芸薹属蔬菜中硫代葡萄糖苷的含量差异分析及其对甜菜夜蛾和菜青虫生长发育的影响

芸薹属蔬菜中硫代葡萄糖苷的含量差异分析及其对甜菜夜芸薹属蔬菜中硫代葡萄糖苷的含量差异分析及其对甜菜夜 蛾和菜青虫生长发育的影响研究蛾和菜青虫生长发育的影响研究 摘要 芸薹属是十字花科下的一个属 此属包括多种重要的园艺作物 白菜类 芥菜 芜 菁等 硫代葡萄糖苷是植物体内一种含硫的亲水性次生代谢产物 不同的品种硫苷的类型 和含量不同 白菜类中 小白菜主要的硫苷为 3 丁烯基和 1 甲氧基 3 吲哚基甲基硫苷 菜心 中为 3 丁烯基和 2 羟基 3 丁烯基硫苷等等 甜菜夜蛾作为一种杂食性害虫 1 研究背景与意义研究背景与意义 随着人们生活质量提高和生态环境的日益关注 有机食品成为大家的广泛需求 菜农 为追求经济效益而大量使用植物杀虫剂 然而 随着用量增多 一系列环境问题随之而来 近年科研数据显示 化学农药对生态环境产生了严重影响 早在 20 世纪 60 年代 科学家 在南极企鹅体内检测到农药的成分 化学农药一旦在作物上过量喷洒 在土壤中积累 经 过生物与食物链的迁移与富集 在各类食品中农药大量残留积累 不仅对环境产生巨大的 破坏 而且人类食用污染食品后 将产生潜在的身心危害 然而 生物界大部分植物能够 产生一些次生代谢产物 如硫代葡萄糖苷 生物碱 类黄酮等 能够阻止昆虫取食或抑制 昆虫的生长 生殖以及存活等生理活动 即 利用植物次生代谢产物代替农业杀虫剂 利 用生物防治的方法来治理作物的虫害问题 本团队以芸薹属蔬菜中的次生代谢产物硫代葡 萄糖苷为研究对象 分析其在不同蔬菜中的含量差异 以及其对杂食性昆虫甜菜夜蛾和广 食性昆虫叶青虫的生长发育的影响 本课题的重要意义在于改善化学杀虫剂对环境的严重 污染 为利用植物次生代谢产物来防御有害昆虫提供理论基础 2 十字花科芸薹属蔬菜中硫代葡萄糖苷的含量差异十字花科芸薹属蔬菜中硫代葡萄糖苷的含量差异 硫代葡萄糖苷 Glucosinolates GS 简称硫苷 又称芥子油苷 是一种含氮 硫的重要植物 次生代谢产物 十字花科芸薹属蔬菜种类间硫苷含量差异较大 同一种类的不同亚种之间也 存在差异 下面分别对十字花科蔬菜中甘蓝类 白菜类 芥菜类和萝卜类亚种间硫苷含量 的差异进行比较 由表 1 可以看出 十字花科芸薹属蔬菜中不同种类间的硫苷含量差异较大 其中甘蓝类含 量最高 平均值为 295 24 mol gFW 其次是白菜类和芥菜类 平均值为 32 mol gFW 左右 萝卜类肉质根中硫苷含量低 平均值为 20 82 mol gFW 与白菜类 芥菜类 萝 卜类蔬菜相比 甘蓝类蔬菜的硫苷含量要比白菜类 芥菜类蔬菜高出 10 倍 比萝卜类蔬菜高 出 15 倍 十字花科蔬菜种间遗传特性的差异造成了产品间硫苷含量的差异 而硫苷含量的 差异也正反映了蔬菜昆虫对于这些蔬菜的偏好程度 3 十字花科芸薹属蔬菜中硫代葡萄糖苷生物学功能十字花科芸薹属蔬菜中硫代葡萄糖苷生物学功能 昆虫对十字花科芸薹属蔬菜的喜爱程度不同在于硫苷及其降解产物含量的差异 硫苷在芥 子酶或胃肠道中细菌酶的催化作用下 发生降解并产生多种降解产物 而这些降解产物及 硫苷本身就能参与植物的防卫反应 并起着抗虫 抗病等作用 早期研究证明 硫苷及其 降解产物对昆虫有毒 它们通过减少昆虫体内总氧气的吸入和 CO2 的呼出 抑制了糖酵 解 克雷布斯循环 从而改变昆虫的新陈代谢能力 导致昆虫生长缓慢甚至死亡 Pracros et al 1992 陈亚洲和阎秀峰 2007 另一方面 硫苷及其降解产物在害虫与植物的识 别中发挥作用 一些挥发性的硫苷降解产物如异硫氰酸盐可作为摄食或产卵的刺激物吸引 十字花科植物害虫 尽管硫苷及其产物对多种病原体 细菌等有毒害作用 但其对人体癌 症研究具有重要意义 有研究证实 硫苷降解产物异硫氰酸盐通过双重机制来特异性地调 节肿瘤细胞的代谢 即选择性使阶段 酶失活 例如细胞色素 P450 酶 和诱导阶段 酶 例如苯醌还原酶谷胱甘肽转移酶 的表达 阻断肿瘤细胞产生的代谢途径 抑制癌细胞 的分裂和生长 从而达到抗癌目的 Fahey et al 1998 郑建仙 2005 硫苷及其降解产 物能调节十字花科植物的生长素代谢 平衡体内的硫元素 缓解硫素胁迫 保证植物正常 生长发育 这些生物学功能对植物 动物和人类都具有生物学和营养学的重要意义 黄界 颍和马友华 2003 郑建仙 2005 4 十字花科芸薹属蔬菜中硫苷的合成与调节十字花科芸薹属蔬菜中硫苷的合成与调节 由于硫苷具有独特的生物学功能 人们对硫苷的合成途径进行了大量的研究 硫苷生物合 成模式大致可分为三个阶段 图 1 氨基酸侧链的延长 硫苷核心结构的形成和葡萄糖 配基侧链的二次修饰 李娟和朱祝军 2005 Hirai et al 2007 随着模式植物拟南芥基 因组的序列测定和功能解析 通过体内标记技术 人们对硫苷的生物合成途径有了较为深 入的了解 研究发现 所有的硫苷都是由氨基酸合成而来 脂肪族硫苷来源于甲硫氨酸 芳香族硫苷来源于苯丙氨酸 吲哚族硫苷来源于色氨酸 根据对油菜的杂交选育试验证明 植物硫苷的含量差异受上代基因型的影响 硫苷含量高 的植株中其子代含量也高 这说明硫苷的有无与含量高低是由基因来控制的 早年 在硫 苷合成的三个阶段中 相关的主要合成和调节基因已得到了验证 分别是由 MAM CYP79 CYP83 AOP 等合成基因家族起决定作用 郑建仙 2005 周荣汉和段金廒 2005 而转录因 子 MYB 基因家族在硫苷的生物合成过程中则起着调节上述基因的作用 Yan Chen 2007 目前在国际上有关十字花科植物硫苷合成调控基因的研究取得了很大进展 例如从拟南芥 中克隆出来的 MYB28 基因过表达的植物 体内脂肪族硫苷的含量会升高 植物受昆虫侵 害的程度会减轻 因此可以将 MYB28 基因转入植物体内 以此来提高植物的抗虫性 拟 南芥 MAM1 突变体因 4 甲基亚磺酰丁基硫苷含量低于野生型 非致病镰刀菌对植株的易感性 增强 由此利用改变硫苷某种组分的方式可以增强植物的抗病性 5 硫苷对甜菜夜蛾与叶青虫的生