秦加敏，罗术东，和绍禹，吴 杰*

(1.云南农业大学，昆明 650201;2.中国农业科学院蜜蜂研究所，农业部授粉昆虫生物学重点实验室，北京 100093)

世界昆虫种类繁多，分布广，几乎存在于每一个角落，它们生存的环境不乏高温、高寒、干燥失水等恶劣的条件，昆虫之所以能在这样恶劣的环境中生存下来，与体内海藻糖密切相关，对许多处于逆境的生命体而言，海藻糖的存在与否意味着生存或死亡(于彩虹等，2008)。海藻糖酶对海藻糖有着重要的分解作用，海藻糖的含量及海藻糖酶的活性对昆虫的整个生命过程有着重要的影响。鉴于二者在昆虫体内的重要作用，对其进行深入的研究显得十分必要。

1 海藻糖的研究现状

1.1 海藻糖的特性

海藻糖(Trehalose)，又叫酵母糖，蕈糖，既是一种贮藏性碳水化合物，又是应激代谢的重要产物。最初是Wiggers 等于1832年在黑麦的麦角菌中发现的，它还广泛存在于微生物、酵母、藻类、低等蕨类植物、昆虫及无脊椎动物体内，尤其在霉菌、蘑菇中含量甚高。海藻糖是由两个葡萄糖分子经半缩醛羧基结合形成的非还原性二糖(图1)，白色晶体，熔点高，甜味较弱，无毒无臭，能溶于水、冰醋酸和热乙醇，不溶于乙醚、丙酮。其结构相当稳定，它能在细胞表面形成特殊的保护膜，有效地保护生物分子结构，从而能够使生物体在寒冷、高温、干燥失水等恶劣条件下有效维持生命活动及生物特征。

图1 海藻糖的分子结构(李镭等，2007)Fig.1 The molecular structure of trehalose(Li et al.，2007)

昆虫是人们最早在动物界发现有海藻糖存在的生物物种，同时在美洲野蚕Antheraea polyphemus的蛹和沙漠蝗Schistocerca gregaria 中发现海藻糖，后期的研究发现海藻糖是昆虫血淋巴中最主要的糖类物质，有“生命之糖”的美誉，几乎存在于昆虫所有的组织和器官中，由于其重要性又有人称之为“血糖”(于彩虹等，2008)。在昆虫的整个变态过程中，海藻糖主要存在于幼虫到成虫的发育阶段(唐斌等，2012)。正常状态下，昆虫血液中的葡萄糖浓度很低，昆虫取食后血液中的葡萄糖浓度会暂时升高，随即在脂肪体中被合成为海藻糖，然后扩散到血淋巴中，经分解后为昆虫生命活动提供能量(王军娥和刘静，2009)。

1.2 海藻糖对昆虫的重要作用

1.2.1 迁飞时的能量供应

大多数昆虫体内储备的碳水化合物以海藻糖和糖原的形式存在。Evans 等(1957)研究发现昆虫飞行过程中海藻糖含量会急剧下降，表明海藻糖可以作为昆虫飞行时的能量来源。但是昆虫体内储存的海藻糖只能支持短期的飞行，长期飞行所需的能源，就需要通过脂肪体将各种单糖转变成葡萄糖，合成海藻糖以维持血淋巴中血糖含量，血淋巴中海藻糖浓度决定飞行时的能量利用率(James and Evans，1961;雷朝亮和荣秀兰，2003)。Zhao 等(2011)研究发现10 ppm 的吡虫啉能使雌性褐飞虱Nilaparvata lugens 飞行持续时间增加140%;40 ppm的三唑磷能使雌性褐飞虱飞行速度增加154%，雄性飞行速度增加73%，飞行距离也明显提高。深入的研究表明褐飞虱在受到上述低浓度药剂诱导时，海藻糖含量会升高，使得褐飞虱得到更多的能量支持，从而使得飞行持续时间和飞行速度均得到一定的增加;还有研究证实，在一定的浓度范围内(＜80 ppm)，随着三唑磷浓度的增加，昆虫体内的海藻糖含量逐渐降低，葡萄糖含量却逐渐升高(Ge et al.，2011)，这也从侧面印证了海藻糖是昆虫飞行活动中重要的能源物质。综上所述，海藻糖作为昆虫的血糖，对昆虫的飞行能量代谢具有重要作用。

1.2.2 取食及抗性方面的作用

海藻糖可以通过浓度的高低调节味觉感受器和中枢神经系统从而影响昆虫对食物的选择和取食行为(Thompson，2003)，还能作为蛋白质稳定剂，以保护昆虫躲避渗透和热压力等恶劣环境(Wyatt，1967)。亚洲玉米螟Ostrinia furnacalis、棉铃虫Helicoverpa armigera、甜菜夜蛾 Spodoptera exigua 等幼虫进入取食阶段后随着龄期的增加，海藻糖酶的活性呈增高趋势，进入化蛹期后海藻糖酶的活性降低，这可能是由于虫体对能量的需求而增加对海藻糖的水解(于彩虹等，2013)。嗜眠摇蚊Polypedilum vanderplanki 能够在干燥胁迫条件下通过提高6-磷酸海藻糖合成酶和6-磷酸海藻糖磷酸酯酶的活性，并同时降低海藻糖酶的活性，以大量积聚海藻糖来保护昆虫免受干燥条件的迫害(Mitsumasu et al.，2010)。

1.2.3 越冬和滞育方面的作用

在漫长的进化过程中，昆虫受自然环境的选择，进化出滞育的特性。滞育是指昆虫受不良环境影响时生理、生化变化的编码过程，随后诱导的发育停止，滞育帮助昆虫度过各种不良环境，从而维持了物种的延续(刘流等，2010)。

在越冬和进入滞育时，海藻糖可被迅速转化成甘油、山梨醇等多元醇，以提高虫体的抗寒性，保护昆虫免受寒冷的迫害，一些昆虫在-85℃的低温条件下仍能存活。仵均祥(2004)在研究麦红吸浆虫Sitodiplosis mosellana 幼虫滞育期间糖类物质变化时发现滞育中的昆虫海藻糖含量一直较高，且不同时期或同一时期不同状态的滞育幼虫海藻糖含量均存在明显的差异，表明海藻糖是幼虫滞育过程中重要的贮藏物质，同时也说明了海藻糖在幼虫体内易随幼虫的状态而发生变化。海藻糖是美凤蝶Papilio memnon 滞育期间能量代谢的主要物质，还可能作为能量贮备用于滞育解除后成虫的各项生命活动(易传辉等，2009)。

此外，海藻糖作为昆虫的血糖对于开放式循环系统极其有利。因为生物膜对海藻糖具有不通透性，能防止昆虫肠壁渗漏，有效保证昆虫对糖类的吸收及代谢调节;海藻糖的渗透压效应小，便于在血浆中贮存和运输;其结构和性质比较稳定，一般不受专一性酶转葡基作用的影响，不会干扰昆虫开放式循环系统中正常的生化过程和其他物质(雷朝亮和荣秀兰，2003)。

1.3 海藻糖的合成与分解

1.3.1 海藻糖合成途径

目前已在不同的生物体中发现5种合成海藻糖的途径(Becker et al.，1996;崔淑燕，2008;郭春磊，2011;李源等，2013)，分别是以葡萄糖为底物的TPS-TPP 途径、TreY-TreZ 途径、以麦芽糖为底物的TreS 途径、以ADP-葡萄糖为底物的TreT 途径、TreP 途径(海藻糖磷酸化酶途径)。但研究最主要的是TPS-TPP 途径，在6-磷酸海藻糖合成酶(TPS)的催化作用下，尿苷二磷酸(UDP)葡萄糖和6-磷酸葡萄糖合成6-磷酸海藻糖(Tre6P)，然后在6-磷酸海藻糖磷酸酯酶(TPP)的作用下发生去磷酸化生成海藻糖。这个合成途径在大多数生物体内都有报道，包括酵母、昆虫及植物，是目前已知的昆虫体内海藻糖合成最主要的途径。反应式如下:

1.3.2 海藻糖分解代谢

对昆虫海藻糖的研究表明，昆虫体内的海藻糖浓度会根据环境条件的不同，生理状态和营养情况的差异而发生变化。与海藻糖的合成相似，在不同生物体内有 4种不同的分解途径(Arguelles，2000;任媛媛等，2003)，但它不被一般的酶水解，海藻糖酶是昆虫体内唯一能够水解海藻糖的酶，因而海藻糖酶在昆虫体内具有重要的作用。一般而言，海藻糖在海藻糖酶的催化作用下，将1 分子海藻糖水解为2 分子的葡萄糖，然后参与体内的糖酵解途径生成丙酮酸，进而参与三羧酸循环，最终氧化生成CO2和水，这也是海藻糖最普遍的降解途径(图2)。其代谢过程如下:

图2 海藻糖的分解及代谢途径Fig.2 Catabolism and metabolic pathways of trehalose

2 海藻糖酶的研究现状

2.1 海藻糖酶的特性

海藻糖水解酶，又称海藻糖酶，国际酶学编号为(EC:3.2.1.28)，首先是在1893年由Bourquelot 在黑曲霉中发现的，广泛存在于微生物、植物、昆虫和哺乳动物中。海藻糖酶由海藻糖酶基因Trehalase 编码，以两种不同形式存在于昆虫组织中，一种是可溶型海藻糖酶Tre-1;另一种是膜结合型海藻糖酶Tre-2。Tre-1 是1992年最先在黄粉虫Tenebrio molitor 中被克隆出来的第一个由海藻糖酶基因编码的海藻糖酶，主要存在于消化系统和循环系统中(Takiguchi et al.，1992)，在肠道、马氏管、卵巢和唾液腺等部位表达(Raman et al.，2013;Tan et al.，2014;Wang et al.，2014)。Su 等(1994)遗传学研究发现蝉中肠可溶型海藻糖酶与卵巢膜结合型海藻糖酶来自同1个遗传子;于彩虹等(2013)研究发现亚洲玉米螟O.furnacalis 等幼虫随着日龄的增加，海藻糖酶活性呈现增加趋势，不同昆虫各组织海藻糖酶的活性有明显差异;这项研究为我国开展农业害虫海藻糖酶方面的研究提供基础数据。Tre-2 是2005年在家蚕Bombyx mori 中获得的第一个海藻糖酶基因编码的海藻糖酶，主要存在于肌肉中(Mitsumasu et al.，2005)，在飞行肌肉相关组织、肠道、马氏管、脂肪体、脑组织、卵巢和唾液腺中都有表达(Santos et al.，2012;Wang et al.，2014)。该基因包含一个20个氨基酸的跨膜区域，而Tre-1 则不存在跨膜区。最近，陈静等(2013)、Tan 等(2013)利用同源克隆及RACE 技术，从白背飞虱Sogatella furcifera、绿盲蝽Apolygus lucorum 中克隆获得膜结合型海藻糖酶基因，为研究其在昆虫体内的表达与生物学功能奠定了良好基础。目前已在多种昆虫中克隆获得这两种海藻糖酶基因，它们所编码的蛋白具有2个“标签序列”PGGRFREFYYWDSY 和QWDYPNAW PP 及一个甘氨酸富集区(GGGGEY)(Lee et al.，2007;Tang et al.，2008;Chen et al.，2010;Forcella et al.，2012;刘 晓 健 等，2012;Raman et al.，2013)。

海藻糖酶是昆虫体内重要的糖酶，存在于昆虫几乎所有的组织中，海藻糖酶把1 分子的海藻糖水解为2 分子的葡萄糖，用于组织细胞的糖酵解，为各组织器官提供能量，使昆虫的各项生命活动得以维持和发展。

2.2 海藻糖酶在昆虫中的作用

2.2.1 海藻糖酶对昆虫能量代谢的调控作用

早在20 世纪60年代，张清刚(1964)在研究蓖麻蚕变态期间代谢作用时就发现血淋巴和脂肪体中糖代谢与海藻糖酶活力变化之间存在一定的联系。近年来很多研究表明大量昆虫飞行、肌肉剧烈运动所需的能量由能源物质海藻糖和糖原代谢产生，当海藻糖酶活性受到抑制时，海藻糖酶催化海藻糖分解的过程也会受到抑制，昆虫的各种能量供应及血糖的浓度都会受到制约(Asano，2003;唐斌等，2012)。还有研究表明一些杀虫剂亚致死剂量能够增强褐飞虱体内海藻糖酶活性，有效促进海藻糖的降解(Ge et al.，2011;赵克非，2011)。相反，冈霉亚基胺A、井冈霉素A 及海藻唑啉(trehazolin)等能够有效抑制海藻糖酶的活性(范柯琴等，2009;Liebla et al.，2010)，致使以海藻糖为能源物质的能量供应受到抑制。

2.2.2 海藻糖酶在昆虫几丁质合成中的调控作用

海藻糖酶还能抑制昆虫几丁质的合成，进而影响昆虫的生长发育。Tre-1 对于昆虫表皮中几丁质的合成、碳水化合物的摄取以及体内营养的动态平衡具有重要意义，对昆虫表皮的几丁质合成影响更大;Tre-2 则主要影响中肠的几丁质合成以及生长发育过程(张文庆等，2011)。Chen等(2010)揭示了两种不同类型海藻糖酶对甜菜夜蛾生长发育过程中几丁质合成功能的影响，当用Tre-1 的RNA 感染片段干扰后，昆虫几丁质合成酶A 基因的表达和幼虫表皮几丁质的含量受到显著影响，表现为影响甜菜夜蛾幼虫到蛹的蜕皮变态;而Tre-2 则在蛹到成虫的发育阶段中具有重要作用，主要表现为影响几丁质合成酶B 基因的表达和幼虫中肠几丁质含量。魏苹(2013)对赤拟谷盗Tribolium castaneum 的5个海藻糖酶基因进行单个基因的RNA 干扰后，发现大量基因表达下降，TcTre1-1 通过调节几丁质的合成通路对其生长进行调控，其他4个基因都是通过调节能量通路对其发挥作用。由此可见，海藻糖酶是昆虫表皮几丁质合成通路中一个重要的酶。

2.2.3 海藻糖酶在昆虫滞育中的作用

海藻糖酶是昆虫滞育激素调控代谢过程中的关键酶，昆虫滞育期间海藻糖酶活性的下降保证了海藻糖在昆虫体内的累积，使其安全度过滞育期的不良环境。家蚕海藻糖酶基因是一种非组织特异性表达基因，可以在卵巢、中肠、马氏管和脂肪体等多种组织中表达，其表达受滞育激素(DH)的诱导调控，DH 通过心侧体、咽侧体释放到血淋巴中，诱导卵巢中海藻糖酶基因的表达，家蚕卵母细胞通过位于膜内的海藻糖酶，将血液中海藻糖降解成葡萄糖，然后吸收到细胞内，最后合成糖原，从而诱导蚕卵滞育，而在其他组织中滞育激素对海藻糖酶的活性没有影响(Ikeda et al.，1993;Su et al.，1997)。随后，赵巧玲(2003)从海藻糖酶基因的分子水平上对家蚕滞育机理也进行了探索。种种研究都表明，海藻糖酶对昆虫的滞育过程具有重要的作用。

此外，海藻糖酶活性受抑制后，会影响昆虫生殖腺和生殖细胞的发育，因此昆虫的生殖能力也会被抑制，还会导致昆虫变态时的异常(Wegener et al.，2010)。Kamei(2011)研究还发现增强家蚕膜结合型海藻糖酶的活性能够有效促进滞育激素诱导卵巢产生滞育卵，利于提高抗寒性。

3 展望

海藻糖是昆虫体内重要的血糖，是能量的主要供给者，在昆虫的各种生理活动和行为中具有重要的作用。海藻糖酶是唯一能水解海藻糖的酶，是当前昆虫学界的一个研究热点，一些科学家发现通过抑制海藻糖酶的活性能引发昆虫“低血糖症”，以达到杀死害虫或防治病害的效果。近年来，许多生物学家致力于研究海藻糖合成酶及海藻糖酶抑制剂，掌握它们在害虫变态过程中产生的一些影响，试图阻断生物体内海藻糖的合成和分解来达到控制害虫和杀菌的目的(范柯琴等，2009;Tatun et al.，2009;Liebl et al.，2010;Wegener et al.，2010)，不久的将来完全有可能研制出高效、低毒、特异性强、低污染的新型生物农药。人们对海藻糖酶的研究不限于此，张倩等(2012)、陈静等(2010)利用饲喂法RNAi 研究海藻糖酶基因dsRNA 时，发现dsRNA 可明显影响昆虫的蜕皮变态，抑制海藻糖酶的活性，还能显著抑制昆虫的生长，大幅度增加死亡率;谭永安等(2013)在克隆获得绿盲蝽海藻糖酶基因的基础上构建了重组表达质粒，并成功在大肠杆菌中高效表达，经纯化后获得重组蛋白。这些研究为开发防治害虫、筛选合适的转基因植物候选基因及海藻糖酶分子调控机制奠定了基础。

随着国内外人们对昆虫海藻糖和海藻糖酶生理功能的研究，进一步认识到海藻糖的利用、浓度的变化以及海藻糖酶的活性深深影响着昆虫的生长发育、能量代谢、取食行为、蜕皮过程几丁质合成、抗逆和滞育等重要生理活动。但对于传粉类昆虫海藻糖酶的研究主要集中在蜜蜂属蜜蜂海藻糖酶的纯化、水解机制以及基因克隆等方面(Lee et al.，2001;Cardona et al.，2010;Forcella et al.，2010)，海藻糖酶对蜜蜂的生长发育和授粉行为方面的影响很少报道，对设施农业的主要传粉昆虫海藻糖和海藻糖酶的研究则没有相关的报道。鉴于海藻糖酶在昆虫体内的重要作用，研究授粉昆虫海藻糖酶对于改进其繁育技术、提高一些濒危植物的授粉效率、维持生态系统的多样性具有重要意义。但是，海藻糖酶在授粉昆虫生长发育过程中有何重要的功能还有待进一步研究。

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