第三章 植物中的动物激素及其类似物.doc

第三章 植物中的动物激素及其类似物n 1905年Bayliss和Starling在描述他们发现的第一个激素-肠促胰液素(secretin)时，第一次使用了激素(hormone)这个词，此后，许多动物激素被发现和鉴定出来。n 1934年Fogl等又从植物中分离出了第一个植物激素植物生长素(auxin)。n 现在已知动物和植物的许多生命活动都是在多种激素协同调控下进行的。动物激素n 动物激素是由动物体内的特殊腺体或细胞分泌的微量化合物，通过循环系统运送到躯体的特定部位，能引起特定的激动效应。n 动物激素的种类很多，已有近百余种动物激素被分离和鉴定出来。n 从结构上可大体分为:n 含氮类激素 胰岛素和促性腺激素等；n 脂肪酸衍生的激素 前列腺激素和昆虫的保幼激素等；n 甾醇类激素 性激素和昆虫蜕皮激素等。植物激素n 植物激素是由植物的许多细胞合成的。是能对植物自身的生长发育及代谢起调节和控制作用的微量物质。n 植物没有像动物那样的循环系统，植物激素是通过细胞之间的扩散来传送的。n 主要有5种植物激素:乙烯、植物生长素、细胞分裂素、脱落酸和赤霉素。n 由于动物激素和植物激素在分泌机制、运转方式和化学结构上都是很不相同的，又加激素只是生物体分泌用来调控自身生长发育和代谢的微量物质，因此，长期以来人们不认为激素在动植物的相互关系中有什么作用。n 近来发现，某些动物能合成植物激素，更重要的是植物中含有大量的动物激素或激素类似物，于是人们改变了上述看法，认识到在动物和植物的相互关系中，激素也起着一定的作用。n 例如热带切叶蚁是生活在美洲热带雨林中的昆虫，它们能把多种植物的叶片切下搬回巢内，也能利用各种干的叶片。它们利用这些叶片在特殊的菌圃里培养真菌供自己食用。n 有趣的是这种切叶蚁能合成植物生长素，并撒布在菌圃里来促进真菌的生长。n 切叶蚁还能分泌另两种物质，一种是3羟基癸酸，用来阻止其他真菌生长，另一种是苯乙酸，用来控制菌圃中细菌的孳生。n 这3种物质都是由切叶蚁的后肠腺合成的。第一节 植物中的雌激素及其类似物n 早在30年代，就有人提出在棕榈和石榴的种子里含有人类的雌激素，但由于那时的实验方法比较简单因而受到怀疑。n 70年代以来，更精确的分析进一步肯定了植物中确实存在着微量的雌激素和雄激素，同时植物中也有些物质有类似动物激素的作用，也能影响动物的生殖。n 最著名的例子就是车轴草中的异黄酮类化合物严重地影响了羊的生殖，对此也进行了不少的研究。n 有些动物也能利用植物的某些化合物作为信息物，来触发或终止自己的生殖。一、甾醇类性激素n Butenadt等（1933）首次从植物中分离和鉴定出人类性激素。他们从油棕种子中分离出结晶物。其生物活性等都和从尿中分离的雌酮(estrnne)相似。n Skarzynski(1933)报道，他从柳树的絮花中分离出结晶物，其显微表型、溶解度、紫外吸收和熔点等都和从尿中提取的雌三醇相似。n 还有人从菜豆花中分离出雌二醇，n 从松树花粉中分离出雄烯二酮等。n 从40余种植物中分离出了雌激素物质。二、激素类似物n Bennentts等(1946)报道，在西澳大利亚地区有以地下车轴草为主的牧场。在这种牧场放牧的雌羊生殖率大大降低，从19411944年统计大约降低了30。n 在这种牧场里放牧数月后，雌羊就出现难以怀孕、难产和子宫脱垂等症状，连未成熟的母羊也会产生这种症状。在这种牧场里没有怀孕的和阉羊也会分泌乳汁。羊的这些症状被称为“车轴草病”(clover disease)。n 他们推测可能是由于这种牧草中含有雌激素或其前体物引起的。n Curnow等(1948)发现地下车轴草的醚提取物有类似雌二醇的效应。n 5g干叶的醚提取物皮下注射相当于0.04mg雌二醇的效能。n 地下车轴草和T.fragiferum等都含有雌激素活性物质，叶中的含量高于根和叶柄中的含量。而白车轴草和苜蓿则没有。n Bradbury等(1954)从地下车轴草分离并鉴定出几种异黄酮类物质，并做了活性测定。n 他们认为，羊的车轴草病是由5,7,4三羟异黄酮引起的，它在地下车轴草中的含量约为20mgkg-1鲜叶。n 后又有人从地下车轴草中分离出5,7二羟4甲氧异黄酮(biochamin A)和拟雌内酯(coumestrol)，前者只有很弱的活性，后者有很强的活性。n 在地下车轴草叶中5，7，4三羟异黄酮、7羟4甲氧异黄酮和5，7二羟4甲氧异黄酮的总含量可达干重的5。而在白车轴草中含量却很低。n 虽然异黄酮类化合物的雌激素活性并不很高，但由于其含量大，仍能给动物带来很大影响。n Shutt等(1976)深入研究这个问题发现，绵羊和小鼠不同，它在食物进入胃之前，要在瘤胃滞留相当时间以进行初步消化。瘤胃中含有大量微生物，能对纤维素或其他成分进行降解，然后再进入胃中。n 雌马酚是真正的雌激素，早在30年代就从雌妊马尿中分离出来。n 绵羊从地下车轴草摄入的80以上的7羟4甲氧异黄酮在瘤胃中被吸收，并转变成雌马酚，在血浆中浓度可达300500 g 100mL-1。n 可以认为，血浆中高含量的雌马酚是造成绵羊不育的原因。n 奶牛在取食了地下车轴草后，5，7，4三羟异黄酮和5，7二羟4甲氧异黄酮很快在血浆中消失，雌马酚则是主要代谢物成分。这表明奶牛和绵羊对异黄酮类化合物的降解是相类似的。但是和绵羊不同的是奶牛对异黄酮类化合物并不敏感，说明奶牛对它们的脱毒和排泄更为有效。n 异黄酮类化合物主要分布在豆科植物中，已经证明，在植物界广泛分布的黄酮和黄酮醇两类化合物也有很微弱的雌激素活性。n 很久以来，缅甸和泰国一带有些妇女通过食用一种豆科植物奇葛的根来引起流产。这种活性物质已被Bounds等提取出来并鉴定了它的化学结构，称为葛雌素。它的雌激素效力大体和雌二醇相当，口服一定量能引起流产，但由于有副作用，限制了它的进一步研究和应用。三、生殖调控n 某些动物能利用植物含有的化学物质作为信息物，来触发或终止自己的生殖。n 盐鼠在春季能利用植物食物中的化学信息物门布触发生殖活动，在晚秋又利用酚类化合物含量的改变逐步终止了自己的生殖。n 鹌鹑能根据食物中异黄酮类化合物的多寡来调控自己的生殖。1盐鼠n 丁布(dimbom)在禾本科植物中的含量是很高的。已知它是昆虫取食的驱拒剂，对植物有防御作用。n 蚜虫在小麦不同叶片上的分布，是由叶中丁布的含量所左右的。n 丁布能在酶促作用下变为门布(mbom)。来源于食物中的门布对某些动物有生殖的触发者作用。n Berger等(1981)报道，盐鼠的生殖是由食物中特定的化学物质触发的。他们提取了这个化合物鉴定为门布。n 19781980年冬春在美国犹他的盐草草地做野外试验。n 试验前诱捕取样检查，证明冬季田鼠是处于非繁殖期，子宫很小。然后再补给食物，试验区燕麦混以门布溶液(40 gg-1燕麦)，对照区的燕麦仅混有溶剂。食物盘置于鼠过往的路上，7天补给1kg，共补给3周。然后分别诱捕杀死后取出子宫和精巢，除去脂肪等杂物称重.n 门布也可为丁布替代，因为后者是前者的前体，能很容易地酶促转变为门布。当春天来临时，盐鼠取食这类植物的幼苗，摄取了门布，门布代表了一种信息，表明植物的生长季节就要到了。盐鼠在这个信息物的诱导下触发生殖活动。n 这种盐鼠还通过植物中的化学信息来终止自己的生殖。n Berger等(1977)从冬小麦中分离和提纯了一种能抑制盐鼠卵巢发育的物质，鉴定为乙烯酚类化合物。n 他们把提取物和纯的乙烯酚和乙烯愈创木酚以及它们的前体物香豆酸和阿魏酸等一起做生物测定。将试品混入饲料中饲喂盐鼠，7天后称重并杀死称量子宫重量，观察对盐鼠生殖的影响结果列表54。n 在北美北部生活的这种盐鼠主要取食盐草，构成其一年食物的90。n 香豆酸和阿魏酸是禾本科植物主要的酚类化合物，在盐草生长季节含量通常低于1mgg-1干重，而在开花结果后含量可高达3mgg-1干重。盐鼠利用了这个化学信息逐步终止了自己的生殖。2.鹌鹑n 人们还观察到，植物中雌激素类似物含量的变化也能对动物种群的数量起到自然调节作用。n 如在美国加州较干燥草原里有一种加州鹌鹑，它们的生殖是不规律的，常随上一年冬季雨水多寡而定。若冬季雨水充足时，各种植物生长茂盛，鹌鹑繁殖就多；若雨水稀少，植株就矮小，叶不伸展，鹌鹑繁殖就少，造成这种现象的原因一直被认为是营养上的问题。n Leopold等(1976) 从绵羊生殖受到了植物中雌激素类似物的影响得到启发，是不是鹌鹑的生殖也受到了植物雌激素的影响呢?n 他们做了室内实验，分3个组(每组3对鹌鹑)。n 第一组饲以火鸡催肥饲料(有高含量的蛋白质)，n 第二组喂一般饲料，n 第三组在火鸡催肥饲料中加入了地下车轴草的提取物，(含5，7，4三羟异黄酮、7羟4甲氧异黄酮和5，7二羟4甲氧异黄酮)。n 在产卵期的两个月里，第一组产卵62枚，第二组26枚，第三组12枚。n 这个结果说明地下车轴草含有的雌激素类似物抑制了鹌鹑的生殖。n Leopold等又于19711973年做了田间观测和试验。n 他们把鹌鹑集中到一个小区里，定期调查并收集其取食的植物样品做分析，测定其中5，7，4三羟异黄酮、7羟4甲氧异黄酮和5,7二羟4甲氧异黄酮的含量，以分析这些雌激素类似物含量和鹌鹑生殖的相关关系。n 19711972年冬降雨量少，植物生长不好，植株矮小。取样中都能测得5，7，4三羟异黄酮和7羟4甲氧异黄酮的存在。这一年鹌鹑繁殖出很少的后代，秋季的100头成体次年仅繁殖出25头幼鸟。n 19721973年是雨水多的一年，在样品中一直测不到7羟4甲氧异黄酮的存在，而5，7，4三羟异黄酮也仅在早春的样品中测到。这一年鹌鹑繁殖了大量后代，秋季的100头成体次年繁殖了325头幼鸟。n 这个研究说明，大量的植物雌激素类似物进入鹌鹑体内抑制了它们的生殖。也可以说，鹌鹑利用了植物雌激素类似物的多寡调节了自己的生殖，以适应环境中食物供应的变化。n 关于植物中雌激素的作用目前还难以肯定，有几种看法还都是推测性的。n 一种看法认为，植物体内含有的有性激素活性的甾类物质，可能只是植物在合成和代谢自身的甾类物质时的副产物，因此并不具有特别重要的意义。 n 第二种观点认为，植物中的雌激素对植物自身的生长发育和繁殖有一定的调节作用。n 有些实验证明，雌激素刺激了种子的发芽和生长，促进了花的发育，影响了性的表达等。 如有报道，雌二醇能引起翠菊花的形成；雌激素和雄激素能使黄瓜增加雌花。把睾甾酮施给蕨类植物木贼时，增加了雌原叶体(蕨类植物的配子体叫原叶体)的数目。甾类物质还是一种水生真菌绵霉的精子器诱导醇。n 上述例证虽能支持上述观点，但这些资料远不能证明这些性激素对植物自身有内在的作用，因而，有许多人不同意这个观点。n 另一种观点认为，这类物质在植物和动物相互关系中有着一定的作用，即有防御取食者的功能。n 动物分泌的激素都是很微量的，其作用又非常精确。准确的剂量在准确的时间到达特定的部位，才能触发准确的生理效应。可以想象，外源性激素大量涌入动物体内，打乱了原有的激素平衡，也能和激素受体竞争性结合，这就必然会引起各种生理机能的混乱，带来严重的后果。因此，植物中的动物激素就成了取食动物的一种威慑力量。n 然而，要肯定上述任一个观点都还要做大量的工作。第二节 植物中的昆虫保幼激素及其类似物n 昆虫在发育过程中要经过变态，幼虫需经几次蜕皮再由蛹变为成虫。从幼虫到成虫生活史不同阶段的变态，都要有激素的调控，其中最主要的是保幼激素(juvenile hormone)和蜕皮激素(moulting hormone)。昆虫的蜕皮和变态就是在这两种激素的协同作用下进行的。一、昆虫保幼激素n 早在30年代，Wigglesworth发现长红猎蝽幼龄幼虫能合成一些特殊化合物，有阻止变态和保持幼虫状态的作用。n 1956年Williams发现雄天蚕蛾腹部的血淋巴中含有一种能阻止变态的因子。于是他们从雄蛾腹部分离出了一种金黄色的油状物，有阻止变态进行的作用。这种提取物对其他昆虫也同样有效，说明不同昆虫阻止变态的物质可能是相同的。n 1966年，Roller及其合作者终于从天蚕蛾中提取、鉴定出了第一个保幼激素JHI它类似于法尼醇的结构、是18碳的倍半萜甲基酯化合物。n 1967年，Meyer又从天蚕蛾的提取物中鉴定出第二个保幼激素JHII，其结构和JH I相似。JHI和JH II有相同的活性。n 1973年Judy等从烟草天蛾分离出了第三个保幼激素JH III。n 后来发现在一般昆虫中这3种保幼激素都存在。n Bergot等(1981) 从烟草天蛾、烟芽夜蛾和美洲脊胸长蝽等昆虫发育的卵中分离到保幼激素，经鉴定命名为JHO和异JHO。二、植物中的保幼激素n Tong等(1988)从马来西亚田里采集的碎米莎草中分离到昆虫保幼激素JH III。n 在碎米莎草茎中JHIII的含量非常之高，达到了湿重的151gg1，这个浓度相当于昆虫组织中浓度的150倍。n 蝗虫3龄若虫饲以碎米莎草叶片，同时以饲喂小麦叶的为对照。饲以碎米莎草叶的若虫在后两龄中也能正常取食和生长蜕皮，但在最后一次蜕皮后有90的成虫是异常的，典型症状是翅扭曲和色素改变，这和用过量保幼激素处理的结果很类似。n 同时，雌虫卵巢中的卵子也没有发育，更产不下卵块来。这个现象说明植物中的JH III引起了昆虫的不育。三、植物中的保幼激素类似物n 1保幼冷杉酮n Williems在哈佛大学一直从事昆虫保幼激素的研究，1965年他邀请捷克生物学家Slama到哈佛大学共同研究。Slama把他的实验室饲养的无膜翅红蝽带到了哈佛大学。很奇怪，这种红蝽在哈佛孵化率低，生长缓慢，而且在5龄末蜕皮后不是变为预期的成虫，而是变为超龄的6龄大若虫，甚至还可进一步蜕皮成为7龄若虫。最终所有的个体都死亡了，没有一个变为成虫。n 通常这种红蝽在5龄开始咽侧体失活，停止分泌保幼激素，待蜕皮后就变为了成虫。n Slama仔细地检查了饲料和环境条件，都找不出原因。而他在布拉格饲养了上万头这种红蝽，从未出现过这种情况。n 于是他们推测，很可能在哈佛的饲养条件中，有一种来源不明的保幼激素起了作用。他们做了很多实验，最后怀疑到了饲养容器内铺垫的擦手纸。n 他们搜集了20种各种型号的擦手纸、餐用纸和手纸等，令5龄若虫在其上爬行，有12种纸显示出有很高的活性。报纸和杂志纸也都有活性。而从欧洲和日本生产的纸张却没有活性。当他们用德国产的滤纸替换了美国生产的擦手纸时一切都恢复了正常。n Slama和Williams(1965)从擦手纸里分离出有保幼激素活性的物质，这是一种油状物，能有效地阻止5龄若虫的变态。当时因没有纯化和鉴定故称之为“纸因素”(Paper factor)。n “纸因素”对无翅膜红蝽有很强的保幼激素活性。末龄若虫和纸因素接触后就蜕皮变为超龄若虫，甚至死亡，而不能达到性成熟。n 他们还发现，纸因素对另一些半翅目昆虫如长红猎蝽和美洲脊胸长蝽等是没有活性的。1966年Bowers等将造纸原料香脂冷杉粉碎匀浆，从中分离出一种有保幼激素活性的物质。它是一种不饱和脂肪酸的甲酯，定名为保幼冷杉酮(juvabione)。他们还从中分离出一种酸todomatuic acid，保幼冷杉酮就是这种酸的甲酯。n 美国和加拿大造纸都是以香脂冷杉做原料的，这种成分在造纸过程中并没有遭到破坏而完好地保存了下来。除冷杉外，加拿大铁杉、短叶紫衫和美洲落叶松等也含有这种物质。欧洲落叶松和短叶松仅含有少量，而红云杉则完全没有。n 在欧洲从不用冷杉作造纸的原料。n 1967年，Cerny等从捷克产的欧洲冷杉中也分离出保幼冷杉酮，同时还分离出去氢保幼冷杉酮，它和保幼冷杉酮类似，也只对红蝽科昆虫有效。2保幼罗勒烯(juvocimene)n 唇形科的毛罗勒有芳香味，是一种香料植物，它还有杀菌作用，对蚊虫和蝇类也有毒杀作用。n Bowers等(1980)从毛罗勒中分离提纯出有很强的保幼激素活性的物质。把1L纯化物的丙酮溶液点给美洲脊胸长蝽刚蜕皮的末龄若虫时，出现了大的超龄若虫，低剂量时产生若虫成虫中间体。n 纯化的活性物质中含有两个组分，命名为保幼罗勒烯I和II。II的活性比I要大些，但两者的活性都比天然的保幼激素活性要大几个数量级。当II的浓度在l0pg时就能诱导美洲脊胸长蝽出现若虫成虫中间体。3保幼癸烯(juvadecene)n Nishida等(1983)从芸香科的大胡椒的根里分离出一种无色油状物，有保幼激素活性。经鉴定为1(3，4甲基环氧苯基)反3癸烯，命名为保幼癸烯(juvadecene)。n 用100g浓度处理昆虫，这些昆虫不再取食并在两天内死亡。将30g的保幼癸烯丙酮溶液点在5龄美洲脊胸长蝽若虫的腹部，饲以马利筋种子和水，蜕皮后变为超龄若虫，而对照则蜕皮变为了正常的成虫。四、抗保幼激素n 抗保幼激素(antiJH)和抗保幼激素制剂都是指广义而言的，即任何能引起JH不足症状的化合物都可称为抗保幼激素或抗保幼激素制剂，但它并不是激素。早熟素(Prococene)的发现和作用n Bowers等(1966)认为，昆虫几乎整个生命活动都需要有保幼激素的调控，因而，用外源的保幼激素来干扰昆虫的生长发育从理论上讲是可行的。但实际上用于防虫并不很可取。因为这会延长幼虫的为害期。而抗保幼激素则有着诱人的前景，若能通过影响保幼激素的生物合成、释放或作用等途径来控制昆虫则没有上述疑虑。于是他们把目光离开了昆虫而转向了植物。因为植物中含有对付昆虫的众多的化合物，也可能存在有抑制保幼激素活性的物质。n Bowers等从普通种植的花卉菊科植物熊耳草分离出了早熟素。得到两个产物，鉴定后定名为早熟素I和II(prococene I &II)。n 孔垂华等(1998)从我国南方的杂草胜红蓟中也分离出早熟素I和II。n 早熟素还有抗促性腺活性。n 用早熟素II处理新羽化的长蝽成虫，5天后解剖其卵巢并没有发育，被处理过的成虫也没有性行为。n 新羽化成虫同时用早熟素II和JH III处理则卵巢发育得很好，说明早熟素的作用可以为保幼激素所阻止。n 早熟素还能诱导马铃薯叶甲的滞育。n 把1L(100g)的早熟素II点在马铃薯叶甲腹部，21天后有75的个体不再取食而钻入土中进入滞育状态。第三节 植物中的蜕皮激素及其类似物n 昆虫中另一个重要的激素是蜕皮激素(moultin hormone)，它在调控昆虫的变态和发育中有重要作用。蜕皮素开始定义为蜕皮的激素，现在看来似乎太窄了。n 这类化合物在整个昆虫的生命活动中都存在，其作用也并不限于蜕皮，对卵的胚胎发育、幼虫的发育和变态以及成虫的卵巢发育等都有作用。一、昆虫蜕皮激素n 1954年，Butenandt和Karlson经过10年艰辛的努力，从500kg家蚕蛹的甲醇提取物中经反复层析分离，最后得到了25mg 淡黄色的结晶物(后鉴定为。蜕皮素)。n 在哈佛大学做生物测定，其活性非常之高，0.0075 g就有一个丽蝇活性单位。n 蜕皮激素的生物测定常用丽蝇或家蝇来做，能使一头蛹化的量即为一个单位。n Karlson(1965)鉴定出了它的化学结构，是一种和胆甾醇结构相似的羟基甾醇，命名为蜕皮素(ccdysone)。这个结果当时曾令科学家们大为惊讶。因为，昆虫是不能合成甾醇类化合物的，怎么竞用了外源的甾醇类化合物做自己的蜕皮激素呢?n 蜕皮素首先是Hampshire等(1966)从甲壳纲的赖氏岩龙虾分离到的，当时命名为甲壳蜕皮素(crustecdysone)。 蜕皮素是甲壳纲动物的主要蜕皮激素。n 在昆虫中也分离和鉴定出蜕皮素，它常和蜕皮素同时存在。n Thompson等(1967)从烟草天蛾蛹中，分离出新的蜕皮激素，经鉴定为20，26二羟蜕皮素。n Kaplanis等(1973)从烟草天蛾的卵中鉴定出了第4个昆虫蜕皮素，26羟基蜕皮素。n 在甲壳纲动物中除蜕皮素外，还分离出了另两个蜕皮素，22脱氧甲壳蜕皮素和2脱氧甲壳蜕皮素(Galbrajth，1968)。n 这样在节肢动物门里就有了6种蜕皮素。n 在昆虫中，脑释放的促前胸腺激素活化前胸腺，使其能将外源的甾醇类化合物羟基化，合成了蜕皮素，并将其释放入血淋巴中。在脂肪体或马氏管等组织中。蜕皮素变成了蜕皮素。n 除前胸腺外，卵巢的滤泡细胞也能将胆甾醇或植物甾醇类化合物转变为蜕皮素。二、植物蜕皮素n 在昆虫蜕皮素结构鉴定出来的次年，陆续发现在植物中存在着大量的昆虫蜕皮激素及其类似物。n 至今已发现许多不同类群的植物中，都有含有植物蜕皮素的种有的含量还非常之高，竞达到23的水平。1植物蜕皮素的分布和含量n Nakanihi等(1966)首次报道在植物中发现了昆虫蜕皮素的类似物。n 他们从台湾采集裸子植物百日青的叶，从干叶中提取昆虫蜕皮素的类似物。经结构鉴定，它们是25脱氧蜕皮素类化合物，定名为百日青蜕皮素A、B、C和D。n 用丽蝇做生物测定，这4种化合物和蜕皮素的活性相近，具相同的数量级。n Kaplanis等(1967)从蕨羽状叶分离提取出蜕皮素和 蜕皮素。用家蝇生物测定发现，与昆虫的两种蜕皮素活性相同。n Takemoto等(1967)从一种川牛膝干的根中，分离出一种用丽蝇生物测定有蜕皮激素活性的化合物，含量在0.002，定名为川牛膝蜕皮素(cyasterone)。n Imai等(1968)从罗汉松的一个变种中，分离出多个植物蜕皮素，给名为罗汉松蜕皮素(makisterone)。n Camps(1991)报道，已有111科的植物，包括厥类植物27科，棵子植物10科和被子植物74科，含有植物蜕皮素或其类似物，已鉴定出结构的有102种植物蜕皮素。n 植物蜕皮素在植物中的含量是很高的，许多植物含量可达干重的103102这个含量和昆虫含量的105109相比是十分高的。如菊科的麻花头的花中含量达2，罗汉松科的泪杉含有的几个蜕皮素类似物的总量达2.2。防己科的苍白秤钩风的