Alkaloids）。这些化合物不仅对常见昆虫捕食者（如蚂蚁）具有显著的威慑作用，部分成员还显示出对σ受体（σ1R）和烟碱型乙酰胆碱受体（nAChRs）的潜在生物活性，为药物开发提供了新线索。文章最后指出了当前研究的空白领域（如大部分物种的化学组成未知、生物合成途径不明）并展望了未来研究方向。

　　

Colobognatha类马陆

马陆（Diplopoda）是一类古老且多样的节肢动物，是陆生动物中最古老的类群之一。Colobognatha是马陆中的一个亚纲，包含四个目：扁带马陆目（Platydesmida）、多带马陆目（Polyzoniida）、管隐马陆目（Siphonocryptida）和管马陆目（Siphonophorida），涵盖8个科超过200个已知物种。该亚纲的马陆几乎遍布全球（除北极圈以北和南极洲外），在北美和欧洲物种多样性较高。它们体型通常较小（许多种类宽度小于1毫米），具有独特的形态特征，如粉红色或紫色的体色、锥形头部，以及圆柱形或扁平的身体。Colobognatha得名于其退化的口器，使其能够以吸食液体（主要是真菌）为生，这种行为在马陆中较为罕见。

Colobognatha类马陆的社会特性

Colobognatha类马陆以其独特的社会行为而著称，例如形成大型聚集和育幼行为，这使其区别于其他马陆。由于它们以真菌为食，常被发现大量聚集（可达100个个体）在腐烂木头下的真菌上。这些群体通常包含不同发育阶段的个体（不包括卵），并且多为单一物种。此外，扁带马陆目中的一些物种（如Brachycybe和Platydesmus属）经常形成“风车状”聚集，所有个体头部朝向中心，尾部向外伸展。雄性个体会采取育幼姿势，将卵保护在蜷曲的身体下方，并在整个孵化期（3-4周）清洁卵粒，这可能是为了防止真菌感染和捕食者侵害。一旦卵孵化，雄性便会离开出生地。这些聚集行为和育幼行为在其他马陆类群中很少见，推测需要某些尚未鉴定的信息素参与。

防御腺体与Colobognatha的化学组成

与其他马陆类似，Colobognatha拥有位于身体两侧的防御腺体（又称拒避腺）。对Colobognatha腺体的研究有限，现有研究表明多带马陆目和扁带马陆目物种拥有单腔室腺体。对Brachycybe lecontii的研究发现，其腺体呈泪滴状，体积庞大，可占据单个侧板体积的三分之一。腺体孔在马陆孵化后不久便出现，但化学分泌物在更晚的发育阶段才被检测到。

Siphonophorida的防御性分泌物

管马陆目包含2个科116个已知物种。据信，该目物种仅产生简单的单萜类化合物，如α-蒎烯（1）和β-蒎烯（2），但这主要基于一篇综述文章中报道的对单一Siphonophora物种的研究。

Polyzoniida和Siphonocryptida的防御性分泌物

多带马陆目和管隐马陆目是Colobognatha中的两个目。多带马陆目物种相对丰富，有72个描述物种，在除南极洲外的所有大陆均有发现。该目是首个被化学研究的类群，其化合物在20世纪70年代就有描述。1975年，首次从Petaserpes cryptocephalus的防御腺体中鉴定出聚带马陆胺（polyzonimine, 4）和硝基聚带马陆胺（nitropolyzonamine, 5）这两种螺环生物碱。对其他多带马陆目物种（如Kiusiozonium okai, Polyzonium germanicum, Rhinotus purpureus）的研究发现，它们也产生4、5以及相关的螺吡咯里西啶236（spiropyrrolizidine 236, 6）。近期对P. germanicum分泌物的重新评估发现了更多化学多样性，包括酰化和氧化的硝基聚带马陆胺类似物（7–9）。有趣的是，6及其类似物也曾在箭毒蛙（Dendrobatidae, Mantellidae, Bufonidae）的皮肤中被发现，表明这些青蛙通过捕食共域的马陆来获取并积累这些生物碱用于自身防御。迄今为止，唯一已知产生除聚带马陆胺和硝基聚带马陆胺类似物之外防御性分泌物的多带马陆目物种是Buzonium crassipes，它产生了一种新的含环氧官能团的三环生物碱——布zon胺（buzonamine, 10）。

Platydesmida的防御性分泌物

扁带马陆目包括2个科62个物种，常见于北美、中美洲、欧洲和东南亚。它们通常被称为羽状马陆，体色鲜艳，可能是一种警戒色。在2020年之前，该目物种的化学研究尚属空白，但过去五年间，其已知化学物质迅速扩展，发现了许多结构前所未有的萜类生物碱。2020年，从加州的Gosodesmus claremontus中发现了戈索代斯明（gosodesmine, 11），一种7-取代的吲哚里西啶（indolizidine）生物碱。随后，在Brachycybe petasata和B. producta的防御分泌物中鉴定出氢化戈索代斯明（hydrogosodesmine, 12）以及两种喹诺里西啶（quinolizidine）——高戈索代斯明（homogosodesmine, 13）和高氢化戈索代斯明（hydrohomogosodesmine, 14）。2022年，在Brachycybe lecontii的防御分泌物中发现了脱氧布zon胺异构体（15和16），其姐妹种B. rosea则以16为主要生物碱。对Ischnocybe plicata分泌物的研究揭示了质量更大、功能化更复杂的三环杂环化合物（17–20），它们被短链脂肪酸酯和酮基等修饰。最近，对Andrognathus corticarius的研究发现了最令人惊讶的结果，其分泌物中包含超过25种不同的生物碱，分为两大类：安氏马陆碱（andrognathines, 21，具有不同于11和12的7,8-取代吲哚里西啶核心）和安氏马陆醇（andrognathanols, 22，具有前所未有的6,6,6,5-桥连四环杂环结构），这些生物碱通过与多种短链脂肪酸连接形成了巨大的化学多样性。

化学分泌物知识的当前空白

尽管已报道的化学分泌物数量激增，但仅有不到10%的已描述Colobognatha物种被研究过，许多属仍未检测。例如，在扁带马陆目已描述的68个物种中，只有7个物种的化学组成被分析过，且都位于美国。东南亚、中美洲和南欧等生物多样性热点地区的大部分属（如Platydesmus, Pseudodesmus等）以及多带马陆目的许多属仍有待研究。鉴于马陆物种的实际数量估计接近70,000种，大部分尚未描述，对这些热点地区马陆防御性分泌物的化学研究很可能发现新的化合物。

Colobognatha萜类生物碱的生态和生物学功能

萜类生物碱被认为对动物具有防御作用，这得到了其在受干扰时主动分泌以及在某些情况下对常见捕食者（如蚂蚁）的行为实验的支持。聚带马陆胺（4）的研究最为深入，在生态相关浓度下能引起蚂蚁强烈的清洁行为，被认为是一种通用刺激物。布zon胺（10）和异隐马陆碱类（17–20）以及安氏马陆碱A（21）和安氏马陆醇A（22）也显示出对蚂蚁的威慑效果。然而，对Colobognatha马陆真正捕食者的了解仍然缺乏，实验数据仅限于蚂蚁、蟑螂和苍蝇，限制了对它们基本生态作用的理解。此外，由于Colobognatha马陆独特的社会特性，推测萜类生物碱可能具有双重功能，既作为防御剂，也作为信息素。初步的Y型管选择实验表明，同种马陆彼此显著吸引，而不同目的物种则相互排斥，这支持了部分生物碱可能作为信息素的假说。

在生物活性方面，硝基聚带马陆胺（5）和螺吡咯里西啶236（6）被发现是烟碱型乙酰胆碱受体（nAChRs）的非竞争性阻断剂，对神经节型[α₃β₄₍₅₎]有一定选择性，并能抑制内源性σ受体（σR）配体的结合。异隐马陆碱类（17–20）对σ₁受体（σ₁R）表现出强效和选择性结合，其中17的K_i值达13.6 nM。安氏马陆碱A（21）对σ₁R活性较弱，而安氏马陆醇A（22）在高达10 μM浓度下无活性。这些生物碱对钠通道（Na_V1.5, Na_V1.8）无活性，这与同样含有吲哚里西啶结构的高毒性螨类毒素（pumiliotoxins）的作用模式不同。

化学分泌物与系统发育的关系

目前尚无研究专门探讨Colobognatha化学分泌物组成与其系统发育的关系。有限的化学多样性分析初步支持化学多样性与系统发育密切相关的观点。管马陆目被认为仅产生简单的单萜类，这可能是Colobognatha内的共祖性状。姐妹目多带马陆目、管隐马陆目和扁带马陆目均产生单萜类和更复杂的萜类生物碱。螺环杂环（如4–9）仅发现于多带马陆目和管隐马陆目，而大多数稠合杂环（如10–22）则存在于扁带马陆目。目前的假说是螺环和稠合杂环分别是其各自目的衍征（apomorphic traits）。布zon胺（10）由多带马陆目的B. crassipes产生是一个特例，这可能源于基因水平转移或趋同进化。

提出的生物合成途径

所有已知的Colobognatha生物碱都具有诊断性的偕二甲基基团，这是萜类生物合成的特征。因此，推测所有生物碱都包含一个来源于香叶基焦磷酸（geranyl pyrophosphate, GPP, 23）的单萜前体。每个生物碱至少含有一个氮原子，推测是通过与β-硝基丙酸（用于6）、吡咯烷（用于10–12, 15–21）或哌啶（用于13, 14, 22）缩合引入。该缩合产物随后经历环化和翻译后修饰（如氧化、连接反应）以产生最终产物。然而，需要进一步的标记实验或生物信息学分析来确认这些假说并鉴定生物合成基因。

总结

本综述总结了当前对Colobognatha类马陆分泌物化学多样性、功能及未来方向的认知。近年来（自2020年起），从两个目（多带马陆目和扁带马陆目）的物种中鉴定出了31种新的生物碱，其中许多结构更为复杂，并包含了先前未报道的功能（如短链脂肪酸酯的掺入、额外的环化）。这些发现不仅增进了对分泌物组成的理解，也为潜在的生物医学和生态功能提供了见解，并初步揭示了假设的生物合成途径的演化。部分萜类生物碱对σ受体和/或烟碱型乙酰胆碱受体显示出活性，表明其药物开发潜力。扁带马陆目内增加的化学多样性，以及其与系统发育的相关性，提示这些化合物可能具有防御和信息素的双重作用。未来的研究重点包括描述未研究属的分泌物组成、鉴定生物合成基因以及深入理解其信息素特性。