作为植物防御性物质的烟碱相关研究进展

沈　嘉1,2,　　程新胜1*

　　　　　（1. 中国科学技术大学烟草与健康研究中心, 合肥 230051;

2. 安徽农业大学农学院, 合肥 230061）

摘要：烟碱是烟草（Nicotiana tobacum L.）重要的抗虫性物质。本文主要就烟碱在烟草体内的分布、生理作用、合成诱导、对昆虫的毒性以及昆虫对烟碱的适应性机制等方面的研究进展进行了综述。

关键词：烟碱；烟草；抗虫性；昆虫

中图分类号：Q946.881    文献标识码：A　　文章编号：

Review on Defensive Nicotine against Insect in Tobacco

SHEN Jia1,2,   CHENG Xin-sheng1*

(1. Research Center of Tobacco and Health, University of Science & Technology, Hefei 230051,  China;                                                                                             

2.  College of Agriculture, Anhui Agricultual University, Hefei 230061, China)

Abstract: Nicotine is an important insect-resistant matter in a number of Nicotiana species. This paper summarized its physiological functions, distribution and synthetic induction in tobacco plants. Nicotine’s toxicity to the insect and insect’s adaptation to it were also discussed.

Key words: Nicotine；Tobacco； Insect-resistance； Insect

基金项目：国家烟草专卖局重大项目（110200202002）资助

* 通讯作者 Corresponding author

烟碱（Nicotine）是一种吡啶类生物碱，主要存在于茄科烟草属（Nicotiana）植物中，是烟草体内的一种次生代谢产物，也是烟草区别于其他植物的一种重要成分。它对人体有很强的生理刺激作用，是烟草商业性使用的物质基础[1]。对烟草而言，烟碱是一种抵御昆虫侵害的防御性物质[2]。次生物质在植物中存在的原因以及它们对植物生长环境中其他生物（包括植食性昆虫、昆虫的天敌、寄生生物等）的影响一直是科学家们关注的问题，对此进行了大量的研究。在植物-昆虫-天敌三者关系研究中，烟草经常作为模式植物，而烟碱则视为目标成分，其间经历了一般生物学关系研究、化学生态学研究、生物化学研究，直至今天，这种研究已进入了分子生物学水平。对有关烟碱的这些研究进行回顾整理，有利于我们更好地理解植物－昆虫－天敌这三者之间的互动及其化学通讯，为进一步的研究开拓新的方向。

1　烟碱的生理生态效应

1.1烟碱的作用

对于植物生物碱存在的原因和作用，有人提出了以下几种假设[3]：（1）生物碱是植物抵抗昆虫和食草动物的保护性物质；（2）生物碱是解毒作用的产物；（3）生物碱可能用来作为一类贮藏物质；（4）生物碱是植株代谢的物质；（5）生物碱有利于植物的生存；（6）生物碱是植物代谢的废料。为了研究烟碱在烟草代谢中的作用，Tso等[1]采用给黄花烟草（Nicotiana. rustica）注入14C-15N双重标记烟碱的方法，考察烟碱的归宿，发现其放射性广泛分布在多种有机物中，如游离氨基酸、色素、游离有机酸、游离糖类、蛋白质、生物碱，表明烟碱参与了烟草植株的各种代谢过程，烟草生物碱不是植物代谢的废料。Lovkova[4]将单一标记的14C烟碱注入烟草，4 d后仅回收了3.5%带放射性的烟碱，而其他的14C则在游离氨基酸中出现。随后Kisaki和Leete[4]相继发现麦斯明(myosmine)和降烟碱(nornicotine)也是烟碱的代谢物。

烟碱是烟草属植物中最主要的生物碱，许多实验证明它是一种具有防御性功能的物质。在没有受到伤害的烟草植株中，烟碱含量大约为0.1%－1.0%。受到植食性昆虫侵害后，无论是在温室模拟环境下还是在野外环境中，烟草植株的烟碱含量都会急剧增长，一般增长4倍左右，在一些特殊情况下能增长10倍，这个浓度会使大多数食叶性害虫立即死亡，从而保护受害虫侵害的组织，达到抗虫的目的[5-6]。Baldwin等[7]研究了机械性损伤对野生烟草植株烟碱含量的影响，结果表明，烟叶受伤后，烟叶中烟碱含量增加，同时，这种机械性损伤亦可显著增加同一植株未受伤叶片烟草生物碱的含量。在叶面受到损伤后，烟草植株中的烟碱积累量在第9天达到最大值，之后，烟碱含量会逐渐降低，到14 d左右恢复到正常水平[8]。烟碱含量的这种动态变化说明：烟碱在植物体内可以分解而参与其它代谢；正常情况下，烟草植株只是维持一定水平含量的烟碱，在受到虫害胁迫(机械损伤)时才提高其体内的烟碱含量，以保证资源的合理分配，维持生长与防御间的平衡。

腐胺－N－甲基转移酶（pmt）是烟草体内烟碱合成的关键性酶[9]， Steppuhn等[2]在野生型（WT）烟草植株中插入了inverted－repeat pmt基因（IR pmt），这种IR pmt植株中仅烟碱合成能力比WT型植株下降了95%。室内试验发现：着生在IR pmt植株叶片背部的烟草天蛾（Manduca sexta）幼虫的数量和生长速度都明显大于WT型植株上的。食物选择性试验结果也表明，2/3的烟草天蛾选择烟碱含量低的IR pmt植株的叶片。野外试验中，77％的 黄瓜十一星叶甲(Diabrotica undecimpunctata)选择在IRpmt植株上取食，16 d内，IR pmt植株因昆虫取食叶片损失16％，几乎是WT植株的两倍。这个试验为烟碱是烟草的防御性物质提供了直接的证据[2]。

不同类型的伤害对诱导烟碱合成产生的效果不同。Baldwin[10]曾研究在大田条件下伤叶和断茎对烟草烟碱合成的诱导。结果表明，未受任何伤害的植株烟碱日积累速率为0.086%-0.138%；伤叶处理株烟碱日积累速率提高1倍；而断茎处理株则比对照增加4倍。Shi[11]报道诱导烟碱合成与伤害的程度无关而与伤害类型有关：摘去已成熟的叶片不会提高烟碱的含量，打顶和摘除腋芽会使烟叶中烟碱含量大幅增长，顶部叶片中微伤小孔数与烟碱含量无关。有趣的是，不同的食叶害虫取食烟叶时诱导的烟碱合成反应也不同，其原因主要在于昆虫在取食时分泌的唾液或反吐液，能够增加或抑制烟草中烟碱的含量[12-14]。烟草天蛾、斜纹夜蛾（Spodoptera litura）取食烟叶后能诱导烟草烟碱的合成。人为对烟叶进行机械损伤处理后，用这两种昆虫幼虫的下唇腺提取液处理烟草叶片伤口,能促进损伤对烟碱的诱导[13]。但是棉铃虫（Helicoverpa armigera）、烟青虫（Helicoverpa assulta Guenée）取食以及机械损伤后用它们的下唇腺提取液处理烟草叶片,则抑制损伤对烟草烟碱的诱导[15]。Musser等[16]用灼伤泌丝器的方法研究证实：谷实夜蛾（Helicoverpa zea）幼虫唇腺中葡萄糖氧化酶（GOX）可以抑制烟草在抗性防御反应中合成烟碱。宗娜等[15]在棉铃虫和烟青虫的下唇腺中检测到GOX，斜纹夜蛾则检测不到。

1.2　烟碱在烟草中的分布

最佳防御理论（optimal defense theory，ODT）认为：起防卫作用的代谢物在植物体内被优先分配到有着高适应值（fitness value）的组织部位和容易受伤害的部位[17]。Euler等[18]报道烟草新生叶、茎和生殖器官的烟碱含量最高，而老叶和根部的烟碱含量最低。Ohnmeiss[19]对不同生育期的烟草烟碱含量进行了研究，结果表明：在快速生长期，烟草各部分叶片中的烟碱含量几乎相同，大约为0.16%；到了始花期，中部叶的烟碱含量最高（0.32%），基部叶和顶叶分别是0.17%和0.20%；而始果期则是顶叶最高（0.19%），基部叶和中部叶分别是0.04%和0.11%。对烟草中部叶进行伤害处理，快速生长期的基叶和中部叶中的烟碱含量增加了50%，顶叶从原来0.18%增长到0.43%；始花期基叶的烟碱含量降低到0.09%，中部叶几乎没有变化，而顶叶增长到0.46%；始果期各部分叶片的烟碱含量下降，花蕾中的烟碱含量会增长320%。这说明烟碱在烟草体内的分配与抗胁迫反应随烟草生长时期的不同而做相应的调整，使其与生长或繁殖相关的最重要组织得到保护。这也证明了ODT的另一假设[17]：防御物质在植物体内的分配随植物各部位的适应值的改变而改变。

为了合成足够多的烟碱以防御植食性动物侵害，烟草将付出一定的生态学成本，例如：经过茉莉酸甲酯（methyl jasmonate, MeJA）或伤害诱导后，烟草植株中的烟碱合成量增加，植株的种子结实率则下降[20]。

1.3 诱导烟碱合成的信号物质

烟叶受伤后烟碱合成的诱导启动是通过信号传导物质苿莉酸（jasmonic acid JA）而实现的[21]。烟碱的诱导合成是一个长距离的信息传递过程（信号分子从受伤害部位传递到根部刺激烟碱合成）和一个长距离的物质运输过程（根部合成的烟碱运输到受伤部位以及植株全身）[22]。Bladwin等[23]的研究表明受伤信号在烟草体内不同部位之间运动，从受伤的部位输出需1 h左右，而运送到根部诱导烟碱合成则需10 h，这表明创伤信号是化学信号而不可能是电信号。有实验证明[24]：JA是信号传递体系最基本也是最重要的组成部分。当叶片受到食叶动物侵害或机械损伤后，JA会在受伤部位迅速聚集，90 min后达到最大值，之后逐渐减少，24 h之后恢复到正常水平；根部JA增长速度较叶片的滞后，在受伤后约180 min才能达到最大值。与创伤诱导的结果一样，用JA或MeJA处理烟草根部同样会刺激烟碱合成量增加[24]。在顶叶喷施JA或MeJA以模拟创伤诱导的实验表明，无论是信号传递的时间还是诱导烟碱产生的数量都与创伤诱导的情况一致[24]。

图1 诱导烟碱合成的路径[26-27]

Fig.1 The pathway of induced nicotine synthesize

烟草在遭受机械损伤或害虫危害后，组织中的α-亚麻酸从细胞膜上释放，被存在于质体中的脂氧合酶（LOX）氧化为13-(S)-氢过氧-亚麻酸，之后在丙二烯氧化合成酶(AOS)和环化酶(AOC)的催化下生成12-氧-植物二烯酸(12-O-PDA)进入细胞质中，经12-氧-植物二烯酸还原酶(OPR)作用，再进入到过氧化物体中经3次β氧化形成JA[26]。JA激活pmt基因的转录，刺激烟碱合成[27]。

2　烟碱对昆虫的毒性及昆虫对烟碱的适应

2.1 烟碱对昆虫的毒性

烟碱被公认为是研究植物抗虫性的最佳物质[2]。它对大多数植食性昆虫具有毒性，并作为杀虫剂用于农业生产中[28]。烟碱主要作用于昆虫的烟碱样乙酰胆碱受体（nAChRs），nAChRs与昆虫神经细胞膜的离子通道开启相关，当它被乙酰胆碱或烟碱激活后，经过选择的离子就能够穿过细胞膜，改变一些神经的电信号的传导，影响神经递质的释放，造成神经兴奋并最终紊乱[29]。烟碱对昆虫的作用除神经毒性外，且有拒食毒性并阻碍蛋白质消化[30]。

在实验室条件下，用烟碱含量不同的烟叶分别饲喂新孵化的烟草天蛾幼虫，结果表明，用烟碱含量高的烟叶饲喂的幼虫体重比用低烟碱烟叶饲喂的低57.2%、食叶量少45.7%[4]。秦焕菊等[31]研究表明，烟碱含量明显地影响烟蚜（Myzus persicae）的田间种群数量，两者存在明显的负相关。吴海军等[32]对烟蚜进行室内人工饲养，结果表明，饲料中烟碱的不同浓度对烟蚜的影响程度也不同，烟蚜能忍受低浓度 (0.1%)的烟碱, 而高浓度的烟碱 (0.4%)对其成活率和生长速率有强烈的抑制。

烟碱对植食性昆虫的寄生性天敌的生长和生存也有一定影响，进而影响到植物-昆虫-天敌3者间的关系 [33]。有研究证明烟碱对Hyposoter annulipes 和 Cotesia congregata 具有毒性。H. anulipes 能够寄生多种夜蛾科幼虫，如Spodoptera frugiperda； Costesia congreata是烟草天蛾一种特异性天敌。用含高浓度烟碱的饲料饲喂S.frugiperda会造成H. anulipes存活率低、生长期延长、成虫的身体偏小。当烟草天蛾摄入烟碱后，会造成C. congreata的高死亡率，但个体重量，生长期没有受到影响[33]。

 2.2　昆虫对烟碱的适应性

虽然烟碱对昆虫具有广谱性的毒性，但是在进化的过程中一些昆虫还是对烟碱产生了抗性，适应了可以产生烟碱的植物[34]。烟草天蛾幼虫在用含有高浓度烟碱的食物饲喂的情况下能够生存，只是生长速率有所降低，对于其它没有适应烟碱的昆虫来说，这种浓度则是致死量[35]。实际上，烟草天蛾还可以利用其从食物中摄取的烟碱抵抗寄生生物来保护自己[36]。这样，在产生烟碱的植物与适应了烟碱的植食者的协同进化的过程中，逐渐降低了烟碱在自然界中作为防御物质的功效[2]。研究表明[37]：以烟草为食的昆虫主要以解毒、排毒、避毒等方式来降低烟碱的毒害。

2.2.1 解毒适应

Self等[38]报道异黑蝗(Melanoplus differentialis)能将70%的烟碱代谢成其它4种生物碱, 主要是无毒的可的宁(cotinine)。同时还报道，用烟碱处理美洲烟青虫( Heliothis virescens)幼虫一定时间后,该虫在其体内的烟碱积累到中毒剂量之前,就能将烟碱消除掉。后来的研究结果表明, 美洲烟青虫幼虫中肠内的多功能氧化酶（MFO）能促使烟碱脱烷基和氧化,生成无毒的可的宁[34]。用含烟碱的食料饲养烟草甲（Lasioderma serricorne）一定时间后,烟草甲也能将体内大部分烟碱代谢成另外3种生物碱,其主要物质的也是可的宁[1]。

2.2.2 排毒适应

Self 等[38]用含烟碱饲料饲养甘蓝银纹夜蛾(Trichoplusia ni Hübner)一定时间后,甘蓝银纹夜蛾并没有明显的烟碱代谢,但在其粪便中检测出与烟草植株相对应的4种生物碱。烟草天蛾幼虫在局部注射或饲喂烟碱以后,未发现有烟碱的代谢,虽在其血液中检测到烟碱,但并未积累到中毒的剂量[35]，因此认为它取食烟草之后,可排泄烟碱而不是降解烟碱。烟草天蛾幼虫也能耐受去甲基烟碱,其耐受机理与烟碱的相同：通过排泄来解毒[1]。

2.2.3 避毒适应

在人工饲养过程中，高浓度烟碱对烟蚜的生长发育有强烈的抑制，但烟蚜却能在烟叶上生活、繁殖、建立种群，可见烟蚜并没有吸食烟叶组织中的烟碱。烟碱在烟草的根部合成后，通过木质部运输到植株的地上部，而烟蚜吸食烟草韧皮部筛管中的汁液,避免了含烟碱较多的木质部, 故能在烟草上正常生活[39]。

3 结语

以烟碱为代表的植物抗性成分的研究，可以帮助我们理解在自然生态系统中植物的抗性成分在植物-昆虫-天敌互作中的效应及在生物进化中的作用。同时，也可以从农业生态系统的角度，研究抗性物质在IPM（integrated pest management）体系中的效应，比如烟碱对取食烟草的害虫的作用、同一种昆虫取食烟草与取食其它作物在生物学性质上、防治方法上有何异同等。我们在研究中发现，尽管斜纹夜蛾能够取食烟草，但它的初孵幼虫在烟叶上的死亡率较在白菜上的要高得多，生长速率也较在白菜上的慢；取食含有烟碱的食物后，斜纹夜蛾对供试杀虫剂的敏感性提高（结果未公开），这将直接影响到田间药剂的选择和使用的剂量。

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