CHƯƠNG 1. Giới thiệu về pheromone 1. Định nghĩa pheromone Trước khi thuật ngữ “pheromone” ra đời thì các nhà nghiên cứu khoa học đã cho ra rất nhiều thuật ngữ khác nhau để định nghĩa cho các loại hợp chất này. Tuy nhiên nó chưa thể hiện được đầy đủ nhất về bản chất và giá trị của nó.
Đến năm 1959, thuật ngữ “pheromone” (chất dẫn dụ) được Karlson & Luscher sử dụng lần đầu tiên và nó bắt nguồn từ các Hy Lạp kết hợp lại giữa “pherein” (φερω) “hormon” (ὁρμων) có nghĩa là chất mang sự kích thích [1, 2]. Theo định nghĩa của Karlson và Luscher thì pheromone là một hợp chất hóa học tự nhiên được tìm thấy trong các loài côn trùng, động vật và kể cả con người. Nó là tín hiệu hóa học giữa các cá thể trong cùng một loài. Cụ thể nó là những chất dễ bay hơi được tiết từ một cá thể ra môi trường bên ngoài và nhờ tác động của không khí mà nó được truyền đến cá thể thứ hai khác giới cùng loài tiếp nhận gây nên những phản ứng chuyên biệt đáp lại [2].
Mô tả phương thức giao tiếp của hai cá thể cùng loài 1. Đặc điểm và phân loại pheromone 1. Đặc điểm Trong điều kiện tự nhiên, pheromone là một chất lỏng dễ bay hơi, nhờ vào tác động của môi trường mà tốc độ bay hơi và khuếch tán phụ thuộc vào tốc độ gió (không khí) hay nước. Pheromone bị phân hủy càng nhanh nếu nhiệt độ càng cao, nó chỉ tồn tại ở một giới hạn nhiệt độ nhất định trong môi trường tự nhiên.
Pheromone sinh dục là loại pheromone có khả năng khuếch tán xa nhất (tối đa 1 km) và pheromone đánh dấu đường đi có độ khuếch tán kém nhất [3]. Phân loại pheromone luan an 12 Pheromone được phân loại thành năm nhóm dựa vào những đặc tính tồn tại và tính chất tác động lên sinh lý, hành vi của côn trùng ngoài tự nhiên. Bao gồm: pheromone ức chế (primer pheromone), pheromone phóng thích (releaser pheromone), pheromone giới tính (sex pheromone), pheromone đánh dấu (trail pheromone), pheromone báo động (alarm pheromone) [4]. Nhóm pheromone ức chế (primer pheromone) Sử dụng chủ yếu ở các loài côn trùng mang tập tính xã hội với mục đích là để ngăn chặn sự sản sinh của cá thể cùng loài như kiến, ong (thuộc bộ cánh màng Hymenoptera).
Chúng sẽ kích hoạt làm thay đổi hoạt động sinh lý có xu hướng theo chiều chậm lại ở cá thể nhận được, không có bất kỳ sự phản ứng nào về hành vi ngay tại thời điểm đó. Chúng tiếp nhận tín hiệu thông qua cảm giác (vị giác). Nhóm pheromone này không tìm thấy ở bộ cánh vảy (Lepidoptera) [5]. Nhóm pheromone phóng thích (releaser pheromone) Các pheromone thuộc nhóm này được mô tả rất nhiều.
Khi một cá thể nhận được tín hiệu hóa học của cá thể khác tiết ra trong cùng loài, ngay lập tức tạo ra sự thay đổi trong hành vi của cá thể nhận được. Chúng tiếp nhận tín hiệu thông qua cơ quan khứu giác (mùi) trực tiếp truyền đến hệ thống thần kinh trung ương và sửa đổi hành vi của cá thể đó. Nhóm pheromone này tiếp tục được chia nhỏ thành các loại khác nhau [4, 5]. Pheromone giới tính (sex pheromone) Đây là loại pheromone thường được tiết ra môi trường từ một cá thể thu hút các cá thể khác giới trong cùng loài từ xa với mục đích hấp dẫn sự giao phối, thường là một chất hoặc hỗn hợp của nhiều chất hóa học.
Chất này có thể tiết ra từ cả hai giới tính nhưng thường phổ biến ở cá thể cái. Hơn 150 côn trùng đã được nghiên cứu trong đó con cái là cá thể đã tiết ra pheromone giới tính thì sẽ có khoảng 50 loài trong đó con đực cũng tiết ra loại pheromone này. Pheromone giới tính đóng vai trò rất quan trọng đối với đời sống của côn trùng, các loài côn trùng khác nhau sẽ có pheromone giới tính đặc trưng riêng cho từng loài. Pheromone giới tính là đối tượng nghiên cứu của nhiều lĩnh vực do nó là những chất có hoạt tính sinh học cao, chỉ với liều lượng thấp nhưng lại mang lại hiệu quả tốt trong công tác quản lý sâu hại mà rất thân thiện với môi trường và không gây hại tới sức khỏe con người [6, 7].
luan an 13 Pheromone đánh dấu (trail pheromone) Những nhà nghiên cứu nhận thấy rằng những chất được tiết ra đánh dấu đường đi trên nền đất để các cá thể khác cùng loài có thể đi theo và đích đến của chúng có thể là nguồn thức ăn hoặc để thu hút bạn đời giao phối. Pheromone thuộc nhóm này có tính ổn định cao và duy trì ngoài môi trường lâu hơn so với pheromone thuộc các nhóm khác. Nhóm này được biết đến từ côn trùng của một số loài bộ Lepidoptera, ví dụ: sâu bướm (Malacosoma americanum) hay thường thấy ở bộ Dictyoptera, ngoài ra bộ cánh màng (Hymenoptera) là bộ có tổ chức xã hội cao cũng mang loại pheromone này [7]. Pheromone báo động (alarm pheromone) Tên gọi pheromone này cũng một phần đã nói lên chức năng của nó, được tiết ra chủ yếu để báo động cảnh báo cho các cá thể trong bầy đàn cảnh giác khi có nguy hiểm đến gần.
Chất báo động còn gọi là “chất sơ tán”. Tùy thuộc vào mức độ “bị gây rối loạn” hoặc khi cá thể đó bị thương thì chất này sẽ được tiết ra. Pheromone này thường gặp ở các loài côn trùng có tập tính sống thành xã hội hay nửa xã hội như bộ cánh thẳng (Orthoptera), cánh cứng (Coleoptera), cánh nửa cứng (Hemiptera) và cánh đều (Homoptera) [7]. Nhóm pheromone báo động có 2 hình thức sau: Pheromone tập hợp (aggregation pheromone): Nhóm pheromone này có chức năng tập hợp các cá thể cùng loài.
Việc tập hợp mang lại nhiều lợi ích cho cả một bầy đàn, các cá thể có thể tấn công lại kẻ thù khác khi gặp nguy hiểm bằng sức ép số đông, có tính chất bảo vệ cao hoặc trong việc chọn bắt cặp (mate selection). Các loài côn trùng có tổ chức xã hội rất cần sự tồn tại của loại pheromone tập hợp này [7]. Pheromone xua đuổi (repellent pheromone): Nhóm pheromone này cũng mang tính chất bảo vệ trước những nguy hiểm tấn công, xua đuổi các cá thể khác lại gần. Loại pheromone này còn gọi là pheromone bảo vệ [7].
Các dạng cấu trúc pheromone thường gặp Mỗi cơ thể sinh vật có rất ít pheromone, đó cũng chính là điểm khó khăn cơ bản trong việc nghiên cứu đầy đủ về cấu trúc hóa học của tất cả các pheromone. Vì vậy để phân tích chúng là một điều hoàn toàn không dễ dàng. Các pheromone đã nghiên cứu cho thấy đa phần chúng là các alcohol, ester hoặc ether… Một số khác là luan an 14 các alkaloid và dẫn xuất của alkaloid [3]. Tuy nhiên, ở Việt Nam có hai dạng pheromone phổ biến là: Pheromone có chứa liên kết đôi và pheromone dạng racemic.
Pheromone mạch thẳng có chứa liên kết đôi Pheromone sâu tơ (Plutella xylostella) [8] CHO Z11-16:CHO OH Z11-16:OH OAc Z11-16:OAc Pheromone của sâu gây hại lá cà chua (Tuta absoluta) [9-11] AcO (3E,8Z,11Z)-Tetradeca-3,8,11-trienyl acetate Pheromone sâu róm thông (Malacosoma disstria) [12] OH (5Z,7E)-5,7-Dodecadien-1-ol Pheromone của sâu keo gây hại ngô (Spodoptera frugiperda) [13] OH (7Z)-Dodecen-1-ol OAc (9Z)-Tetradecen-1-yl acetate 1. Pheromone dạng racemic Pheromone tập hợp đuông dừa (Rhynchophorus ferrugineus Olivier) [14] * * OH (±)-4-Methyl-5-nonanol Pheromone kiến vương gây hại dừa (Oryctes rhinoceros Linnaeus) [15, 16] O * O (±)-Ethyl 4-methyloctanoat luan an 15 Pheromone tập hợp của bọ cánh cứng Châu Âu (Scolytus multistriatus) [17] * * OH (±)-4-Methyl-3-heptanol 1. Giới thiệu một số pheromone côn trùng ở Việt Nam 1. Đuông dừa Rhynchophorus ferrugineus Tên khoa học Rhynchophorus ferrugineus Giới: Động vật (Animalia) Ngành: Chân khớp (Arthropoda) Lớp: Côn trùng (Insecta) Bộ: Bọ cánh cứng (Coleoptera) Họ: Bọ vòi voi (Curculionidae) Chi: Mọt cọ (Rhynchophorus) Hình 1.
Đuông dừa Loài: R. ferrugineus trưởng thành 1. Ký chủ và phân bố Ký chủ: Đuông dừa, đuông chà là mọt cọ đỏ, mọt cọ châu Á (Asian palm weevil), bọ Sago hay ấu trùng Sago là một loài côn trùng trong họ bọ vòi voi (Curculionidae) sinh sống ở các vùng nhiệt đới thuộc châu Á. Ấu trùng của loài bọ này sinh sống chủ yếu trong thân cây dừa.
Chúng cũng thích cây cau, cây chà là (một cây có họ hàng với cau, trồng để lấy quả). Phân bố: Đuông dừa được phân bố nhiều nơi trên thế giới. Khu vực Châu Á phân bố ở nhiều nước: Bangladesh, Cambodia, China, India, Japan, Laos, Pakistan, Philippines, Sri Lanka, Taiwan, Vietnam, Indonesia, Malaysia, Myanmar, Singapore, Thailand, Iran, Iraq, Lebanon, Jordan, Japan và Hong Kong… Ở Châu Phi phân bố nhiều quốc gia: Morocco, Tunisia, Egypt, Republic of Djibouti, Libya, Mauritania, Algeria…Ở Châu Âu phân bố ở các quốc gia: Croatia, France, Italy, Albania, Turkey, Portugal, Spain, Belgium, Poland, Russia, England…Ở khu vực Bắc Mỹ: Curacao, Brazil, Mexico [18]. Thành phần pheromone Tổ hợp của (4S,5S)-4-methyl-5-nonanol và (S)-4-methyl-5-nonanone được biết đến là thành phần chính pheromone tập hợp của đuông dừa R.vulneratus [19], tổ hợp này cho thấy khả năng dẫn dụ hai loài là rất tốt.
Tuy nhiên, để chế tạo được mồi nhử từ tổ hợp các đồng phân quang học như trên thường tốn chi phí rất đắt so với điều kiện kinh tế của Việt Nam. Nếu sử dụng tổ hợp racemic của ()-4-methyl-5-nonanol và ()-4-methyl-5-nonanone để thay thế cho tổ hợp mồi nhử được tạo ra từ các đồng phân quang học thì hiệu quả dẫn dụ sẽ như thế nào khi thử nghiệm ngoài đồng tại Việt Nam. Đây là một vấn đề cần được nghiên cứu trong luận án này. Các công trình nghiên cứu Năm 1993, có công trình của R.
Hallett và cộng sự đã dùng ()-4-methyl- 5-nonanol (1) và ()-4-methyl-5-nonanone (2) như là pheromone tập hợp để bẫy đuông hại cọ dầu châu Á với hai loài Rhynchophorus ferrugineus và R. Ferrugineol là một hỗn hợp racemic được tổng hợp từ 2-methyl pentanal với n-BuLi thông qua phản ứng Grignard. Sau đó, oxi hóa alcohol (1) bằng CrO3/H2SO4 thu được ketone (2). Kết quả thử nghiệm trên đồng ruộng cho thấy tổ hợp của (1) và (2) với tỷ lệ 10 : 1 thì khả năng dẫn dụ hiệu quả tốt nhất đối với Rhynchophorus ferrugineus.
Trong khi đó, đối với loài R. vulneratus tỷ lệ 10 : 0 hoặc 10 : 9 của (1) và (2) cho hiệu quả dẫn dụ là mạnh nhất. Các thí nghiệm được thực hiện tại Pakuwon, Java, Indonesia trong thời gian một tuần [20]. OH O Hexane, 0 oC CrO3/H2SO4 * CHO + n-BuLi * * * 96% 95% 1 2 Sơ đồ 1.
Tổng hợp ()-4-methyl-5-nonanol và ()-4-methyl-5-nonanone Năm 1995, N. Gunawardena và cộng sự đã sử dụng ()-4-methyl-5-nonanol (ferrugineol) như là pheromone tập hợp để bẫy đuông gây hại dừa Rhynchophorus ferrugineus ở Sri Lanka và được tổng hợp từ nguyên liệu đầu là 2-methylpentan-1- ol và butylbromide với hiệu suất 86%. Các thí nghiệm được thực hiện tại Kadawata, Waragoda, Dalugama của huyện Gampaha và Kawadawata, Uhumeeya, luan an 17 Nikaweratiya của huyện Kurunegala trong thời gian 2 tuần, liều lượng sử dụng cho mỗi bẫy mồi nhử là 22 mg [21].