植物綠葉揮發(fā)物的生物脅迫防御功能研究進(jìn)展

吳麗婷 程國亭 梁 燕

（西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院，陜西楊凌 712100）

植物在生長發(fā)育過程中會受到各種不利自然環(huán)境的影響，如低溫、高溫、鹽堿等非生物脅迫，同時(shí)也會受到昆蟲、真菌、細(xì)菌以及病毒等生物脅迫，直接影響植物的生長發(fā)育以及產(chǎn)量和品質(zhì)，甚至造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。非生物脅迫可以通過環(huán)境的選擇和改變得以緩解，而應(yīng)對生物脅迫主要通過挖掘抗病蟲基因培育抗性品種，噴施農(nóng)藥進(jìn)行病蟲害防治，以及利用天敵進(jìn)行生物防治等途徑來實(shí)現(xiàn)。由于生物自身的協(xié)同進(jìn)化作用致使抗性基因利用難度愈來愈大，抗性基因的抗性作用也受到限制，而農(nóng)藥的使用對環(huán)境、農(nóng)產(chǎn)品以及人體的安全有直接影響，因此植物自身防御能力的激發(fā)便成為了最安全有效的途徑。

植物在自身進(jìn)化過程中形成了許多抗性防御機(jī)制來應(yīng)對外來生物和非生物的侵襲脅迫。這些脅迫首先誘導(dǎo)植物體內(nèi)相關(guān)基因的表達(dá)，激活相關(guān)防御代謝途徑合成和釋放防御物質(zhì)完成防御過程，這類防御物質(zhì)屬于次生代謝物質(zhì)。根據(jù)其存在狀態(tài)和性質(zhì)可分為揮發(fā)性物質(zhì)和非揮發(fā)性物質(zhì)兩大類。其中，非揮發(fā)性次生代謝產(chǎn)物如生物堿、萜類在植物直接防御應(yīng)答中發(fā)揮作用，而揮發(fā)性有機(jī)化合物不僅參與植物的直接防御過程，在植物間接防御應(yīng)答中亦發(fā)揮重要作用（孫海峰 等，2013）。綠葉揮發(fā)物（green leaf volatiles，GLVs）是植物揮發(fā)性防御化合物的重要組成部分，其獨(dú)特的特征特性和在防御應(yīng)答中的作用是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

本文在簡述GLVs 組成及合成途徑的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)論述了GLVs 在植物防御、植物-植物相互作用、植物-昆蟲相互作用和植物-病原微生物相互作用中的功能及其抗性防御機(jī)制。

1 綠葉揮發(fā)物合成途徑

GLVs 廣泛存在于植物體中，是脂氧化代謝途徑（oxylipin）的產(chǎn)物，由C18 和C16 不飽和脂肪酸（其中包括亞麻酸或亞油酸）經(jīng)脂質(zhì)代謝途徑中的脂氧合酶（lipoxygenase，LOX）和脂氫過氧化物裂解酶（hydroperoxide lyase，HPL）催化形成（陳書霞 等，2012）。正常狀態(tài)下植物GLVs 代謝水平處于平穩(wěn)狀態(tài)，當(dāng)植物受到生物脅迫或非生物脅迫時(shí)GLVs 的釋放量才會出現(xiàn)明顯激增。LOX 和HPL 是GLVs 合成途徑中的兩個(gè)關(guān)鍵酶，不飽和脂肪酸在LOX 的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)檫^氧化氫物，然后經(jīng)HPL 作用裂解為C12 和C6 組分。C18前體先經(jīng)HPL 裂解產(chǎn)生（Z）-3-己烯醛〔（Z）-3-hexenal〕或己醛（hexanal）（Hatanaka，1993），再通過醇脫氫酶、乙?；饔煤彤悩?gòu)化作用等進(jìn)一步加工產(chǎn)生C6 殘基化合物，HPL 作用下裂解產(chǎn)生的C12 組分則被加工成為植物體內(nèi)的內(nèi)源激素，如茉莉酸（jasmonic acid，JA）、茉莉酸甲酯（methyljasmonate，MeJA）等，這些物質(zhì)統(tǒng)稱為茉莉酸類物質(zhì)（jasmonates，JAs）（Hirao et al.，2012）。JAs 在植物的生長發(fā)育和自身防御中均具有重要作用（林勇文，2017）。

2 綠葉揮發(fā)物組成

GLVs 是由不飽和脂肪酸代謝形成的脂肪酸衍生物，包括己醛（n-hexanal）、正己醇（n-hexanol）、反-2-己烯醛（即葉醛）〔（E）-2-hexenal〕、反-2-己烯醇〔（E）-2-hexenol〕、正-3-己烯醛〔（Z）-3-hexenal〕、正-3-己烯醇（即葉醇）〔（Z）3-hexenol〕、反-3-己烯醛〔（E）-3-hexenal〕、反-3-己烯醇〔（E）-3-hexenol〕、正-3-己烯醇乙酸酯〔（Z）-3-hexenyl acetate〕等具有綠葉氣味的一類揮發(fā)物，這些物質(zhì)以游離或與脂質(zhì)結(jié)合的形式存在，在植物受到脅迫時(shí)立即從受損組織局部釋放。

3 綠葉揮發(fā)物抗性防御功能

植物自身防御包括直接防御和間接防御。直接防御包括植物特殊性狀和產(chǎn)生直接防御物質(zhì)，例如刺、荊棘、毛狀體，化學(xué)代謝物和蛋白酶抑制劑等，通過影響外來生物如植食性昆蟲或致病菌的易感性和病原微生物的致病性，達(dá)到自身防御的目的。間接防御包括植物自身產(chǎn)生的各種適應(yīng)措施，例如提供替代性食物源（如花外蜜腺分泌花蜜）、在植食性昆蟲侵害后釋放植物揮發(fā)物來吸引植食性昆蟲的天敵等。GLVs 是植物揮發(fā)性防御化合物中的一類物質(zhì)，在植物的直接防御和間接防御中都起著至關(guān)重要的作用。

3.1 對植食性昆蟲的防御功能

GLVs 在健康的植物中并不釋放或僅少量釋放，而當(dāng)植物組織受損或遭受脅迫時(shí)，GLVs 在總揮發(fā)物中的相對含量迅速提高，物質(zhì)種類及數(shù)量均顯著增加（婁永根和程家安，2000），進(jìn)行信號傳遞，誘導(dǎo)內(nèi)部防御反應(yīng)；還可以在植物之間進(jìn)行傳遞，使接收揮發(fā)性物質(zhì)信號的植物能夠更有效地應(yīng)對后續(xù)攻擊（Engelberth et al.，2004；Baldwin et al.，2006；Heil & Bueno，2007；Frost et al.，2008；Jung et al.，2009；Conrath et al.，2020）。

GLVs 能夠直接影響植食性昆蟲的行為（Vancanneyt et al.，2001；Shiojiri et al.，2006；Qi et al.，2011；Tong et al.，2012）。Vancanneyt 等（2001）對HPL基因進(jìn)行反義介導(dǎo)，使轉(zhuǎn)基因馬鈴薯（Solanum tuberosum）葉片C6 醛水平顯著降低，導(dǎo)致蚜蟲在轉(zhuǎn)基因植株上的繁殖能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于野生型植株。同樣，在煙草（Nicotiana tabacumL.）中，與對照植株相比，沉默HPL基因的植株體內(nèi)（Z）-3-己烯醛水平降低，對煙草天蛾（Manduca sexta）的敏感性降低，易被煙草天蛾取食，抗蟲能力減弱（Halitschke et al.，2004）。GLVs 還可以提高昆蟲病原真菌的致病性和毒力，使植食性昆蟲死亡（Lin et al.，2017）。

GLVs 可以充當(dāng)化學(xué)信息素，如植食性昆蟲的驅(qū)蟲劑，昆蟲天敵的生物引誘劑，還可以誘導(dǎo)鄰近植物的防御反應(yīng)（Pare & Tumlinson，1999；Matsui，2006）。這種間接防御機(jī)制為植食性昆蟲的天敵提供了可靠、準(zhǔn)確且易于鑒別的“線索”，以識別出具有“獵物”的植物。受害植物產(chǎn)生的揮發(fā)物是植食性昆蟲的天敵定位寄主的信號，受害植物會根據(jù)取食者的不同物種、不同蟲態(tài)、不同齡期，甚至是不同的健康狀態(tài)，調(diào)整釋放揮發(fā)物的成分、含量，以此引誘相應(yīng)的昆蟲天敵（Anderson et al.，1995）。

3.2 對病原菌的防御功能

GLVs 具有殺菌、抑菌作用（梁海燕 等，2012）。Hammerbacher 等（2019）研究表明，LOX 氧化產(chǎn)生的GLVs 種類及劑量的不同使其在抑制病原菌孢子萌發(fā)、生長及次級代謝等過程中的作用也不同。

GLVs 中的C6 揮發(fā)物在提高植物抗性方面起著重要作用，由GLVs 誘導(dǎo)產(chǎn)生的植物免疫功能具有取代農(nóng)用化學(xué)品作為天然植物防御的潛力。例如，（E）-2-己烯醛、（Z）-3-己烯醛可誘導(dǎo)灰霉病抗性基因的表達(dá)進(jìn)行生物防御（Kyutaro et al.，2005）。梁海燕等（2012）研究了常見的7 種GLVs〔（E）-2-己烯醛、（Z）-3-己烯醇、（Z）-3-己烯醛、（E）-2-己烯-1-醇、（E）-2-己烯乙酸酯、（Z）-3-己烯乙酸酯、（Z）-3-己烯丁酸酯〕對黃曲霉菌（Aspergillus flavus）的抑制作用，發(fā)現(xiàn)這7種GLVs 均對黃曲霉菌菌絲生長和孢子萌發(fā)具有抑制作用，抑制作用最強(qiáng)的為（E）-2-己烯醛。此外，GLVs 已被用作抗真菌熏蒸劑，在植物采后處理上廣泛使用（Ma & Johnson，2021）。但是，揮發(fā)物與病原菌的相互作用是很復(fù)雜的，這些揮發(fā)物有時(shí)候也能起到促進(jìn)病原菌感染的作用。例如，擬南芥產(chǎn)生的GLVs 含量越高越容易受到番茄細(xì)菌性葉斑病菌〔Pseudomonas syringaepv.tomato（DC3000）〕的感染（Scala et al.，2013）。因此，對植物揮發(fā)物與病原微生物相互作用關(guān)系的認(rèn)識至關(guān)重要。

4 綠葉揮發(fā)物抗性防御機(jī)制

4.1 GLVs 誘導(dǎo)植物相關(guān)防御基因表達(dá)并生成防御蛋白

當(dāng)受到損傷時(shí)，植物本身具有自我防御能力，通過一些“損傷信號”的傳遞來調(diào)節(jié)自身的防御機(jī)制，對外來傷害做出反應(yīng)，GLVs 就是一種“損傷信號”，它的變化使植物及時(shí)做出反應(yīng)，誘導(dǎo)相關(guān)防御基因表達(dá)并產(chǎn)生防御蛋白來抵御傷害。GLVs不僅能在植物自身中傳遞，還能對臨近植物產(chǎn)生預(yù)警信號，使臨近植物處于防御敏感狀態(tài)（高宇 等，2012）。研究表明，GLVs 釋放信號后，馬鈴薯、大豆〔Glycine max（L.）Merr.〕、擬南芥〔Arabidopsis thaliana（L.）Heynh.〕等植物體內(nèi)的LOX、AOS等基因的表達(dá)量發(fā)生改變，同時(shí)能夠改變臨近健康植物中萜類物質(zhì)的釋放量，植物體中防御蛋白過氧化物酶、多酚氧化酶和苯丙氨酸解氨酶的含量也會明顯增加（Bell & Mullet，1993；Arimura et al.，2001；Gomi et al.，2003；Kyutaro et al.，2005；Frost et al.，2008）。針對病原微生物的侵染，（E）-2-己烯醛、（Z）-3 己烯-1-醇和（Z）-3-己烯醛可以誘導(dǎo)防御相關(guān)基因的表達(dá)和產(chǎn)生一些次級代謝產(chǎn)物，如抗真菌蛋白、植物抗毒素和花青素等；多種揮發(fā)物的誘導(dǎo)防御效果高于單個(gè)揮發(fā)物，但并不是單個(gè)揮發(fā)物防御效果的總和（Hu et al.，2009）。

4.2 GLVs 誘導(dǎo)植物產(chǎn)生與防御相關(guān)的HIPVs

受到植食性昆蟲的侵害后，被害植物會釋放出大量的揮發(fā)性物質(zhì)，這些物質(zhì)被稱為植食性昆蟲誘導(dǎo)的植物揮發(fā)物（herbivore-induced plant volatiles，HIPVs），由于其在受害植株中的釋放量明顯高于健康植株，從而吸引植食性昆蟲的天敵進(jìn)行間接防御（Yu et al.，2010）。

GLVs 能夠誘導(dǎo)植物產(chǎn)生與防御相關(guān)的HIPVs，HIPVs 包含不同種類的化合物，例如萜類化合物、綠葉揮發(fā)物、苯基丙烷類/苯類化合物以及芳香族化合物（Dicke et al.，2009）。這些HIPVs通過不同的生物合成途徑在植物細(xì)胞的不同部位中合成，并受植物激素如茉莉酸、水楊酸和乙烯的調(diào)節(jié)（Menzel et al.，2014）。HIPVs 對植食性昆蟲的天敵的吸引力取決于環(huán)境中不同營養(yǎng)水平的物種多樣性。

4.3 GLVs 誘導(dǎo)花外蜜腺分泌蜜液

花外蜜腺（extrafloral nectary）是植物的一種間接防御結(jié)構(gòu)，可以位于莖、葉柄、葉片或托葉上，也可以位于萼片的內(nèi)外表面，不參與授粉（Heil，2011），在植物病蟲害生物防治中具有重要作用（Stenberg et al.，2015）。當(dāng)植物受到脅迫后會立即釋放大量GLVs 以抵御傷害，防御方式之一便是能夠誘導(dǎo)植物的花外蜜腺分泌蜜液，而植物花外蜜腺分泌的蜜液與HIPVs 在引誘植食性昆蟲的天敵上具有相似作用。引誘來的昆蟲天敵在花外蜜腺附近聚集，以捕食植食性昆蟲。因此花外蜜腺也被稱作“防御蜜腺”（Kawano et al.，1999；Heil et al.，2008）。

4.4 GLVs 調(diào)控植食性昆蟲的行為

植食性昆蟲一般是在各自的寄主植物上進(jìn)行捕食、交配、產(chǎn)卵等行為，其可根據(jù)GLVs 的釋放成分及含量來區(qū)分自己的寄主植物與非寄主植物。GLVs 可以影響蚜蟲等植食性昆蟲的取食行為，對植食性昆蟲起到趨避作用（Hildebrand et al.，1993；Kasu et al.，1995）；而且GLVs 本身也具有一定的毒性，從而影響昆蟲的繁殖行為（Vancanneyt et al.，2001）。因此，可以通過干擾植物本身GLVs的釋放來干預(yù)植食性昆蟲的捕食、交配及產(chǎn)卵等行為，亦可以通過調(diào)整GLVs 的釋放對植食性昆蟲進(jìn)行生物防治，如引誘寄生蜂，幫助寄生蜂快速準(zhǔn)確地定位植食性昆蟲進(jìn)行捕殺。

4.5 GLVs 誘發(fā)JA 相關(guān)防御途徑

植物防御反應(yīng)的發(fā)生，通常通過一種或多種常用的防御信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑（SA-、JA-、乙烯介導(dǎo)）起作用。Engelberth 等（2004）發(fā)現(xiàn)暴露于GLVs中的玉米幼苗迅速積聚JA 并排放少量揮發(fā)性有機(jī) 化 合 物（volatile organic compounds，VOCs）。JA 合成后可轉(zhuǎn)化為多種衍生物，包括茉莉酸甲酯（MeJA）等主要生物活性物質(zhì)。JA 信號傳導(dǎo)調(diào)節(jié)多種不同的生理過程，通過誘導(dǎo)防御性代謝產(chǎn)物（如蛋白水解酶）或釋放VOCs（如GLVs）來進(jìn)行植物防御，是對機(jī)械傷害（自然傷害、人為傷害和植食性昆蟲取食傷害）和病原微生物侵染防御反應(yīng)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑。研究發(fā)現(xiàn)，使用（Z）-3-己烯醛預(yù)處理的番茄植株可以誘發(fā)JA 相關(guān)防御途徑，從而對煙粉虱起到一定的趨避作用，（Z）-3-己烯醛預(yù)處理同樣可以誘發(fā)植物的水楊酸（SA）相關(guān)防御途徑，其作用可能是增強(qiáng)植物對番茄黃化曲葉病毒（tomato yellow leaf curlvirus，TYLCV）的抵抗能力（Su et al.，2020；Yang et al.，2020）。

雖然在某些植物（尤其是單子葉植物）中GLVs會引起JA 的積累，但其他植物（主要是雙子葉植物）卻沒有這種反應(yīng)。因此，JA 似乎并不是GLVs啟動防御機(jī)制的共同因素（Gorman et al.，2020）。

4.6 GLVs 誘導(dǎo)植物氣孔防御

研究發(fā)現(xiàn)，GLVs 中的酯類物質(zhì)在植物對病原微生物的抗性防御中可調(diào)整氣孔的開閉狀態(tài)。經(jīng)（Z）-3-己基丙酸酯（HP）和（Z）-3-己基丁酸酯（HB）處理后，植物表現(xiàn)為氣孔閉合，病程相關(guān)基因PR被誘導(dǎo)表達(dá)，可以增強(qiáng)植物對細(xì)菌的抵抗力（López-Gresa et al.，2018）。氣孔關(guān)閉率的升高可以降低植物對細(xì)菌感染的敏感性，HB 介導(dǎo)的氣孔關(guān)閉在茄屬、煙草屬、擬南芥屬、紫花苜蓿、玉米屬和柑橘屬的植物中均有效，因此HB 被稱為具有潛在農(nóng)業(yè)應(yīng)用價(jià)值的天然氣孔閉合化合物，有助于植物的抗性防御。

5 展望

近年來，研究者們對GLVs 在植物防御生物脅迫和非生物脅迫過程中的作用都進(jìn)行了大量的研究。受損植物立即釋放大量的GLVs，不僅用于自身防御，還可以作為鄰近植物的“空中信使”，使那些感知到這些不穩(wěn)定信號的植物做好準(zhǔn)備，迎接即將到來的威脅。盡管這些化合物的直接保護(hù)活性被認(rèn)為是低水平的，但是其確實(shí)增強(qiáng)了面對侵害時(shí)植物的防御反應(yīng)。GLVs 誘導(dǎo)的防御反應(yīng)最初只在玉米中被發(fā)現(xiàn)，但此后已被證實(shí)在其他植物物種中不僅可以防御植食性昆蟲和病原微生物等生物脅迫，還可以防御非生物脅迫（Engelberth & Engelberth，2020）。

GLVs 不僅在植物的抗性防御中起重要作用，其獨(dú)特的風(fēng)味和香氣也賦予了每種植物獨(dú)特的氣味，被稱為植物的“綠色票據(jù)”（Gigot et al.，2010），近年來“綠色票據(jù)”產(chǎn)品的價(jià)值呈穩(wěn)定增長的趨勢。消費(fèi)者對水果、蔬菜和加工食品的選擇融合了對香氣、顏色等特征的綜合判斷，對天然香料香氣的需求也因?qū)】岛桶踩年P(guān)注而有所增加。因此，GLVs 將可能被廣泛應(yīng)用于食品和飲料行業(yè)（Fukushige & Hildebrand，2005）。

對GLVs 的不斷深入持續(xù)研究是未來趨勢，現(xiàn)今已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)理解“植物心理學(xué)”的時(shí)代，GLVs 在其中起著重要作用，類似于人類中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的神經(jīng)沖動。但是目前關(guān)于植物-昆蟲、植物-病原微生物相互作用的認(rèn)識僅限于少數(shù)植物種類，并且對其驅(qū)動的分子機(jī)制尚不完全清楚。今后需要全面了解這些信號傳導(dǎo)機(jī)制的遺傳和分子水平的信號通路，運(yùn)用生物技術(shù)手段，使植物能夠產(chǎn)生它們自己的“除蟲劑”和“殺菌劑”，運(yùn)用GLVs生物制劑生產(chǎn)出來的農(nóng)藥和抗菌劑也將減少有毒噴霧劑的使用，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本并保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

然而，隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)GLVs 不僅具有直接毒性和作為信號物誘導(dǎo)自身及鄰近植物進(jìn)入防御狀態(tài)的能力，也可以對防御產(chǎn)生反作用，個(gè)別揮發(fā)物可能同時(shí)具有這兩個(gè)角色，并在特定條件下相互轉(zhuǎn)換。如果在對揮發(fā)物-植食性昆蟲相互作用及揮發(fā)物-病原微生物相互作用缺乏了解的情況下，利用揮發(fā)物進(jìn)行抗性防御可能會導(dǎo)致相反的結(jié)果。以往關(guān)于GLVs 對植食性昆蟲的防御研究比較多，GLVs 與病原微生物的相互作用研究近來也受到廣泛重視，而不同GLVs、不同作物以及不同病原微生物種類之間的相互作用關(guān)系以及作用機(jī)制研究才剛剛起步，這也是今后深入研究的方向和目標(biāo)。植物自身防御機(jī)制的開發(fā)和利用必將為植物病蟲害綠色防控和生態(tài)環(huán)境保護(hù)做出重要貢獻(xiàn)。