固醇昆虫必须营养物质.docx

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固醇昆虫必须营养物质

固醇：

昆虫必须的营养物质

靖湘峰*

（康奈尔大学昆虫系纽约14850）

摘要固醇不但是昆虫细胞膜的重要组成部分，还是昆虫蜕皮激素的前体。

尽管胆固醇是昆虫体内最常见的固醇，但不同昆虫的固醇组成有着显著差异，而且其组成随食物中固醇组成的变化而变化；即使同一种昆虫，其体内不同组织间也呈动态不均匀分布。

为了从食物中获得固醇，昆虫有一套完整的运输体系，可以将固醇经过消化道运输到细胞内。

在此过程中，携脂蛋白和固醇运输蛋白起着重要的作用。

为此国际上非常重视以固醇和昆虫为中心的各级生物的营养联系研究。

本文综述了国际上的最新研究进展，系统地总结了固醇物质在昆虫体内的分布及代谢利用、固醇物质在昆虫体内的运输研究研究成果，提出了固醇类似物的开发、细胞内固醇运输载体抑制剂研制和基于改变固醇的抗虫植物培育等手段，以发展害虫防治新技术。

关键词昆虫，固醇营养，固醇运输，胆固醇，害虫防治

Sterols:

essentialnutrientsforinsects

JINGXiang-Feng*

（DepartmentofEntomology,CornellUniversity,Ithaca,NY14850）

AbstractUnlikemammals,insectscannotsynthesizesterolsdenovobecauseofthelackofkeyenzymes.Insectshavetoacquirethesenutrientsbecausesterolsarethekeycomponentsincellmembraneand,moreimportantly,theyaretheprecursorsofsteroidhormone-ecdysone.Cholesterolisthemostcommonsterolfoundinmostinsects.Sterolscompositiondiffersbetweendifferentinsectspeciesanditchangesalongwithdietarysterols.Sterolscangothroughthegutintodifferenttissuewiththeassistanceoflipoproteinandthendistributeintocellmembraneandothermembranestructurewiththeassistanceofsterolcarrierproteins（SCP）.Theinteractionbetweendifferentorganismsbasedonsterolsisaquiteinterestingtopicwhichisimportantfortheapplicationofsterolsresearchinpestcontrol.ComparingwiththehistoryofEntomology,insectsterolresearchisanewareabutthenewfindinginthisareawillbeimportantfornotonlypestcontrolbutalsocholesterol-relatedhumanhealthyissues.

Keywordsinsect,nutrition,sterols,cholesterol,pestcontrol

固醇是四元环类脂的总称，是昆虫等各种真核细胞生物必不可少的营养元素。

在动物体内最常见的是胆固醇，在植物体内则以谷甾醇和豆甾醇为主（图1）。

与其他生物不同的是，昆虫等节肢动物不能合成固醇，而只能从食物中获得该营养（GilbertandMcKellar，1970；BehmerandNes，2003）。

Hobson（1935）最早通过对丝光绿蝇Luciliasericata（Mg.）的研究，首先证实胆固醇是昆虫必不可少的营养物质。

后来，Clark等研究发现，鞘翅目昆虫（Dermestesvulpinus）不能自己合成固醇；它们必须从食物中获得植物源

*E-mail:

jxf_zb@

收稿日期：

2012-10-11，接受日期：

2012-12-16

固醇，并将其转化成胆固醇（ClarkandBloch，1959b；Houketal.，1976）。

这种独特的营养模式在其它昆虫中也相继被证实（Dadd，1960；ClaytonandBloch，1963；Clayton，1964；Kaplanisetal.，1965；Horaetal.，1966；Monroeetal.，1967；CookeandSange，1970）。

图1昆虫固醇研究中常见固醇的立体结构图

Fig.1Thestructureofcholesteroland5commonsterols/steroidsininsect-sterolstudies

A.胆固醇cholesterol；B.谷甾醇sitosterol；C.豆甾醇stigmasterol；D.链甾醇desmosterol；E.胆甾烷醇cholestanol；F.胆甾烷酮cholestanone。

固醇在昆虫体内主要有两大作用：

1）固醇物质是昆虫以及其它真核生物体内细胞膜的重要组成部分，固醇约占细胞膜脂质部分的30%左右。

通过调节碳链与磷脂亲水部分的关系，固醇可以影响细胞膜的流动性和渗透性（Ohvo-Rekilaetal.，2002；vanUitertetal.，2010）。

通过维持一定的渗透性从而不让离子通过，细胞可稳定细胞膜的电势差，这在神经系统等器官有着极其重要的作用（Haines，2001）。

固醇还起到调节细胞膜内功能蛋白（如细胞膜通道蛋白、细胞膜受体和酶等）的作用（SimonsandVaz，2004）。

2）胆固醇是昆虫蜕皮激素的前体。

虽然昆虫只需要微量的蜕皮激素，但这是胆固醇一个非常重要的用途。

此外，在昆虫的外表皮（exuviae）中也发现了固醇，但其用途可能不象前两者这么重要（GilbyandMcKellar，1970）。

尽管和哺乳动物一样，多数昆虫体内固醇组成以胆固醇为主，然而与哺乳动物不同的是，昆虫体内的固醇组成可以随食物中的固醇的变化而变化（Jingetal.，2012b），并且在不同发育阶段，其体内的固醇组成也不同（Carvalhoetal.，2012）。

根据昆虫使用固醇的特点，昆虫学家们将昆虫体内的固醇分为必需固醇和通用固醇两个部分。

其中，必需固醇指某些固醇，其用途在昆虫体内是不可替代的，如胆固醇；而某些用途可由两个或两个以上的固醇混合完成，这类固醇叫做通用固醇。

通常，通用固醇的立体结构与胆固醇的类似（Lasseretal.，1966）。

在此基础上，当不能获得足够胆固醇时，昆虫可以将有限的胆固醇转化成蜕皮激素；而将其他的固醇用于细胞膜，这个现象被命名为“固醇通用机制”（ClarkandBloch，1959a；Clayton，1964；KircherandGray，1978；Thompson，1981）。

最新研究发现，昆虫极度缺乏固醇时，神经鞘脂类可在一定程度上行使固醇的功能（Carvalhoetal.，2010）。

尽管从发现昆虫固醇物质到现在只有70多年的时间，但有关该领域的最新研究结果不断出现。

本文结合国际上的最新研究进展，系统地总结了固醇物质在昆虫体内的分布及代谢利用、固醇物质在昆虫体内的运输研究研究成果，提出了固醇类似物的开发、细胞内固醇运输载体抑制剂研制和基于改变固醇的抗虫植物培育等手段，以发展害虫防治新技术。

1固醇物质在昆虫体内的分布及代谢利用

胆固醇是昆虫体内最常见的固醇（BehmerandNes，2003）。

研究发现，固醇在昆虫体内呈动态不均匀分布，以神经系统、消化系统和唾液腺含有较多的胆固醇，且雌性生殖器官的胆固醇含量要高于雄性的（Lasseretal.，1966；Mondyetal.，2006）。

尽管新的研究表明脂肪体内固醇的总体含量要低于其它多种组织，如原生质细胞膜、肠道系统、神经系统等（Carvalhoetal.，2012），但脂肪体被认为是储存固醇的器官。

通常，植食性昆虫的食物中仅含有少量的胆固醇。

有关植食性昆虫将植物源固醇转化成胆固醇的代谢途径目前已基本清楚（Ikekawaetal.，1993；SvobodaandWeirich，1995）。

研究表明，植物体内的固醇，如谷甾醇、豆甾醇、菜油甾醇，先由去氢酶转化成岩藻甾醇，再由环氧酶和epoxidelyase进一步催化成链甾醇，最后，由还原酶将其转化成胆固醇（Robbinsetal.，1971；Svobodaetal.，1978，1988；FeldlauferandSvoboda，1988；；Ikekawaetal.，1993）。

最近，Jing等（2012b）通过基因微阵列技术，进一步分析了谷食夜蛾Helicoverpazea体内可能参与此代谢途径的基因，发现：

与此同时，Ciufo等（2011）将可能参与最后一步的还原酶基因测序，并在细胞学实验中证明，该基因所表达的蛋白能将链甾醇（图1）转化为胆固醇。

昆虫对食物中不同固醇的吸收利用效率不同。

如黑尾果蝇Drosophilamelanogaster对酵母甾醇的吸收效率最高，其次是麦角甾醇，而其对异胆甾醇则完全不吸收（Carvalhoetal.，2012）。

除了吸收效率外，昆虫对不同固醇的转化效率也不同。

鳞翅目昆虫可以将食物中的多种胆固醇C-24烷基衍生物（如，谷甾醇、豆甾醇、菜油固醇等）通过去烷基化而转化为胆固醇（SvobodaandWeirich，1995）。

然而，Ritter和Nes（1981b）发现，谷实夜蛾利用谷甾醇的效率要低于豆甾醇，而两者的主要区别是22位的烷基基团（图1）。

而且，无论是何种固醇，只有其在食物中达到一定浓度，昆虫才能吸收利用。

Ritter和Nes（1981a）发现食物中胆固醇含量至少要达到0.01%（重量体积比），谷实夜蛾才能完成生长发育。

与鳞翅目昆虫不同的是，直翅目昆虫却只能转化谷甾醇（Behmeretal.，1999；BehmerandElias，1999a，1999b，2000）,这可能与直翅目昆虫极强的活动能力和范围有关。

当某种植物中的谷甾醇缺乏时，它们可以取食谷甾醇含量高的植物而不必改变体内固醇代谢途径。

尽管多数昆虫需要将食物中的固醇转化为胆固醇，但有的昆虫，如赤材小蠹Xyleborusferruguineus和某些蚂蚁（Attacolombicatonsipes，Acromyrmexoctospinosus，Attacephalotesisthmicola），也可以直接使用其它固醇（Martinetal.，1969；Koketal.，1970；Peregrinetal.，1973；Ritteretal.，1982），而这正是昆虫进化多样性的一个体现。

此外，昆虫还可以将多余的固醇以固醇硫化物的形势排出体外（HutchinsandKaplanis，1969；Robbinsetal.，1971）。

2固醇物质在昆虫体内的运输

2.1固醇物质的胞外运输

由于昆虫等节肢动物不能像其它动物那样由细胞的高尔基体合成胆固醇，所以外源固醇在体内的运输显得尤为重要。

多数昆虫，中肠是吸收固醇营养的部位，其中Niemann-PickC1-like1（NPC1）蛋白在吸收过程中起着重要的作用（Voghtetal.，2007）。

果蝇npc1b缺失突变体因不能从食物中获得固醇而影响其发育。

在昆虫体内，负责固醇细胞外运输的载体为蛋白与脂肪的混合体，即脂蛋白（lipoprotein）（Chinoetal.，1967，1969；Chinoetal.；ChinoandGilbert，1971）；作为脂蛋白中的一大类，携脂蛋白是昆虫血液中重要的固醇载体（Chinoetal.，1981；Jounietal.，2002）。

同样，携脂蛋白也是由脂肪和蛋白组成，其中，脂肪占39%~48%（重量比）。

脂肪部分由33%~56%的甘油二酯、19%~36%的磷酸酯以及5%~6%的胆固醇组成，而蛋白部分则由两个分子量约为250ku和80ku的脱辅基蛋白组成（Shapiroetal.，1984）。

这些脂蛋白根据脂肪部分的密度分为三类：

低密度脂蛋白，高密度脂蛋白和超高密度脂蛋白（ThomasandGilbert，1968，1969）；这三类不同密度的脂蛋白是可以互相转换的。

脂蛋白对于不同固醇的运输效率不同，果蝇体内酵母甾醇的效率要高于麦角甾醇（Carvalhoetal.，2012）。

2.2固醇物质的胞内运输

以蚊子和果蝇为主要对象研究了昆虫细胞内胆固醇的运输，发现在埃及伊蚊Aedesaegypti体内，一类小分子蛋白—固醇运输蛋白（sterolcarrierprotein-2，SCP-2），负责细胞内的固醇运输（Gallegosetal.，2001；KrebsandLan，2003）。

固醇运输蛋白主要存在于细胞质内，在线粒体和细胞核中也有少量的发现。

除了在埃及伊蚊体内，最近在烟草天蛾Manducasexta和斜纹贪夜蛾Spodopteralitura中肠内也发现了固醇运输蛋白（Guoetal.，2009；KimandLan，2010），这说明该蛋白可能广泛地存在于各种昆虫体内。

尽管在真核生物不同物种之间，这类蛋白的序列有着较高的相似性（Radeketal.，2010），但其调控却受不同的因子影响。

在哺乳动物体内，该类蛋白受促肾上腺激素和促性腺激素的调控，SF-1和cAMP能够促进该蛋白的表达（Lopezetal.，2007）。

而在埃及伊蚊体内，SF-1的同源体βFTZ-F1不能影响该蛋白的表达，而调控其表达的是HR-3——一种蜕皮激素诱导因子（KrebsandLan，2003；VyazunovaandLan，2010）。

此外，羟固醇结合蛋白（oxysterol-bindingprotein，OSBPandOSBP-relatedproteins，ORPs）也可以与固醇结合，可能具有胞内运输及代谢功能。

在黑尾果蝇体内，共发现4个羟固醇结合蛋白基因：

DmOSBP,CG1513,CG5077和CG3860；在埃及伊蚊体内也发现了4个羟固醇结合蛋白:

AeOSBP，AeORP1,AeORP8和AeORP9（Fuetal.，2011），其中，AeOSBP和AeORP8分别有两个异形体。

羟固醇结合蛋白基因缺失变异会导致雄性果蝇不育，其原因可能是由于精子形成过程中不能得到胆固醇（Maetal.，2010）。

3以固醇为核心的营养联系

许多昆虫，如赤材小蠹Xyleborusferruguineus、切叶蚁以及白蚁都依靠共生菌为其提供固醇（Chuetal.，1970；MondyandCorio-Costet，2000）。

葡萄小卷叶蛾Lobesiabotrana与灰葡萄孢菌（Botrytiscinerea）有着共生关系。

葡萄小卷叶蛾可以协助病原菌的传播，而病原Coste菌则是该虫的一种重要食物来源，并为昆虫提供其所必须固醇（MondyandCorio-Costet，2000）。

寄生性天敌昆虫同样也必须依靠外援胆固醇来得以生存。

许多寄生性昆虫的宿主是植食性昆虫。

那么，当宿主的固醇组成因食物中的固醇组成发生变化而变化时，寄生性昆虫会做怎样的反应呢？

Mondy等（2006）研究发现寄生蜂Eupelmusvuilleti的产卵量和卵孵化率受其宿主四纹豆象Callosobruchusmaculatus体内的固醇含量的影响。

宿主体内胆固醇含量的降低会直接导致寄生蜂卵孵化率的降低。

由于宿主体内固醇组成比较稳定，因此，一般认为天敌对其食物（宿主）的固醇变化要比宿主对其食物（植物）的固醇变化敏感。

4展望

昆虫学家对于昆虫固醇物质的研究最感兴趣的是其在害虫防治中的应用。

蜕皮激素是昆虫必不可少的，而固醇又是其前体，因此，固醇类似物的开发、细胞内固醇运输载体抑制剂研制和基于改变固醇的抗虫植物培育等手段，从而限制昆虫获得固醇或者抑制固醇的转化，可能会成为未来重要的害虫防治途径。

4.1固醇类似物的开发应用

许多固醇不能被昆虫转化利用，而这类固醇的存在会影响昆虫对其它可利用固醇的吸收，但这种影响随固醇和昆虫的种类而变化。

胆固醇衍生物，如-氯-胆固醇（cholesterylchloride），巯基胆固醇及酯类化合物（thiocholesterylacetate）,胆固醇甲醇盐（cholesterylmethoxide），能影响德国蜚蠊Blattellagermanica对胆固醇的吸收；这些物质能抑制胆固醇的吸收可能是由于它们能竞争抑制胆固醇酯化酶，而胆固醇的酯化可以帮助胆固醇的吸收（Noland，1954；Claytonetal.，1964）。

Hora等（1966）研究发现，蜕皮激素的类似物，如2β，3β-二羟基-5α-胆甾烷-6-酮、2β，3β-二羟基-5β-胆甾烷-6-酮和3β-羟基-5α-胆甾烷-6-酮等，对无翅红蝽Pyrrhocorisapterus幼虫的蜕皮有强烈竞争抑制作用。

其它类似物，如azasterols，能够抑制植食性昆虫将链甾醇（植物固醇到胆固醇的中间产物）转化成胆固醇，从而影响昆虫的生长发育（SvobodaandRobbins，1967，1971）。

最近的研究发现胆固醇类似物对昆虫的影响不应该一概而论。

例如，cholestanol能降低谷食夜蛾对胆固醇的吸收，这可能与竞争抑制有关。

然而，另一种类固醇cholestanone的作用可能不止是竞争抑制，因为当昆虫取食该固醇后，免疫反应基因的表达大幅提高了（Jingetal.，2012b）。

4.2细胞内固醇运输载体抑制剂研制

Kim等（2005）通过使用胆固醇荧光标记的方法快速筛选了5个固醇运输蛋白（Aescp-2）抑制剂。

这些抑制剂的大小与胆固醇类似，均为竞争性抑制剂。

这些抑制剂能够显著的降低昆虫细胞（埃及伊蚊细胞和烟草天蛾细胞）对胆固醇的吸收；并且这些抑制剂都对蚊幼虫有较强的毒性。

其中抑制剂1和3能够快速地杀死蚊幼虫，而抑制剂2、4和5则作用较慢。

其中一个抑制剂（alpha-Mangostin）的环境毒理实验表明，该抑制剂能够作用于固醇运输蛋白，从而有效地抑制幼虫的生长（Larsonetal.，2010）。

4.3基于改变固醇的抗虫植物培育

既然多数植食性昆虫获得外源固醇的唯一方式是其食物（即植物），且并不是所有固醇都能被吸收利用，因此，改变寄主植物体内的固醇组成将是一个有效地防治手段。

如丁苯吗啉（一种杀菌剂）能够改变植物体内的固醇组成。

与正常小麦芽不同，丁苯吗啉处理的小麦芽内含有95%的9β,19-cyclopropylsterols。

当飞蝗Locustamigratoria取食该小麦芽后，其体内的胆固醇含量大幅降低，而其卵内的蜕皮激素也降低了80%，这导致了卵孵化率大幅降低（Costetetal.，1987）。

这项研究结果为以通过改变植物固醇组成为途径的防治方法提供了重要依据。

转基因的方法也可以改变植物的固醇组成。

通过在烟草中表达类固醇氧化酶，使烟草中多数固醇（75%）通过氧化反应而转化成其它特异性固醇或类固醇，导致昆虫取食这些烟草后，其种群增长率显著降低（Jingetal.，2012a）。

Behmer和Grebenok（1998）使用人工饲料也证明了食物中特异的固醇组成对昆虫种群的影响。

尽管这类转基因植物不能像常用的化学防治方法那样有立竿见影的效果，但该方法也有独特的优势，例如，害虫抗性增长慢、对天敌伤害小等等。

综上所述，尽管昆虫固醇的研究已经取得了重要进展。

目前已经知道多种重要昆虫代谢食物中的固醇途径、体内固醇的组成分布以及固醇在昆虫体内的运输机制，但究竟有哪些具体的酶参与了植食性昆虫植物固醇的去烷基化的代谢过程，在每一步的代谢过程中是某个特定酶起作用还是不同的酶共同作用，又或是某个酶能参与催化过程的多个反应？

对于这些问题的解答将可提供更多的植食性害虫的防治方法。

人类许多疾病都与体内胆固醇紊乱有关，因此，动物对固醇的吸收利用研究较多。

然而，相较于哺乳动物，昆虫会是更为有效的研究对象，因为昆虫的运输机制与哺乳动物的有许多相似之处，而昆虫不能合成固醇则让相关研究更直接。

此外，模式昆虫果蝇还有生命周期短、易培养和易获得突变体等优势。

既然昆虫必须获得外源固醇，那么食物中的固醇含量及组成必定影响昆虫的取食行为，因此，以固醇为核心的植物、昆虫和天敌以及其它环境因子的营养关系将是未来研究的一个重点。

而且，昆虫只能使用食物中的某些固醇，显然通过转基因技术改变植物的固醇组成或者表达代谢酶系的抑制剂将会发展为一个有效地防治手段；同时，由于哺乳动物能够合成固醇，这类转基因植物对人体由无毒副作用，将可能在保障人类粮食安全中发挥重大作用。

可以预计，昆虫固醇方面的研究必将为昆虫学以及整个人类社会发展带来重要的贡献。

参考文献（References）

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BehmerST,GrebenokRJ,1998.Impactofdietarysterolsonlife-historytraitsofacaterpillar.Physiol.