茉莉酸甲酯生物活性研究進展

張知曉，澤桑梓，戶連榮，劉 凌，季 梅*

(1.云南省林業(yè)科學院，云南 昆明 650201；2.云南省林業(yè)有害生物防治檢疫局，云南 昆明 650051)

茉莉酸甲酯(MeJA)是茉莉酸這一化學物質(zhì)經(jīng)甲酯化形成的一種環(huán)戊酮衍生物，因是茉莉?qū)僦参锘〒]發(fā)物的重要組成成分而得名[1]。茉莉酸甲酯易揮發(fā)，能夠在空氣中傳播，可作為外源誘導因子進入植物細胞內(nèi)，在植物之間的通訊聯(lián)絡中起到信號介導的重要作用[2]。它能夠調(diào)節(jié)植物的生長發(fā)育進程、引起細胞產(chǎn)生抗逆反應，誘導植物表達防御基因、合成防御物質(zhì)、形成防御器官等，還能誘導植物產(chǎn)生可供人類利用的生物堿類、萜類、酚類等多種次生代謝物質(zhì)[3]。近期研究表明，茉莉酸甲酯具有抗腫瘤活性，可應用于癌癥治療[4]。同時也有將其應用于靈芝等微生物的發(fā)酵，以促使目的產(chǎn)物生成的報道[5]。因此，茉莉酸甲酯不僅在植物的生長發(fā)育、次生代謝和防御反應過程中發(fā)揮類似激素的作用，還能影響動物和微生物生長代謝，具有廣泛多樣的生物活性。目前，缺乏針對茉莉酸甲酯生物活性的綜合性分析。為此，綜述了茉莉酸甲酯對植物、動物及微生物生命活動的影響，旨在系統(tǒng)地總結(jié)茉莉酸甲酯的生物活性作用，促進其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、疾病醫(yī)療及發(fā)酵生產(chǎn)中的應用。

1 茉莉酸甲酯對植物的影響

1.1 茉莉酸甲酯對植物生長代謝的影響

茉莉酸甲酯作為一種常見的信號物質(zhì)存在于植物體內(nèi)，影響植物新陳代謝，參與種子萌發(fā)、開花開穎、果蔬儲存期抗氧化、香氣物質(zhì)形成和病蟲抗逆性形成等植物生理過程。

1.1.1 茉莉酸甲酯對種子萌發(fā)的影響 種子萌發(fā)需要的營養(yǎng)物質(zhì)儲存在子葉或胚乳中，這些營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化需要水解酶的參與，例如淀粉酶可降解淀粉，蛋白酶可分解蛋白質(zhì)，為胚的生長提供所需能量及氨基酸[6]。賓金華等[7]用不同濃度的茉莉酸甲酯溶液浸泡水稻種子24 h，比較了處理前后的淀粉、還原糖以及α-淀粉酶活性等指標，發(fā)現(xiàn)當茉莉酸甲酯濃度在5×10-9～5×10-6mol/L時，能夠提高酸性磷酸酶和α-淀粉酶活性，促進淀粉降解，進而促進種子萌發(fā)和幼苗生長。汪寶卿等[8]在玉米種子上進行類似試驗，同樣發(fā)現(xiàn)低濃度的茉莉酸甲酯具有提高α-淀粉酶活性的作用，并最終增加種子中可溶性糖含量，促使玉米種子生成的須根數(shù)目增多。除此之外，國外也有研究證實，茉莉酸甲酯能提高蘋果種子脂肪酶和蛋白酶活性，促進蘋果胚的萌發(fā)[9]。

1.1.2 茉莉酸甲酯對植物開花的影響 茉莉酸甲酯在禾本科植物的開花開穎過程中扮演著重要的角色[10]。被茉莉酸甲酯溶液浸泡過的稻穗，器官的呼吸作用加強，漿片細胞內(nèi)CO2、可溶性糖等物質(zhì)增多，水勢下降，漿片吸水膨脹導致穎花開放[11]。茉莉酸甲酯這一重要作用最早是由Zeng等[12]在水稻上發(fā)現(xiàn)的，并于1999年在國內(nèi)外首次報道。目前茉莉酸甲酯這一作用在禾本科其他植物如小麥、黑麥、谷子、高粱等上也都得到證實[13-16]。

1.1.3 茉莉酸甲酯對果蔬保鮮的作用 采摘后的果蔬極易腐爛，這種現(xiàn)象普遍存在且對農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)造成嚴重影響。目前，控制果蔬采后病害仍缺乏一種安全生態(tài)的方法[17]。茉莉酸甲酯作為一種天然物質(zhì)，具有安全無污染的優(yōu)點，近年來研究發(fā)現(xiàn)，利用茉莉酸甲酯處理果蔬產(chǎn)品能夠在一定程度上增強果蔬的抗腐爛能力，延長果蔬的保鮮時間[18]。麻寶成等[19]研究發(fā)現(xiàn)，茉莉酸甲酯在0.001～0.500 mmol/L時，其濃度越高，香蕉腐爛的病情指數(shù)越低?？追睖Y等[20]采用熱空氣和茉莉酸甲酯復合處理草莓果實，并分析了果實生理生化指標及品質(zhì)性狀的變化，證實所用方法能夠有效抑制草莓果實腐爛，提升品質(zhì)。李秋利等[21]利用茉莉酸甲酯和二氫茉莉酸丙酯處理春美桃果實，發(fā)現(xiàn)所用方法可以顯著抑制采后果實乙烯的釋放量，并顯著延緩果肉軟化進程，達到延長貯藏時間的目的。于燁等[22]對鮮切紫薯的貯藏保鮮研究發(fā)現(xiàn)，茉莉酸甲酯處理后，紫薯酚類物質(zhì)含量增高，腐爛的發(fā)生被有效抑制。此外，姜璐璐[23]發(fā)現(xiàn)，茉莉酸甲酯能將葡萄果實的總酚和總黃酮含量維持在較高水平，并提高對1,1-二苯基-2-三硝基苯肼自由基(DPPH自由基)以及羥基的清除能力；同時茉莉酸甲酯還能夠提高果實中的過氧化氫酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)、苯丙氨酸酶(PAL)和過氧化物酶(POD)活性，并降低H2O2的含量。因此，茉莉酸甲酯的處理使采后果蔬具有較高的抗氧化能力，活性氧的代謝能夠維持平衡，進而起到減緩果蔬貯藏期間衰老速度的作用。對于采后具有長途運輸需求或其他需長期貯藏的果蔬，茉莉酸甲酯處理或許是保障其商品價值的一個新途徑。

1.1.4 茉莉酸甲酯對香氣品質(zhì)的改善 香氣是判斷許多農(nóng)產(chǎn)品優(yōu)良品質(zhì)的重要指標之一，有時還關系到農(nóng)產(chǎn)品的營養(yǎng)價值，因此，研究改善農(nóng)產(chǎn)品香氣品質(zhì)的方法具有重要意義。Kim等[24]在甜羅勒上噴施外源茉莉酸甲酯，監(jiān)測揮發(fā)性代謝產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)噴施外源茉莉酸甲酯明顯增加了丁子香酚和芳樟醇2種重要芳香物質(zhì)的含量，證實茉莉酸甲酯具有誘導甜羅勒產(chǎn)香的功能。此外，當外源茉莉酸甲酯處理草莓后，甲基、乙基酯的含量明顯提高，這2種物質(zhì)是影響草莓甜香的重要揮發(fā)性成分，因此，茉莉酸甲酯還具有提高成熟草莓香氣的作用[25]。近期研究表明，茉莉酸甲酯不僅能夠改善果蔬類農(nóng)產(chǎn)品的香氣品質(zhì)，對鮮花、茶樹等經(jīng)濟作物也能發(fā)揮同樣的作用。吳琦等[26]用200、600 μmol/L茉莉酸甲酯溶液噴施西伯利亞百合花瓣后，揮發(fā)物總釋放量較對照顯著升高，釋放的揮發(fā)物主要為萜烯類、醇類、醛類等8大類，其中月桂烯和羅勒烯是花香的最主要成分。王力[27]給茶樹噴施2.5‰的外源茉莉酸甲酯，發(fā)現(xiàn)它能使鮮葉制成的成品茶香氣顯著提升，其中萜烯類和己烯酯類成分相對含量分別升至13.27%和5.81%，可見，茉莉酸甲酯能夠改變茶葉揮發(fā)性成分，明顯提高感官品質(zhì)。

1.2 茉莉酸甲酯對植物抗病蟲害的影響

植物在遭受蟲害、病害或機械損傷后，體內(nèi)會發(fā)生多種化學反應，這些反應會對侵入者起到直接或間接的防御作用[28]。自Farmer等[29]于1990年報道了茉莉酸甲酯具有誘導植物抵御害蟲的能力以來，已有大量關于茉莉酸甲酯誘導植物抗性的研究，歸納其作用機制主要有以下幾種。

1.2.1 茉莉酸甲酯誘導產(chǎn)生防御蛋白 植物體內(nèi)存在多種能夠幫助植物抵御病蟲害的防御蛋白，例如多酚氧化酶能夠?qū)⒎宇惢衔镅趸甚?，而醌是一種活性分子，能夠?qū)⒅参锏鞍踪|(zhì)中的必需氨基酸烷基化，進而避免營養(yǎng)被害蟲利用[30]。安玉興等[31]用茉莉酸甲酯噴施甘蔗葉片和莖干，24 h后觀察發(fā)現(xiàn)，甘蔗葉片及莖干組織中的多酚氧化酶活性明顯提高。孫曉玲等[32]以茶樹為試驗對象，同樣證明了噴施外源茉莉酸甲酯能夠誘導植物產(chǎn)生多酚氧化酶，使植物蛋白質(zhì)氨基酸變性。另外，茉莉酸甲酯還能夠誘導殼聚糖酶、過氧化氫酶、超氧化物歧化酶等防御蛋白的產(chǎn)生[33]。

植物蛋白酶抑制劑作為植物重要的昆蟲防御物質(zhì)，它能夠與昆蟲消化道內(nèi)的蛋白消化酶發(fā)生反應，并抑制其活性，使昆蟲食入蛋白質(zhì)的水解消化作用減慢，導致昆蟲不能利用營養(yǎng)，體質(zhì)量減輕，生長緩慢[34]。楊麗文等[35]用不同濃度茉莉酸甲酯溶液噴施煙苗葉片，結(jié)果表明，施用茉莉酸甲酯能使葉片中胰蛋白酶抑制劑和胰凝乳蛋白酶抑制劑含量不同程度升高，當茉莉酸甲酯濃度為2.4 mmol/L時，兩者的增加量最為顯著。

1.2.2 茉莉酸甲酯誘導產(chǎn)生次生物質(zhì) 利用茉莉酸甲酯誘導植物產(chǎn)生的次生物質(zhì)如酚酸類和生物堿可以達到保護植物的目的。這些物質(zhì)在植物體內(nèi)與蛋白質(zhì)結(jié)合，影響植食昆蟲或侵入病原菌吸收營養(yǎng)物質(zhì)的能力，同時有些物質(zhì)本身或其代謝產(chǎn)物為有毒的腈、硫氰酸等，被食用后會干擾害蟲神經(jīng)信號的傳遞，對害蟲產(chǎn)生毒害作用，使害蟲生長發(fā)育受到影響[33]。王琪等[36]研究噴施茉莉酸甲酯對紅松酚酸的影響發(fā)現(xiàn)，處理組球果的香豆酸、水楊酸、阿魏酸、肉桂酸和苯乙酸含量較對照組增加，原兒茶酸和苯酚也被誘導產(chǎn)生，且原兒茶酸、苯酚的誘導時間與蟲害誘導存在顯著差異。此外有研究表明，用茉莉酸甲酯噴施煙草植株葉面，能夠使其尼古丁含量增加2倍，導致害蟲煙草天蛾在取食后死亡率上升[37]。茉莉酸甲酯誘導產(chǎn)生的生物堿除尼古丁外，還有異類黃酮、苜蓿堿、芥子油苷等[33]。這些次生物質(zhì)除了能夠抵御有害生物、保護植物外，有些如三七皂苷、紫衫醇和丹參酮等次生物質(zhì)還可被人類利用，是抵抗某些疾病的活性化合物[38]。

1.2.3 茉莉酸甲酯誘導產(chǎn)生揮發(fā)性物質(zhì) 植物在受到損傷或被植食動物攻擊后，所釋放的揮發(fā)物會發(fā)生很大變化，主要包括種類和數(shù)量方面的變化[39]。多項研究表明，外源茉莉酸甲酯可誘導植物產(chǎn)生獨特揮發(fā)物，這些揮發(fā)物中大部分都具有誘集天敵昆蟲的作用[40]。張艷峰等[41]用茉莉酸甲酯處理柿樹，并應用頂空收集結(jié)合氣質(zhì)聯(lián)用的方法和Y型嗅覺儀分別檢測揮發(fā)物成分和紅點唇瓢蟲的行為，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，處理后的柿樹產(chǎn)生大量萜烯類揮發(fā)物，并對瓢蟲產(chǎn)生強烈的吸引力。van Poecke等[42]用外源茉莉酸甲酯處理擬南芥后，發(fā)現(xiàn)在試驗組植株上菜青蟲的天敵數(shù)量顯著多于對照組，誘導產(chǎn)生的揮發(fā)物能夠大量吸引菜青蟲的寄生性天敵微紅絨繭蜂?，F(xiàn)有的研究表明，茉莉酸甲酯誘導產(chǎn)生的揮發(fā)性化合物能夠為天敵提供寄主定位，這些化合物除了萜烯類，主要還包括含有6個碳原子的醇、酮和酯類等[33]。

茉莉酸甲酯誘導產(chǎn)生的揮發(fā)物除了具有吸引害蟲天敵這一作用外，還可能具有趨避害蟲的作用[43]。這一作用在外源茉莉酸甲酯誘導煙草產(chǎn)生對番茄天蛾的抗性研究中得到證實，當利用200 μg 茉莉酸甲酯處理煙草后，番茄天蛾成蟲對煙葉上檢測出的大量揮發(fā)物表現(xiàn)出極強的驅(qū)避反應，試驗組較對照組煙草上害蟲的著卵量顯著減少[44]。

1.2.4 茉莉酸甲酯誘導形成防御結(jié)構(gòu) 茉莉酸甲酯除了能夠引起植物次生代謝產(chǎn)物和揮發(fā)性物質(zhì)的改變外，還能夠誘導植物發(fā)生組織和結(jié)構(gòu)等生理變化，形成對害蟲和病原菌具有防御作用的結(jié)構(gòu)[45]。樹脂對害蟲和病原菌具有防御作用，當正常的樹脂導管受到機械損傷、鉆蛀性昆蟲取食或真菌感染后，會形成富含單萜的創(chuàng)傷性樹脂道，使產(chǎn)生的樹脂黏稠度降低，更易流入病灶，起到保護植物的作用。杉類和華山松等植物上也發(fā)現(xiàn)了這種防御性反應的存在[46]。Martin等[47]以茉莉酸甲酯處理云杉幼苗后發(fā)現(xiàn)，靠近形成層的一些木質(zhì)部細胞的細胞壁變薄，細胞質(zhì)變濃，小腔中富含萜，在處理15 d后發(fā)育成樹脂導管，但樹皮中原有的樹脂導管未受影響；未經(jīng)茉莉酸甲酯處理的幼苗，樹脂導管主要分布在周皮、皮層和韌皮部上，都集中在形成層外。

植物葉部的毛狀體能阻礙植食動物的取食，也是重要的防御結(jié)構(gòu)，其數(shù)量增多有利于植物的保護[48]。高文杰等[49]觀察到，在一定濃度茉莉酸甲酯處理下，神農(nóng)香菊葉片正面和背面的T-形非腺毛和頭狀腺毛的密度增加，但若茉莉酸甲酯的濃度過高則又會抑制毛狀體的形成。

2 茉莉酸甲酯對動物的影響

茉莉酸甲酯除了能夠?qū)χ参锇l(fā)揮多種生理效應外，還具有抗腫瘤活性，能夠應用于動物細胞。近些年，許多醫(yī)學研究者致力于探究茉莉酸甲酯對人和小鼠的乳腺癌、胃癌、肝癌、前列腺癌、淋巴癌等腫瘤細胞在體內(nèi)外的作用及其機制[50]。茉莉酸甲酯的抗腫瘤活性主要是通過抑制癌細胞增殖、誘導腫瘤細胞凋亡以及抑制腫瘤形成來實現(xiàn)的[51]。蔣國松等[52]以茉莉酸甲酯處理人神經(jīng)母細胞瘤細胞株BE(2)-C，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，細胞中凋亡抑制蛋白家族成員XLAP和survivin基因的表達量下調(diào)，從而達到誘導腫瘤細胞凋亡的目的。盧永剛等[53]用茉莉酸甲酯處理體外培養(yǎng)的人肝癌細胞HepG2，并分別用HE染色和透射電鏡的方法觀察處理前后細胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)癌細胞連接消失、增殖減弱，細胞微絨毛消失，細胞質(zhì)濃度增加，形成了大量的凋亡小體。此外，研究茉莉酸甲酯對乳腺癌細胞MCF-7和MDA-MB-435的控制效果和機制發(fā)現(xiàn)，其上調(diào)TNFR1、MAPK和caspase-8的表達，使細胞發(fā)生G0/G1期和S期的阻滯并誘發(fā)凋亡[54]。茉莉酸甲酯還能夠誘導腫瘤細胞再分化、調(diào)節(jié)機體免疫力及抑制腫瘤侵襲轉(zhuǎn)移，進而發(fā)揮抗腫瘤活性[50]。

3 茉莉酸甲酯對微生物的影響

茉莉酸甲酯作用于微生物的研究較少，但在微生物發(fā)酵培養(yǎng)及子實體栽培過程中促進目標產(chǎn)物生成的方面均有研究。辛燕花等[5]將茉莉酸甲酯添加于靈芝發(fā)酵培養(yǎng)基中，發(fā)現(xiàn)其能夠提高靈芝多糖及靈芝酸的產(chǎn)量，最佳濃度為50 μmol/L，最佳添加時間是發(fā)酵培養(yǎng)第4天。此外，茉莉酸甲酯還能夠促進微生物細胞液體發(fā)酵中萜類物質(zhì)的合成。Ren 等[55]首次將茉莉酸甲酯作為誘導劑添加到靈芝發(fā)酵培養(yǎng)基中，發(fā)現(xiàn)靈芝三萜的產(chǎn)量比對照提高了45.3%。向超[56]也證實，用茉莉酸甲酯誘導樺褐孔菌發(fā)酵產(chǎn)生三萜，其總產(chǎn)量較對照提高了53.2%?，F(xiàn)有的研究已經(jīng)明確了茉莉酸甲酯誘導微生物產(chǎn)生三萜的機制，即這些萜類化合物都是通過甲羥戊酸途徑，由單個的異戊二烯合成而得，茉莉酸甲酯能夠促使甲羥戊酸途徑中hmgs、hmgr、mvd、fps、sqs、osc、lss和ss等相關酶基因的超表達[57-60]。以茯苓為研究對象，探究茉莉酸甲酯誘導其產(chǎn)生三萜的效果及機制，發(fā)現(xiàn)于發(fā)酵第4天添加茉莉酸甲酯溶液(150 μmol/L)，可使得到的三萜含量較空白組增加0.55倍，實時熒光定量PCR分析可知，其甲羥戊酸途徑中sqs和fps表達水平均顯著上調(diào)[61]。任昂[62]以茉莉酸甲酯處理靈芝，發(fā)現(xiàn)在生物合成三萜途徑中關鍵酶的編碼基因hmgr、fps、sqs、osc等均被誘導表達。

除了應用于液體發(fā)酵，茉莉酸甲酯在栽培菌類子實體過程中也能改變其代謝。楊文建等[63]發(fā)明了一種能夠促進雙孢蘑菇產(chǎn)麥角甾醇的方法，即用乙醇-水溶液配制濃度為100 μmol/L的茉莉酸甲酯溶液，于采收前3 d噴灑栽培的雙孢蘑菇，最終測定熟菇的麥角甾醇含量較對照顯著提高，進而提升了雙孢蘑菇的營養(yǎng)價值。

4 結(jié)論及展望

茉莉酸甲酯能夠在植物生長發(fā)育過程中的許多階段起到積極作用，如促進種子萌發(fā)、促進禾本科植物的開花開穎、有助于果蔬保鮮防腐、提升植物香氣品質(zhì)等。另外，茉莉酸甲酯還能通過誘導植物產(chǎn)生防御蛋白、次生物質(zhì)以及揮發(fā)性物質(zhì)，并生成具有防御功能的組織結(jié)構(gòu)來減輕病蟲害。在動物方面，茉莉酸甲酯能誘導腫瘤細胞凋亡，具有作為抗腫瘤藥物的潛力。除了在植物、動物方面被應用外，近些年也陸續(xù)出現(xiàn)將茉莉酸甲酯應用于微生物發(fā)酵以促進目標產(chǎn)物生成的研究。

分析茉莉酸甲酯影響生物生長代謝的機制，推測其可能是以基因為起點，通過上調(diào)或下調(diào)相關基因的表達，進而影響蛋白質(zhì)的合成，從而對特定酶活性產(chǎn)生作用，在宏觀上則表現(xiàn)為生物代謝發(fā)生改變[38]。例如，對茉莉酸甲酯促進丹參毛狀根酚酸含量提高的機制進行研究，發(fā)現(xiàn)用茉莉酸甲酯浸泡丹參毛狀根后，根部的迷迭香酸(RA)次生代謝途徑被激活，具體表現(xiàn)為苯丙氨酸酶(PAL)、4-香豆酸輔酶A連接酶(4CL)、4-羥基苯丙酮酸還原酶(HPPR)、酪氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(TAT)與肉桂酸-4-羥基化酶(C4H)等關鍵酶相關基因的mRNA表達水平被顯著提高，最終促使丹參毛狀根產(chǎn)生大量次生代謝產(chǎn)物[64]。此外，由于茉莉酸甲酯是一種信號分子，也可能直接影響某些酶的活性。如茉莉酸甲酯可誘導植物體內(nèi)的PPO、POD以及 PAL等酶活性增強，從而促進農(nóng)作物中抗蟲類次生代謝產(chǎn)物的合成[65]。

雖然茉莉酸甲酯對植物、動物和微生物均能發(fā)揮積極的生物活性，是一種極為有效的誘導因子，但要正確、安全、高效地應用這類物質(zhì)，還需要對以下幾個方面進行進一步的研究：(1)現(xiàn)有的許多研究成果表明，茉莉酸甲酯可作為信號分子參與生物次生代謝，通過調(diào)控相關基因的表達、控制相應蛋白質(zhì)合成、改變關鍵酶活性來影響作用對象的生命活動，但目前對它們之間相互作用的綜合性研究還不夠徹底、深入；(2)利用茉莉酸甲酯提高植物抗病性和抗蟲性的研究主要是在實驗室及溫室內(nèi)開展，而應用于大田農(nóng)作物栽培的研究較少，缺乏大田推廣使用方面的理論依據(jù)，這限制了茉莉酸甲酯作為農(nóng)藥的實際應用，無法真正為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及植物保護服務；(3)雖然茉莉酸甲酯能夠促使生物體有目的性地分泌某些次生物質(zhì)，以滿足防御能力和藥用價值的提高等人類的需求，但所分泌的這類次生物質(zhì)也可能對生物體的生長發(fā)育造成損傷，降低某些栽培植物或培養(yǎng)物的生物總量[66]；(4)就動物癌細胞而言，茉莉酸甲酯雖能發(fā)揮抗腫瘤作用，但其化學結(jié)構(gòu)畢竟不同于現(xiàn)有的抗癌藥物，并且具抗腫瘤活性的同時也意味著其具有一定的毒副作用，因此，要將茉莉酸甲酯作為化療藥物，還需通過體內(nèi)毒性、安全性評估及藥動學穩(wěn)定性評價等各方面的臨床試驗才能實現(xiàn)。