王 苑，薛懷君

(1. 安徽大學物質(zhì)科學與信息技術(shù)研究院，合肥 230601；2. 中國科學院動物研究所，北京 100101;3.南開大學生命科學學院，天津 300071)

昆蟲表皮碳氫化合物(cuticular hydrocarbons, CHCs)是正烷烴、不飽和烴以及甲基支鏈烴的混合物，碳鏈長度一般在21到50個碳原子之間，有時甚至可達70個(Blomquist and Bagnères, 2010)。除了能夠在昆蟲表皮形成疏水層防止水分喪失和抵抗有害物質(zhì)及病菌入侵之外(Gibbs, 1998; Herzner and Strohm, 2007)，昆蟲表皮碳氫化合物還具有多種生物功能。研究表明，表皮碳氫化合物被昆蟲作為多種化學識別信號，其中包括種內(nèi)性別識別、種間生殖隔離和種間信息素通訊等。社會性昆蟲的表皮碳氫化合物則承載了更多的功能，包括族群識別、巢間識別、品級分化等(Howard and Blomquist, 2005; Blomquist and Bagnères, 2010; Chung and Carroll, 2015)。

鞘翅目Coleoptera昆蟲俗稱甲蟲，是世界上多樣性最豐富的昆蟲類群，已記述的種類超過38萬種(Zhangetal., 2018)。目前對甲蟲表皮碳氫化合物研究開展頗多，本文主要對表皮碳氫化合物在甲蟲化學通訊中的作用進行了歸納與總結(jié)，并對甲蟲表皮碳氫化合物組成的影響因素、生物合成的分子機制及在化學分類中的應(yīng)用等幾個方面的研究進展進行了綜述，以期為相關(guān)研究的進一步開展提供參考。

1 甲蟲表皮碳氫化合物在化學通訊中的作用

1.1 性信息素

1.1.1利用表皮碳氫化合物作為性信息素的甲蟲類群

性信息素在昆蟲化學通訊中提供了重要的信號，一般來說，揮發(fā)性性信息素吸引遠處的異性，而接觸性性信息素則有助于交配識別和激發(fā)交配行為(Wyatt, 2003)。甲蟲的表皮碳氫化合物主要為非揮發(fā)性的，據(jù)統(tǒng)計，表皮碳氫化合物至少在甲蟲的9個科中的一些種類中起到性信息素的作用(表1)。

隱翅蟲Aleocharacurtula表面用薄層樹脂包裹或索氏抽提后的雌蟲對雄蟲不再具有性吸引作用，而雌蟲身體的多個部位均能激發(fā)雄蟲的交配行為，并且正己烷的雌蟲體表提取物可以誘發(fā)雄蟲的交配行為，這是在隱翅蟲中第一次發(fā)現(xiàn)接觸性性信息素的存在(Peschke, 1978)，在后續(xù)的研究中確認了其成分為多種碳氫化合物(Peschke and Metzler, 1987; Peschke, 1987a)。

Ginzel等將脊虎天牛Xylotrechuscolonus雌性的表皮碳氫化合物用有機溶劑漂洗，發(fā)現(xiàn)其失去了對雄性的吸引力，將表皮碳氫化合物重置于漂洗過的雌性個體后則恢復了對雄蟲的吸引，證明了雌蟲表皮碳氫化合物在交配行為中的作用(Ginzeletal., 2003a)。對光肩星天牛Anoplophoraglabripennis的表皮碳氫化合物進行研究，以離心管作為假試體，發(fā)現(xiàn)用表皮碳氫化合物中的5種成分按照一定比例混合后處理，可以激發(fā)雄蟲的交配行為，證實了雌性表皮碳氫化合物起到性信息素的作用(Zhangetal., 2003)。與之類似，Ibeas等對墨天牛Monochamusgalloprovincialis的交配行為進行了研究，當玻璃棒用雌性正己烷提取物處理后，雄性天牛會表現(xiàn)出與玻璃棒交配的行為，從而證實雌性表皮碳氫化合物起到性信息素的作用(Ibeasetal., 2009)。

另外，研究表明，表皮碳氫化合物在吉丁科(Lelitoetal., 2009; Silketal., 2009)、螢科(Ming and Lewis, 2010)、埋葬甲科(Steigeretal., 2007, 2009)、金龜科(Ortiz-Domínguezetal., 2006)、瓢甲科(Hemptinneetal., 1998)、葉甲科(Petersonetal., 2007; Kawazuetal., 2011; Zhangetal., 2014; Xueetal., 2016a; Shimomuraetal., 2017)和象甲科(Mutisetal., 2009; Chenetal., 2019; Isaetal., 2019)的一些種類起到性信息素的作用(表1)。

表1 利用表皮碳氫化合物作為性信息素的甲蟲類群

續(xù)表1 Continued table 1

1.1.2種內(nèi)個體的識別

種內(nèi)個體的識別在昆蟲中非常重要，兩性個體可以借此獲益，比如，獲得更有競爭力的后代和避免無謂的投資(Andersson and Simmons, 2006; Scharfetal., 2013)。

隱翅蟲種群中存在偏雄現(xiàn)象，雄性之間競爭激烈。性未成熟、饑餓和已經(jīng)多次交配的弱勢雄蟲存在種內(nèi)的化學擬態(tài)，為了避免遭到同性攻擊會產(chǎn)生類似于雌蟲的性信息素，即兩種烯烴((Z)-7-Heneicosene和(Z)-7-tricosene)(Peschke, 1985, 1987a，1987b)。在這種情況下，雌蟲可以通過表皮碳氫化合物來識別雄性個體，拒絕與具有雌性化學表型的雄蟲進行交配(Peschke, 1987a,1987b)。A.curtula雄蟲可以通過表皮碳氫化合物的信息識別雌蟲的交配狀態(tài)，從而可以減少雄蟲無謂的時間和能量浪費(Schlechter-Helasetal., 2012)。

埋葬甲Nicrophorusvespilloides對動物尸體有領(lǐng)地意識，雌蟲對雄性個體有較高的容忍度，當被測試的雌雄個體表皮碳氫化合物互換之后，雌性的攻擊行為發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，說明雌性埋葬甲通過表皮碳氫化合物來識別同種個體的雌雄；N.vespilloides雌蟲也可通過表皮碳氫化合物信號識別親本個體，表現(xiàn)出明顯較弱的攻擊性(Steigeretal., 2009)。

對3種跳甲(蛇莓跳甲Alticafragaria、老鸛草跳甲A.viridicyanea和薊跳甲A.cirsicola)的研究表明，跳甲的雄性個體在交配時均可以識別被選擇對象的性別，當互換被選擇對象的表皮碳氫化合物時，交配選擇行為發(fā)生了明顯的改變；雄性個體也可以很好地識別初羽化和性成熟的雌性個體，當互換被選擇對象的表皮碳氫化合物后，雄蟲的交配選擇行為也會發(fā)生改變。據(jù)此推測，表皮碳氫化合物是跳甲種內(nèi)個體識別的重要信號(Xueetal., 2016b)。

但是，并不是所有甲蟲的種類都具有種內(nèi)個體識別能力，個體間表皮碳氫化合物指紋圖譜的差異也并不意味著一定會被雄蟲當作交配識別的信號。比如，在猿葉甲Phaedoncochleariae中，雖然表皮碳氫化合物起到性信息素的作用，但雌雄之間僅存在相對含量的差別，雄蟲并不能依靠這種差異來識別種內(nèi)個體的性別差異(Geiselhardtetal., 2009)；異色瓢蟲Harmoniaaxyridis雌蟲交配后和交配前表皮碳氫化合物一些成分的相對含量發(fā)生變化，但是異色瓢蟲雄蟲在選擇條件下并不能識別不同交配狀態(tài)的雌蟲(Legrandetal., 2019)。

1.1.3在生殖隔離中的作用

種間特異性的表皮碳氫化合物可以起到性信息素的作用，在同域物種的生殖隔離中常常發(fā)揮重要作用。對兩種同域分布的訪花天牛(Pidoniagrallatrix和P.takechii)的研究表明，雌蟲的表皮碳氫化合物會引發(fā)同種雄性的交配行為，兩個種的表皮碳氫化合物存在種特異性，通過替換雌性表皮碳氫化合物的方法證實了雄性可以通過這種接觸性信息素識別同種雌性和異種雌性(Tanigakietal., 2007)。通過替換體表碳氫化合物的方法對兩種螢葉甲(榆黃毛螢葉甲Pyrrhaltamaculicollis和榆綠毛螢葉甲P.aenescens)(Zhangetal., 2014)和兩種跳甲(蛇莓跳甲和老鸛草跳甲)(Xueetal., 2016a)的研究也證實了表皮碳氫化合物在近緣物種間生殖隔離的作用。

Otte等對兩種同域分布的猿葉甲(Phaedoncochleariae和P.armoraciae)進行了交配行為研究和表皮碳氫化合物表型比較，發(fā)現(xiàn)兩個種在取食相同的寄主植物情況不存在行為隔離(性隔離)，而在取食不同植物時雄蟲則可以表現(xiàn)出明顯的交配選擇傾向，寄主植物誘導表皮碳氫化合物表型的可塑性導致了近緣種的行為隔離(Otteetal., 2016)。

表皮碳氫化合物在雜交體系中仍然會一定程度上起到性信息素的作用。蛇莓跳甲和老鸛草跳甲的各雜交后代(雜交一代、二代和回交代)均具有各不相同，也不同于親本的表皮碳氫化合物指紋圖譜(profile)。其中，蛇莓跳甲和雜交F1的雄蟲可以利用表皮碳氫化合物的差異識別自身和老鸛草跳甲的雌蟲，但雜交F1并不能有效的識別老鸛草跳甲和雜交F1雌蟲，這種識別不對稱的現(xiàn)象也出現(xiàn)在其他一些組合?？偟膩砜矗砥ぬ細浠衔锏倪@種差異并不能有效地阻止雜交個體和親本個體之間的基因交流(Xueetal., 2018a)。

1.1.4性信息素活性成分的鑒定

在鞘翅目昆蟲中，多數(shù)昆蟲的表皮碳氫化合物成分非常復雜，因此活性成分的確認和鑒定存在很大難度，因此，目前只有為數(shù)不多的甲蟲種類的表皮碳氫化合物活性成分得到了鑒定(表2)。

表2 部分甲蟲的性信息素活性成分

隱翅蟲Aleocharacurtula雌蟲表皮碳氫化合物成分復雜，包括了直鏈烷烴、直鏈烯烴、單甲基烷烴和雙甲基烷烴等，碳鏈長度在21到29，其中兩種烯烴((Z)7-Heneicosene和(Z)7-tricosene)是接觸性性信息素的主要活性成分(Peschke and Metzler, 1987)。

性信息素活性成分的鑒定工作主要集中于經(jīng)濟重要的種類，比如天牛科昆蟲。目前已有超過100種天牛的揮發(fā)性性信息素被鑒定(Fukaya and Yasui, 2020)，但由于接觸性性信息素在害蟲防治中的潛在利用價值相對較低(Nojimaetal., 2007)，僅在少數(shù)種類中得到了研究。不同種類的天牛接觸性性信息素的復雜程度有很大差別，比如，7-甲基二十七烷(7Me-C27)是黑腹尼虎天牛Neoclytusacuminatusacuminatus接觸性信息素的主要成分，7Me-C25和9Me-C27可起到增效作用(Laceyetal., 2008)；與之類似，黃星天牛Psacotheahilaris的接觸性性信息素組成也比較簡單，只包含一種碳氫化合物Z8-21Me-C35(Fukaya and Yasui, 2020)；光肩星天牛Anoplophoraglabripennis的接觸性性信息素則相對復雜，由5種烯烴((Z)-9-tricosene, (Z)-9-pentacosene, (Z)-7-pentacosene, (Z)-9-heptacosene, (Z)-7-heptacosene)共同組成(Zhangetal., 2003)；而Anoplophoramalasiaca的接觸性性信息素則包含了8種碳氫化合物、5種脂肪酮和3種內(nèi)酯，這些物質(zhì)共同作用才能誘發(fā)交配行為(Fujiwara-Tsujiietal., 2019; Fukaya and Yasui, 2020)，這也是迄今為止所發(fā)現(xiàn)的最復雜的昆蟲接觸性性信息素組成(Fukaya and Yasui, 2020)。

葉甲科個別種類的性信息素成分也有一些研究。豆象屬Callosobruchus昆蟲為重要的倉儲害蟲，其中綠豆象C.chinensis的接觸性性信息素由幾種碳氫化合物和一種二羧酸((E)-3,7-dimethyl-2-octene-1,8-dioic acid)組成(Tanakaetal., 1981, 1982)；四紋豆象C.maculatus具有復雜的接觸性信息素，其活性成分為2,6-二甲基-1,8-二酸(2,6-dimethyloctane-1,8-dioic acid)、壬二酸(nonanedioic acid)以及C27-C35的直鏈烷烴和甲基支鏈烴，這些成分協(xié)同作用，引發(fā)雄性的交配行為(Nojimaetal., 2007)；C.analis的接觸性信息素的活性成分為2,6-二甲基-1,8-二酸(2,6-Dimethyloctane-1,8-dioic acid)、一種單帖二羧酸(callosobruchusic acid)和一些碳氫化合物(Shimomuraetal., 2010)；而C.rhodesianus的接觸性性信息素比較特殊，為兩種酮類(hexahydrofarnesyl acetone和2-nonadecanone)，C27-C33的直鏈烷烴和甲基支鏈烴可起到增效劑的作用(Shimomuraetal., 2016； 2017)。蓼藍齒脛葉甲Gastrophysaatrocyanea雌性產(chǎn)生的甲基二十七烷和甲基二十九烷(9-methylheptacosane、11-methylheptacosane、9-methylnonacosane和11-methylnonacosane)可以激發(fā)雄蟲的交配行為(Sugenoetal., 2006)。猿葉甲Phaedoncochleariae體表的非極性成分(碳氫化合物)可以激發(fā)雄蟲的交配行為，極性成分不能使雄蟲產(chǎn)生交配行為，但極性成分和非極性成分混合可以顯著提高交配活性(Geiselhardtetal., 2009)。

1.2 聚集信息素

為應(yīng)對不利環(huán)境和食物缺乏的境況，很多昆蟲有滯育現(xiàn)象，在這個階段，常常大量個體聚集在一起，這有助于昆蟲提高生存率和尋找交配對象(Sussetetal., 2013)。Susset等人的研究證實烷基甲氧基吡嗪(alkyl-methoxypyrazine)在瓢蟲Adaliabipunctata中起到聚集信息素的作用，同時也發(fā)現(xiàn)滯育個體的表皮碳氫化合物可以延長瓢蟲的停留時間(Sussetetal., 2013)。Durieux等對異色瓢蟲Harmoniaaxyridis越冬聚集行為的研究表明，長鏈的碳氫化合物中一類物質(zhì)可以引導瓢蟲尋找聚集地點，另一類物質(zhì)促使瓢蟲聚集成群(Durieuxetal., 2012)；對毛斑長足瓢蟲Hippodamiaconvergens的越冬聚集行為的研究發(fā)現(xiàn)，瓢蟲爬行足跡殘余的碳氫化合物對同種個體有吸引作用，二十三烷是其主要活性成分，當碳氫化合物和甲氧基吡嗪(methoxypyrazine)共同使用時可維持瓢蟲長時間的聚集(Wheeler and Carde, 2014)。甲蟲的很多類群，比如葉甲類昆蟲也常常具有群集越冬的現(xiàn)象，但表皮碳氫化合物是否起到聚集激素的作用尚未見到報道。研究還發(fā)現(xiàn)，接觸性表皮碳氫化合物在異色瓢蟲的非越冬聚集行為也起到重要作用(Durieuxetal., 2014)。

1.3 標記信息素

產(chǎn)卵地點選擇不當可能會導致食蚜瓢蟲后代面臨饑餓以及由此引發(fā)的同種相殘(cannibalism，即動物殺死并取食同種其他個體的行為)和集團內(nèi)捕食(intraguild predation，即某物種以其競爭者(同營養(yǎng)級)為食的現(xiàn)象)(Meisneretal., 2011)，因此產(chǎn)卵地點的選擇對于雌蟲至關(guān)重要(Magroetal., 2007)。

食蚜瓢蟲利用幼蟲足跡中的碳氫化合物作為識別信號，選擇未被占領(lǐng)的區(qū)域產(chǎn)卵。這些化學物質(zhì)是由位于幼蟲第十腹節(jié)的臀片(anal disk)分泌(Laubertieetal., 2006)，其主要成分為烷烴，包括直鏈、一甲基和二甲基烷烴(Hemptinneetal., 2001; Magroetal., 2007)。盡管同種和異種的幼蟲印記都可能阻止雌性產(chǎn)卵，但雌蟲往往對前者的反應(yīng)更為明顯，并且這種阻礙作用存在很強的種差異性。例如，對二星瓢蟲Adaliabipunctata、十星瓢蟲Adaliadecempunctata和七星瓢蟲Coccinellaseptempunctata的比較研究發(fā)現(xiàn)，同種和異種幼蟲的印記均會顯著地阻礙二星瓢蟲和十星瓢蟲產(chǎn)卵，但同種幼蟲的印記對七星瓢蟲產(chǎn)卵僅有輕微的阻礙作用，而異種幼蟲印記對七星瓢蟲產(chǎn)卵的阻礙作用不明顯。對5種瓢蟲的研究發(fā)現(xiàn)，同種幼蟲、蛹和兩性成蟲的化學信息素存在均會阻礙雌蟲產(chǎn)卵，這種阻礙程度具有顯著的密度依賴性和種特異性(Mishraetal., 2012)；另一項研究顯示，異種卵、幼蟲、蛹和兩性成蟲的化學信息素存在也均會阻礙瓢蟲Menochilussexmaculatus雌蟲的產(chǎn)卵，且抑制程度具有密度依賴性，活躍階段比靜止階段的蟲態(tài)具有更強的產(chǎn)卵阻礙作用(Mishraetal., 2013)。

除了阻礙產(chǎn)卵外，幼蟲化學印記對瓢蟲的取食也具有阻礙作用。例如，七星瓢蟲和異色瓢蟲的幼蟲均回避在留有同種幼蟲化學印記的區(qū)域取食；七星瓢蟲也回避在留有異色瓢蟲幼蟲化學印記的區(qū)域取食，但異色瓢蟲對七星瓢蟲的化學印記沒有明顯反應(yīng)(Meisneretal., 2011)。另一研究表明，七星瓢蟲和C.transversalis的幼蟲和雌成蟲留下的化學印記(碳氫化合物)會影響到其它幼蟲的捕食效率和個體發(fā)育(Kumaretal., 2014)。

1.4 化學擬態(tài)

雖然化學通訊在很多生物中占主導地位，但由于化學通訊不易被察覺，由化學刺激引起的擬態(tài)現(xiàn)象往往受到忽視(Dettner and Liepert, 1994)，前期大多數(shù)的研究主要集中于視覺擬態(tài)(Pasteur, 1982)，

許多昆蟲寄宿于其它群居昆蟲的巢穴中，因為這些群居昆蟲群體內(nèi)部常常擁有復雜的通訊系統(tǒng)，可以識別同巢者并分辨異己，入侵者進化出一系列適應(yīng)性機制，以躲避宿主識別。許多入侵者獲得了模仿其宿主物種化學信號的能力。

嗜蟻的節(jié)肢動物種類繁多，目前據(jù)估算多達1萬至10萬種(Parker and Grimaldi, 2014; von Beerenetal., 2018)，這里面包括甲蟲的很多種類。甲蟲為了適應(yīng)于蟻巢的生活，其中一種常用的策略就是化學擬態(tài)。金龜科Myrmecaphodiusexcavaticollis的宿主是Solenopsis和Iridomyrmex兩個屬的螞蟻，在寄主蟻巢內(nèi)，M.excavaticollis可以通過交哺(trophallaxis)的方式直接從工蟻處獲得食物，或者以螞蟻幼蟲、死去的螞蟻以及螞蟻的戰(zhàn)利品等為食，并且可以自由活動而不受工蟻的攻擊。M.excavaticollis通過各種和宿主接觸的行為獲取其宿主的表皮碳氫化合物，以此達到化學擬態(tài)的目的，其獲得的碳氫化合物在離開宿主兩周后會逐漸消失，當接觸到新的宿主種類后又會開始新的化學模擬(Vander Meer and Wojcik, 1982)。閻甲Sternocoelishispanus和隱翅蟲Chitosanigrita寄居于Aphaenogaster屬螞蟻巢穴內(nèi)，兩種甲蟲均具有和寄主相同的特定碳氫化合物指紋圖譜，但這些碳氫化合物并非獲得性來自宿主，而是甲蟲自身的合成(Lenoiretal., 2012)。瓢蟲Diomusthoracicus幼蟲專性寄生于螞蟻Wasmanniaauropunctata的巢穴內(nèi)，取食螞蟻的幼體，并不會受到工蟻的攻擊，化學分析結(jié)果顯示，多數(shù)種類的表皮碳氫化合物為瓢蟲幼蟲和宿主共享(Vantauxetal., 2010)。隱翅蟲科Tetradonia屬的種類為多食性，每種隱翅蟲可以捕食多種Eciton屬螞蟻，而Ecitomorpha屬及Ecitophya屬的隱翅蟲為專性寄生，每個種專門寄生于Eciton屬的一種螞蟻。比較研究顯示，專性寄生者表皮碳氫化合物成分和含量更接近于Eciton屬宿主，而兼性寄生的種類表皮碳氫化合物的相似性和宿主相差較遠，專性寄生甲蟲更多采用了化學擬態(tài)的整合策略融入蟻巢(von Beerenetal., 2018)。

大花蚤Metoecusparadoxus寄生于胡蜂Vespulavulgaris的巢穴內(nèi)，研究發(fā)現(xiàn)，M.paradoxus與其宿主V.vulgaris的表皮碳氫化合物組成相似，而與另一種近緣的胡蜂V.germanica則有明顯差異，M.paradoxus通過這種化學模擬而不被宿主攻擊。研究者推測，M.paradoxus可能是通過對所取食的胡蜂幼蟲表皮碳氫化合物回收利用的方式達到化學模擬的目的(van Oystaeyenetal., 2015)。

另一類甲蟲寄生于蜚蠊目的白蟻巢穴中，例如，隱翅蟲Trichopseniusfrosti和宿主北美散白蟻Reticulitermesflavipes的表皮碳氫化合物在成分組成和相對含量上均非常相似，同位素示蹤實驗表明，隱翅蟲T.frosti可以通過自身合成的方式來模仿宿主的表皮碳氫化合物(Howardetal., 1980)。進一步對另外3種隱翅蟲(Philotermeshowardi、Trichopensiusdepressus和Xenistusahexagonalis)及其寄主南方散白蟻Reticulitermesvirginicus的研究發(fā)現(xiàn)，這3種隱翅蟲與其白蟻寄主的表皮碳氫化合物指紋圖譜均非常相似，并且至少其中的一個種(X.hexagonalis)也是通過自體合成的方式實現(xiàn)化學擬態(tài)(Howardetal., 1982)。

還有一些甲蟲寄生于其它種類的甲蟲洞穴之中，例如擬步甲Eremostibesopacus寄居于另一種擬步甲Parastizopusarmaticeps的洞穴之中(Heinetal., 1996)，二者之間表皮碳氫化合物組成高度相似，E.opacus通過對宿主進行化學模仿的方式以達到防止宿主攻擊的目的(Geiselhardtetal., 2006)。

芫菁Meloefranciscanus進化出非常奇特的“性欺騙”行為。其幼蟲為寄生性，在美國加利福尼亞莫哈韋Mojave沙漠地區(qū)，寄主為沙丘打洞獨居的回條蜂Habropodapallida。M.franciscanus的幼蟲孵化后在植物莖稈上聚集成簇，可以模擬雌蜂表皮碳氫化合物成分，從而吸引雄蜂來交配。芫菁幼蟲用特化的足抱握住雄蜂而被帶入宿主巢穴，在蜂巢能取食蜜蜂儲備的食物以及蜂幼體，完成個體發(fā)育(Hafernik and Saul-Gershenz, 2000; Saul-Gershenz and Millar, 2006)。進一步研究發(fā)現(xiàn)，M.franciscanus在俄勒岡地區(qū)的宿主為另一種同屬的蜜蜂H.miserabilis，由于兩個不同地理種群的宿主(蜜蜂)種類不同，M.franciscanus受到強烈的選擇壓力，芫菁幼蟲進化出了模擬當?shù)氐拇品涞幕瘜W信號的能力(Saul-Gershenzetal., 2018)。

1.5 宿主/獵物的定位和識別

對于寄生、共生和捕食者而言，昆蟲宿主的表皮碳氫化合物常常被用作定位和識別的信號。專性寄生的腫腿蜂Cephalonomiawaterstoni雌蟲可以追蹤0.0001當量的扁谷盜Cryptolestesferrugineus幼蟲體表化合物，而對非宿主Cryptolestespusillus和Triboliumcastaneum的幼蟲體表化合物則無明顯趨性。研究發(fā)現(xiàn)，自然留存在濾紙上的化學印記激發(fā)寄生蜂的追蹤行為可維持一周的時間，而人工涂抹在平板玻璃上的化學物質(zhì)則可以維持大約 2周(Howard and Flinn, 1990)。另一項研究顯示，雜擬谷盜Triboliumconfusum爬行過后會留下表皮碳氫化合物印記，這種印記可以存留大約1 d的時間，體外寄生蜂Holepyrissylvanidis利用這種印記來尋找宿主，并最終通過直接接觸的方式完成宿主識別(Füerstenauetal., 2017)。螨蟲Grandiellarugosita專性共生于龜甲Acromissparsa體表，G.rugosita不僅對龜甲的體表化學物質(zhì)具有趨性，還可以依賴于龜甲的體表化學物質(zhì)識別宿主和非宿主(Beranetal., 2014)。甲蟲的表皮碳氫化合物還可作為捕食者搜尋獵物的信號，跳甲屬Altica種類是捕食性藍蝽Zicronacaerulea最偏好的獵物，行為實驗表明，老鸛草跳甲的表皮碳氫化合物可以激發(fā)藍蝽的捕食行為，是其搜尋和識別獵物的關(guān)鍵信號(Xueetal., 2018b)。

在一些類群，表皮碳氫化合物還可以起到化學防御的作用。例如，二星瓢蟲和七星瓢蟲卵表面的碳氫化合物均可以阻礙其幼蟲取食同種的卵(Hemptinneetal., 2000)；異色瓢蟲在歐洲屬于入侵種，研究發(fā)現(xiàn)，異色瓢蟲幼蟲對歐洲本地物種Calviadecemguttata卵的取食偏好性明顯高于Calviaquatuordecimguttata的卵，其原因是二者卵表面的碳氫化合物成分存在差異，前者表皮碳氫化合物的多樣性明顯低于后者，清除卵表面的碳氫化合物可以顯著提高取食率，表明卵表面的碳氫化合物具有化學防御的功能(Wareetal., 2008; Katsanisetal., 2017)。擬谷盜Triboliumbrevicornis蛹表面的碳氫化合物可以阻礙被同種和同屬其它種的捕食，其活性成分主要是二十八烷(Alabietal., 2011)。

2 影響甲蟲表皮碳氫化合物組成的因素

2.1 性別

研究顯示，甲蟲表皮碳氫化合物存在著性別差異，這種差異常常表現(xiàn)在成分的相對含量上，例如在猿葉甲和三種跳甲Altica(Geiselhardtetal., 2009; Xueetal., 2016b)。而在天牛Pidoniagrallatrix、Pidoniatakechii和Xylotrechuscolonus，以及螢火蟲Ellychniacorrusca，雌雄之間表皮碳氫化合物不但存在相對含量的差異，也存在成分種類的差異(Akinoetal., 2001; Ginzeletal., 2003a; Tanigakietal., 2007; Ming and Lewis 2010)。

2.2 發(fā)育階段/繁殖狀態(tài)

擬谷盜Triboliumdestructor幼蟲和成蟲的表皮碳氫化合物組成和相對含量均存在差異。成蟲中正庚烷和3-甲基正庚烷含量最高，幼蟲則以正構(gòu)烷烴為主，幼蟲含有正構(gòu)烷烴，其中的C14-C17為成蟲中所不存在的(Hebanowskaetal., 1990)。埋葬甲Nicrophorusvespilloides的繁殖狀態(tài)對表皮碳氫化合物成分的相對含量有影響，和不育幼的個體相比，繁殖狀態(tài)的個體具有更高含量的不飽和碳氫化合物成分(Steigeretal., 2007)。對3種跳甲Altica的研究顯示，初羽化和性成熟狀態(tài)的同性個體也存在顯著的種內(nèi)差異，這種種內(nèi)個體的差異可以一定程度被雄蟲作為交配識別的信號上(Xueetal., 2016b)。和正常階段相比，滯育階段的二星瓢蟲Adaliabipunctata存在特異性的碳氫化合物成分(Sussetetal., 2013)。

2.3 食物

多個研究表明，食物對甲蟲的表皮碳氫化合物指紋圖譜具有明顯影響。寡食性的猿葉甲取食大白菜和取食西洋菜(watercress)時表皮碳氫化合物表現(xiàn)出顯著差異，并且這種碳氫化合物指紋圖譜可隨著飼喂植物的互換而發(fā)生逆轉(zhuǎn)(Geiselhardtetal., 2012)；進一步的研究發(fā)現(xiàn)，食物內(nèi)脂肪酸的差異會影響葉甲P.cochleariae中直鏈和甲基化碳氫化合物的含量(Otteetal., 2014)。在飼喂不同的食物時，豆象Acanthoscelidesobtectus表皮碳氫化合物的指紋圖譜表也現(xiàn)出可塑性(Stojkovic＇etal., 2014)。兩種近緣的專食性跳甲(Altica屬)寄主植物相互隔離，均不取食對方的植物，在實驗室條件下可實現(xiàn)種間雜交，其雜交一代可取食兩個親本的寄主植物而完成個體發(fā)育，當雜交一代用兩種植物分別飼喂時，其表皮碳氫化合物表現(xiàn)出顯著差異(Xueetal., 2016a)。

在上述情況下，甲蟲的基因并未發(fā)生改變，但寄主植物的改變會影響昆蟲的交配信號，即表皮碳氫化合物的成分，產(chǎn)生植食性昆蟲的行為隔離，從而導致植食性昆蟲的生殖隔離和物種形成，這在物種分化的初始階段可能起到重要作用(Geiselhardtetal., 2012; Xueetal., 2016a)。

2.4 季節(jié)/溫度

研究表明，甲蟲表皮碳氫化合物的指紋圖譜存在季節(jié)性變化。例如，擬步甲Eleodesarmata(Hadley, 1977)和異色瓢蟲(Durieuxetal., 2013)表皮碳氫化合物的相對含量存在季節(jié)性差異；溫度對擬步甲Eremostibesbarbatus表皮碳氫化合物的相對含量也具有一定程度的影響(Geiselhardtetal., 2006)。

3 碳氫化合物生物合成的分子機制

昆蟲表皮碳氫化合物的合成場所是位于腹部的絳色細胞，其合成過程涉及到四步：(1)通過脂肪酸合成酶形成直鏈飽和、非飽和或者甲基支鏈脂肪酸前體；(2)通過延長酶將脂肪酸延伸形成長鏈脂肪酰輔酶a；(3)通過脂肪酰基輔酶a還原酶將長鏈脂肪酰輔酶a轉(zhuǎn)化成醛；(4)通過氧化脫羧反應(yīng)形成碳氫化合物(Blomquist and Bagnères, 2010; Ginzel and Blomquist, 2016)。

目前，關(guān)于碳氫化合物生物合成的分子機制的研究大多基于果蠅Drosophilamelanogaster和家蠅Muscadomestica等模式生物。昆蟲碳氫化合物合成的最后一步受細胞色素P450超基因家族成員的調(diào)控(Reedetal., 1994)。細胞色素P450的4G家族為昆蟲所特有，迄今為止已經(jīng)測序的昆蟲基因組都至少有一個CYP4G基因(Feyereisen, 2012)。其中山松大小蠹Dendroctonusponderosae中存在兩個氧化脫羧反應(yīng)的候選基因，即CYP4G55和CYP4G56。研究表明，脂肪乙酰輔酶a還原酶催化還原脂肪乙酰輔酶a生成醇，然后由CYP4Gs催化氧化生成醛，再氧化脫羧形成碳氫化合物，CYP4Gs可將短鏈的醇和醛轉(zhuǎn)化成碳氫化合物。研究也證明了CYP4G酶具有高保守性，可以催化不同長度的碳鏈(MacLeanetal., 2018)。在另一項研究中，采用RNA干擾技術(shù)驗證了CYP4G家族中兩個基因(TmCYP4G122和TmCYP4G123)在黃粉蟲Tenebriomolitor表皮碳氫化合物合成中的催化作用，發(fā)現(xiàn)沉默掉這兩個基因中的任意一個或者同時沉默掉兩個基因，在幼蟲中或蛹中的表皮碳氫化合物含量均會顯著減少(Wangetal., 2019)。

4 表皮碳氫化合物在化學分類中的應(yīng)用

昆蟲表皮碳氫化合物組成是昆蟲化學分類的分類特征之一。近年來，昆蟲表皮碳氫化合物在昆蟲化學分類中的應(yīng)用已經(jīng)取得長足進展(Kather and Martin, 2012; 李群臣等, 2019)。

其中一類工作是將表皮碳氫化合物用于爭議和疑難物種的鑒定及分類。例如，兩種擬谷盜Triboliumcastaneum和T.confusum的形態(tài)和表皮碳氫化合物組成均相似，但其碳氫化合物成分相對含量的差異可以用來區(qū)分兩個物種(Lockey, 1978)；Sullivan等對墨西哥地區(qū)小蠹Dendroctonusfrontalis的兩種不同形態(tài)類型的表皮碳氫化合物進行定量分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同形態(tài)類型的D.frontalis是兩個獨立的物種(Sullivanetal., 2012)；3種近緣跳甲(薊跳甲、蛇莓跳甲和老鸛草跳甲)的表皮碳氫化合物表型在種間和種內(nèi)(雌雄之間，初羽化和性成熟個體之間)均存在差異，但統(tǒng)計分析結(jié)果表明其種間差異顯著大于種內(nèi)差異，該化學特征可作為近緣物種鑒定和界定的依據(jù)(Xueetal., 2016b)。類似的工作在螢葉甲、天牛和象甲等類群也有開展(Zhangetal., 2014; 王書平等, 2017; Duffyetal., 2018; Chenetal., 2019)。

另一類工作是將表皮碳氫化合物數(shù)據(jù)用于揭示甲蟲的親緣關(guān)系。例如，Lockey and Metcalfe(1988)對22種擬步甲表皮碳氫化合物的組成和含量進行分析，并嘗試以聚類分析的方法對種間關(guān)系進行了探討；Pageetal.(1997)對小蠹Ips屬Grandicollis亞屬的7個種進行了表皮碳氫化合物成分的鑒定，并基于系統(tǒng)發(fā)育的方法對種間關(guān)系進行了分析，由此對一些疑難種的系統(tǒng)分類地位提出了見解，發(fā)現(xiàn)基于表皮碳氫化合物數(shù)據(jù)得到的系統(tǒng)關(guān)系與基于形態(tài)學等其它方法得出的結(jié)論大致吻合；近期一項對地中海地區(qū)12種蜣螂的分析結(jié)果表明，表皮碳氫化合物具有種特異性，聚類分析結(jié)果顯示，部分物種自身的所有個體聚在一起，聚類分析的結(jié)果和基于分子標記的系統(tǒng)發(fā)育結(jié)果部分吻合，說明了表皮碳氫化合物在一定程度上可以作為蜣螂物種分類和親緣關(guān)系推定的工具(Niogretetal., 2019)。

5 結(jié)語與展望

甲蟲種類繁多，目前僅有一小部分種類的表皮碳氫化合物被測定，對表皮碳氫化合物在不同類群中的功能尚知之甚少。比如，哪些甲蟲類群利用表皮碳氫化合物作為性信息素仍不十分清楚。由于甲蟲表皮碳氫化合物組成成分非常復雜，多數(shù)情況下，行為活性成分測定存在困難，除了部分重要林木害蟲的研究較為透徹外，目前對大多數(shù)種類均不清楚。

對于一些甲蟲的類群，表皮碳氫化合物在物種分化及生殖隔離中發(fā)揮重要作用。對于這類以表皮碳氫化合物作為性信息素的類群而言，碳氫化合物合成相關(guān)的基因可能受到性選擇的影響，而對于不以碳氫化合物為信息素的類群而言，受到環(huán)境選擇方面的壓力更大，二者可能存在不同的演化機制，但目前這方面的研究鮮有涉及。鑒于上述原因，表皮碳氫化合物在昆蟲物種界定和系統(tǒng)發(fā)育推斷中的應(yīng)用價值可能因類群而異。

在化學分類方面，由于昆蟲表皮碳氫化合物存在種內(nèi)變化，如何界定種內(nèi)變化和種間差異是一個需要思考的問題；另外，不同的提取方法和分析方法，包括不同的溶劑和不同的色譜柱均可能導致結(jié)果的差異，因此不同研究之間的比較難以進行，怎樣建立標準化的提取和分析規(guī)范是一個值得關(guān)注的問題。

以甲蟲為對象進行表皮碳氫化合物生物合成機制/途徑的研究還不多見，其主要活性成分差異的分子機制尚不明了。比如，蛇莓跳甲和老鸛草跳甲種間存在顯著的行為隔離，這個生殖隔離是由表皮碳氫化合物的種間差異介導的(Xueetal., 2016a)，那么哪些基因改變或以怎樣的方式進行調(diào)控，從而導致二者表皮碳氫化合物指紋圖譜的變化及其相應(yīng)的選擇行為的改變是一個非常值得探討的問題。