气步甲

红裙步甲化学防御研究

郭明磊;柏超;曹杰;刘鹏;韩文鑫;宫立胜;董艳

【期刊名称】《《现代农业科技》》

【年(卷),期】2019(000)017

【总页数】3页(P117-119)

【关键词】红裙步甲;化学防御;防御腺;防御物质

【作者】郭明磊;柏超;曹杰;刘鹏;韩文鑫;宫立胜;董艳

【作者单位】北京中农纯静园林科技有限公司北京100193;北京市海淀区绿化三

队

【正文语种】中文

【中图分类】Q964

昆虫是所有生物中种类及数量最多的一群，是动物界中发展最繁盛的一个类群，目

前已命名逾100万种，其分布几乎遍布全球。为了适应各种不同的生活环境，一

些种类成功地进化出较为完善的防御机制。根据其不同的防御机制，大致可分为隐

匿防御、假死和恐吓防御、机械防御、化学防御以及集群和社会性防御。昆虫的化

学防御是用其自身的特殊结构分泌并释放化学物质以保护自己，是众多防御类型中

最为复杂、效果最佳的一种[1]。

国内对昆虫化学防御物质的研究起步较晚，而且多集中在拟步甲科昆虫的防御结构

研究方面，对步甲科昆虫研究较少。梁永生[2]报道了赤拟谷盗成虫和幼虫化学防

御物质的主要成分以及其成分对成虫、幼虫的作用，主要成分是甲醌、1-十五碳

烯、1，6-十七碳二烯、芍药醇，这些成分能够幼虫但是对成虫具有排斥作用。

刘勇等[3]分析了云南琵琶甲（喙尾琵琶甲）防御物质的抗菌活性及化学成分，主

要成分是1，4-苯醌，对细菌普遍具有抑制作用。任国栋等[4]通过研究34种琵甲

属昆虫防御腺的结构，探讨了其进化关系；并于2002年根据琵甲族11属58种

防御腺的结构特征，探讨了属间的进化关系[5]；2009年基于18个代表种的防御

腺特征，探讨了中国刺甲族的属级关系[6]。叶晔等[7]对141族31属50种拟步

甲科昆虫的防御腺结构特征和系统发育关系进行了研究。强承魁等[8]研究了黄粉

虫防御物质的化学成分和其抑菌活性。罗建蓉等[9]研究了喙尾琵琶甲的化学成分。

施贵荣等[10-12]研究了体外防御物质的化学成分及其抗菌活性。郭明磊等[13]用

气相色谱-质谱分析了喙尾琵琶甲化学防御物质的化学成分，并研究了化学防御物

质的抑菌活性。季莉丽[14]研究表明，广炮步甲的防御腺化学物质有6种，主要成

分为甲基对苯二酚、对苯二酚、甲基对苯醌与对苯醌。

步甲的防御腺一般着生于腹部末端。日本科学家Katsuo等[15]研究部分步甲科昆

虫的防御腺结构，并将其分为三大类六小类（图1）。图中A、B、C类型的防御

腺主要分泌的防御物质是脂肪酸类物质，D类型主要分泌甲酚类物质，E、F类型

主要分泌苯醌类物质。Will等[16]报道了Catapiesisbartyrae和Catapiesis

mexicana在电镜下防御腺的细胞结构。

图1步甲科化学防御腺的6个类型

步甲科昆虫的化学防御分泌物的化学成分种类复杂，有短链有机酸、酮、醛、芳香

族化合物以及某些特有的化合物。多种步甲的分泌物是甲酸，Dicaelus属步甲的

化学防御物质含有75%的甲酸。曾有人报道过一种步甲Brachinus的臀腺能合成

氢酮和过氧化氢等化合物[17]。臭广肩步甲Calosomasycophanta的防御物质主

要成分是甲基丙烯酸和水杨醛，Carabusullrichii的防御物质主要成分是甲基丙烯

酸和当归酸，Abaxparallelepipedus的防御物质是甲基丙烯酸和巴豆酸；甲基丙

烯酸、巴豆酸和异丁酸在以上3种步甲中存在[18]。边园步甲Omophrom

limbatum、大头肉步甲Broscuscephalotes的防御物质是2-甲基丙酸和3-甲基

丁酸；气步甲属Brach-inuscrepilaus化学防御物质的主要成分是苯醌、甲基苯

醌等。Metriuscontractus化学防御物质的主要成分是1，4-苯醌、十五烷、

（6Z，7Z）-6，9-Heptadecadiene和（7Z，9Z）-7，9-Heptadecadiene[19]。

青步甲属昆虫Chlaeniuscordicollis化学防御物质的主要成分是2，5-二甲基苯

酚和3-乙基苯酚[20]。粒步甲Carabusgranulatus、Carabusintricatus、

Carabusauronitens、Carabusauratus和Carabusirregularis等步甲属昆虫化

学防御物质的主要化学成分是甲基丙烯酸和巴豆酸（又称反式丁烯酸、β-甲基丙

烯酸）[21-25]。

红裙步甲（Carabusaugustus）属于鞘翅目（Coleoptera）肉食亚目

（Adephaga）步甲总科（Caraboidea）步甲属（Carabus），是一种重要的捕

食性天敌昆虫资源，同时也是一种观赏性昆虫，主要分布在我国江西一带，喜食鳞

翅目幼虫、蛹，还可以捕食金龟幼虫、蝼蛄、叩甲卵和幼虫、蚜虫等害虫。目前国

内还没有相关文献的报道，通过本研究了解红裙步甲防御结构和分泌物成分，以期

为昆虫化学防御机制的研究及其进一步开发利用提供理论基础依据。

1材料与方法

1.1供试昆虫与仪器

供试昆虫为红裙步甲，采自江西省新余大岗山自然保护区。供试仪器为体视显微镜

（CarlZeissSteREODiscovery.V20，德国卡尔蔡司集团生产）、剖镜（Leica

S6E，德国莱卡）、气相色谱-质谱联用仪（HP6890GC/5973MS，美国Agilent

Technologies公司生产）。

1.2试验方法

1.2.1防御腺解剖。参考刘春林[26]的方法，将红裙步甲的干制标本放于10%氢氧

化钠溶液中煮10min左右，取出后用清水冲洗干净，然后用解剖镜剥离与防御腺

无关的组织获得防御腺结构。用蒸馏水将其清洗干净，移入1%伊红溶液中染色。

1.2.2防御物质GC-MS分析。

（1）化学防御物质收集。将红裙步甲腹部后端放在1.5mLEP管口，经物理刺激，

收集由臀腺喷射出的防御物质。每管每次收集原液约为200μL，向其中加入100

μL二氯甲烷萃取，重复3次。经10000r/min高速离心10min。离心后分泌物

分为上层水溶性和下层水不溶性2部分，将其水溶性部分吸出，然后将其下层不

溶于水的部分置于-20℃下玻璃管中保存。同样方法收集疤步甲Carabus

pustulifer和喙尾琵琶甲Blapsrynchopetera的化学防御分泌物。

（2）GC-MS分析。GC条件：HP-5MS石英毛细管柱（30mm×0.25

mm×0.25mm）；柱温为起始温度40℃，程序升温3℃/min至80℃，再程序

升温5℃/min至260℃；柱流量为1.0mL/min；进样口温度250℃；柱前压

100kPa；进样量1.0mL；分流比10∶1；载气为高纯氦气。MS条件：电离方式

EI；电子能量70；传输线温度250℃；离子源温度230℃；四极杆温度150℃；

质量范围35～500；采用wiley7n.l标准谱库检索定性。

2结果与分析

2.1防御腺

通过解剖，观察红裙步甲防御腺的结构，如图2所示。防御结构着生于腹部最后

一节，由分泌腺、贮液囊、反应室和输出管组成，分泌腺着生在贮液囊上，防御液

可以储存在贮液囊中，当遇到天敌或者病原菌时，由输出管喷射而出。雌虫具有4

个贮液囊，反应室上、下、左、右各有1个，其中上、下2个贮液囊较大，左、

右较小；雄虫仅有左、右2个贮液囊。雌虫位于反应室左、右方向的贮液囊狭长

且端部膨大，由一输出管与反应室连接；位于反应室上、下方向的贮液囊宽大，直

接与反应室相连。囊壁上具有花纹和褶皱。

图2红裙步甲的防御腺注：a为雌虫防御腺，b为雄虫防御腺；r为贮液囊，s为

反应室，e为输出管。

2.2防御物质GC-MC分析

按照试验方法，测出红裙步甲的分泌物总离子图（图3），得到21个峰；各峰经

过GC-MS分析得到质谱图，经质谱库鉴定，共鉴定出18种成分，如表1所示。

结果表明，所鉴定的18种化学成分占总含量的99.18%。甲基丙烯酸、2-甲基-2-

丁烯酸、十八碳烯酰胺以及二十二碳烯酰胺相对含量分别是55.22%、30.40%、

3.69%、3.67%，占总含量的92.98%，其中前二者占总含量的85.62%。因此，

甲基丙烯酸和2-甲基-2-丁烯酸为主要成分。

图3红裙步甲防御物质化学成分总离子流

另外，将检测到的各种成分按照类别可以分为烯酸类（包括甲基丙烯酸和2-甲基-

2-丁烯酸），占85.62%；胺类（包括十八碳烯酰胺、二十碳烯酰胺、二十二碳烯

酰胺、十四酰胺、十六酰胺和十八酰胺），占12.52%；酸类（包括2-甲基丁酸、

苯甲酸和十六烷酸），占0.54%；烷类（包括2，6，10，14-四甲基十五烷、十

九烷、二十三烷和二十五烷），占0.28%；烯类（包括二十三碳烯和角鲨烯），

占0.15%；醛类（仅有壬醛），占0.07%。因此，烯酸类是红裙步甲化学防御物

质的主要成分。

3结论与讨论

3.1防御腺结构

红裙步甲雌、雄虫的防御腺结构不同，雌虫有贮液囊4个且贮液囊大，雄虫仅有2

个且贮液囊小。原因可能有2个方面：一是雌虫有繁殖后代的任务，需要消耗的

能量多、捕食多，同时要防御天敌，因而需要较多的防御液以满足对食物和能量的

需求；二是雄虫的外生殖器较大，占据了较大的空间，阻碍了防御结构的生长。另

外，红裙步甲囊壁上具有花纹和褶皱，不仅使得贮液囊的表面积和容积变大，能够

贮存更多的防御液，同时增强了贮液囊的弹性和韧性。

表1红裙步甲防御物质化学成分化合物分子式保留时间/min相对含量/%甲基丙

烯酸C4H6O28.4155.222-甲基丁酸C5H10O28.550.132-甲基-2-丁烯酸

C5H8O211.2530.40壬醛C9H18O16.640.07苯甲酸C7H6O219.090.112，

6，10，14-四甲基十五烷C19H4033.330.05十九烷C19H4033.770.08十六

烷酸C16H32O238.520.30十四酰胺C14H29NO38.680.15十六酰胺

C16H33NO42.573.23二十三碳烯C23H4644.130.08二十三烷C23H48

45.180.09十八碳烯酰胺C18H35NO45.673.69十八酰胺C18H37NO46.06

1.71二十五烷C25H5248.320.06二十碳烯酰胺C20H39NO48.900.07二十二

碳烯酰胺C22H43NO52.573.67角鲨烯C30H5053.620.07

红裙步甲的防御物质主要成分是甲基丙烯酸和2-甲基2-丁烯酸，而Katsuoand

Masanori划分的6个类型分泌的主要物质是脂肪酸、甲酚和苯醌类物质，分泌物

不同防御腺结构存在着差异。说明红裙步甲的防御腺结构并未在其划分的类型中。

3.2防御物质化学成分

学者Lei等[18]研究发现，步甲属Carabusullrichii的防御物质化学成分包含7种，

分别是甲基丙烯酸（78.7%）、水杨醛（17.7%）、α-甲基巴豆酸（2.5%）、苯

甲酸（0.4%）、异丁酸（0.3%）、丁酸（0.2%）和2-甲基丁酸（0.2%）。在本

研究中，红裙步甲化学防御物质的主要成分是甲基丙烯酸和2-甲基-2-丁烯酸，这

一结果与上述结果既有相同的地方，也有不同之处。相同成分为甲基丙烯酸

（55.22%）、2-甲基丁酸（0.13%）和苯甲酸（0.11%），其中甲基丙烯酸均是

主要成分；类似成分为2-甲基-2-丁烯酸（30.40%），与α-甲基巴豆酸是同分异

构体；其余成分是两者不同之处，如本研究中含有十六酰胺（3.23%）、十八碳烯

酰胺（3.69%）、二十二碳烯酰胺（3.67%）以及一些长链烷类、烯类等化学成分

是Lei等学者的研究结果中没有的，而水杨醛、异丁酸以及丁酸在本研究中没有发

现。

3.3展望

昆虫化学防御物质具有杀灭细菌的作用，如丽蝇蛹集金小蜂的防御素

Navidefensin2-2能够抑制一批革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌，可作为抗感染药

物资源[27]。许多蜂类的毒液已经进入商品开发阶段，对许多人类疾病有治疗作用。

在农业部提出“双减”目标的前提下，可合理利用植物、昆虫自身的化学防御物质

来抑制细菌、真菌、昆虫，以达到减少化学农药使用的目的[28]。现已知的昆虫体

外物质的研究非常少，分离、提纯各种防御物质可为生化、药理研究及治疗人类疾

病提供借鉴，因而此方面的研究前景广阔。

4参考文献

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