火蚁毒液的活性与进化

Solenopsis fire ants possess characteristic venom. Toxicity of fire ant venom appears to be determined by chemical composition. The major component of fire ant venom is 2-methyl-6-alkyl (or alkenyl) piperidine, including (2R,6S)-cis-2-methyl-6-alkyl piperidines, (2R,6R)-trans-2-methyl-6-alkyl piperidines, and (2R,6R)-trans-2-methyl-6-alkenyl piperidines. Different fire ant species have apparently different piperidine components or same major piperidine components but with significantly different ratios. Theoretically, relatively more primitive species have simpler compositions with cis- and trans-2-methyl-6-undecyl piperidines as major components, whereas relatively newer species have more complex compositions which consist of trans-2-methyl-6-alkyl piperidines and trans-2-methyl-6-alkenyl piperidines with longer side chains. We propose to synthesize the above three series of piperidines and analogs, and test insecticidal activities of individual components and piperidine mixtures mimicking the venom of different fire ant species by injection and topical application against important agricultural pest, cotton bollworm (Helicoverpa armigera Hübner) sympatric to Solenopsis invicta. The structure-activity relationships will be analyzed to better understand the association between the capability of fire ant in controlling the food resources and interspecific competitive advantages, and how competitive advantages drive evolution of venom in fire ants.

火蚁的重要生物学特征是拥有毒性很强的毒液，毒液的化学成分决定了毒液的毒力大小。已知的毒液成分主要是2-甲基-6-烷基（或烷烯基）哌啶，包括(2R,6S)顺式哌啶系列、(2R,6R)反式不含双键哌啶系列和(2R,6R)反式含双键哌啶系列。不同种类的火蚁有明显不同的毒液成分或相同的毒液成分但比例显著不同。有假说认为，比较原始的火蚁种类的毒液生物碱成分相对简单，主要是侧链为11个碳的顺式和反式哌啶，而比较现代的火蚁种类的毒液生物碱成分主要是反式哌啶，而且侧链更长和带双键。本项目合成三个系列的哌啶生物碱成分及类似物，以红火蚁生境内的重要农业害虫棉铃虫为靶标昆虫测试单一哌啶生物碱成分和人工模拟的不同种类的火蚁的毒液成分的点滴和注射毒杀活性，分析化学成分的结构与活性关系，以明确火蚁控制食物资源的能力与种间竞争优势的关系，以及这种竞争能力如何驱动火蚁毒液的进化。

火蚁的毒液成分主要是侧链长度为7-17个碳的2-甲基-6-烷基（或烷烯基）哌啶，包括(2R,6S)和(2S,6R)顺式哌啶系列、(2R,6R)和(2S,6S)反式哌啶系列，以及微量的Δ1,2-和Δ1,6-脱氢哌啶。本项目合成了4个系列的哌啶生物碱成分，包括侧链长度为3-19个碳的2-甲基-6-烷基顺式哌啶、侧链长度为9-19个碳的2-甲基-6-烷基反式哌啶、侧链长度为11-17个碳的2-甲基-6-烷烯基反式哌啶和侧链长度为11-15个碳的Δ1,6-脱氢哌啶。合成后的哌啶消旋体用苄氧基羰基保护基CBZ衍生保护，采用二氧化碳超临界流体色谱分离技术分离得到侧链长度为7-19个碳的(2R,6S)-和(2S,6R)-2-甲基-6-烷基顺式哌啶、侧链长度为9-19个碳的(2R,6R)-和(2S,6S)-2-甲基-6-烷基反式哌啶。还探索出一条全新的路线合成了侧链长度为11-17个碳的(2R,6R)-2-甲基-6-烷烯基反式哌啶及侧链长度为11-15个碳的Δ1,6-脱氢哌啶。对哌啶化合物结构与熔点之间的关系进行探讨发现，哌啶化合物的熔点随着侧链的长度增加而升高；对于同样侧链长度的立体异构体来说，手性不影响熔点大小；相同侧链长度时，反式哌啶的熔点要明显低于顺式哌啶；侧链双键对熔点的影响非常大，和无侧链双键的哌啶相比，熔点下降了90 C以上。利用半数致死量评价了同摩尔浓度下的生物碱成分对3龄末期棉铃虫的注射毒性，发现哌啶化合物的侧链长度和手性基本都不影响活性，但反式哌啶的活性要高于顺式哌啶，且反式带双键哌啶比不带双键的活性强。此外，利用显微注射法测定了Δ1,6-C11-C15对3龄棉铃虫的毒性，发现死亡率从高到低的顺序为：Δ1,6-C11 > Δ1,6-C13 > Δ1,6-C15，表明侧链较短的脱氢哌啶具有更好的毒杀活性。侧链长度的增加和顺式构型向反式构型转变，造成哌啶化合物的熔点升高，对毒液保持液体状态是不利的。侧链双键的引入极大地降低了毒液的熔点，对保持毒液的液体状态有利。同时，构型向反式转变和侧链双键的引入，造成毒液的毒性增强，对毒液发挥毒性作用是有利的。这些证据表明顺式构型向反式构型转变和侧链双键的引入是火蚁毒液进化的方向。火蚁毒液生物碱成分的进化如何促进食物资源的控制与种间竞争还有待于进一步研究。