揮發(fā)性有機化合物在植物適應(yīng)脅迫及生理生態(tài)中的作用

胡書婧，張汝民

（1. 浙江農(nóng)林大學(xué) 浙江省森林芳香植物康養(yǎng)功能研究重點實驗室，浙江 杭州 311300；2. 浙江農(nóng)林大學(xué) 省部共建亞熱帶森林培育國家重點實驗室，浙江 杭州 311300）

國外學(xué)者于20世紀(jì)60年代首次發(fā)現(xiàn)揮發(fā)性有機化合物(VOCs)[1]，之后逐步在VOCs的合成、調(diào)控及功能等方面開展研究。中國學(xué)者從20世紀(jì)80年代開始對VOCs開展研究[2–4]，主要在室內(nèi)空氣污染、工業(yè)污染治理、VOCs釋放調(diào)查分析及測定技術(shù)等方面。王泰等[5]分析了工業(yè)鄉(xiāng)村混合區(qū)VOCs垂直分布特征，得出受環(huán)境影響，各高度VOCs釋放量和組分差異明顯。王峰等[6]研究了VOCs源不確定性對臭氧生成及污染防治的影響，發(fā)現(xiàn)VOCs源不確定性影響臭氧(O3)形成過程中NOx和VOCs 敏感區(qū)的判斷。隨著環(huán)境問題日益嚴(yán)重，VOCs成為研究熱點。VOCs按來源分可以分為人為源和植物源，植物源是全球VOCs的最大來源，約占VOCs總釋放的90%[3,7?8]。國內(nèi)VOCs相關(guān)綜述主要在人為源VOCs方面的吸附、治理等[9?11]，而對于植物遭受脅迫后，VOCs合成與釋放及在植物中的作用尚缺乏相關(guān)綜述。

植物VOCs主要分為萜類、苯類、苯丙類化合物和脂肪酸衍生物，它們通常是具有低分子量高蒸汽壓的親脂性液體，可以通過膜自由穿梭，在沒有擴散屏障的情況下釋放到環(huán)境中[12?13]。在不同環(huán)境中植物VOCs釋放發(fā)生改變，高溫條件下單萜、倍半萜和酚類釋放減少，儲存在導(dǎo)管中的單萜釋放增加，綠葉揮發(fā)物(GLVs)釋放增加[13?19]，機械損傷后GLVs釋放量增加[20?23]。在生物脅迫中，單萜、倍半萜釋放增加[24?28]。植物釋放VOCs能夠幫助植物抵御惡劣環(huán)境，也可參與植物直接防御和間接防御。此外，植物VOCs參與大氣化學(xué)反應(yīng)，如在臭氧產(chǎn)生和二次氣溶膠形成中發(fā)揮作用[29?31]。因此，全面了解植物VOCs釋放及作用對環(huán)境治理具有重要意義。本研究綜述了植物VOCs釋放受不同環(huán)境因素的影響，同時對植物VOCs的合成及儲存、生理生態(tài)作用進行剖析，為推進植物VOCs領(lǐng)域相關(guān)研究提供參考。

1 植物VOCs的生物合成及儲存

1.1 VOCs的生物合成

植物VOCs中第一大類是萜類，它們是由2個獨立且細胞分區(qū)不同的甲基赤蘚糖磷酸(methylerythritol phosphate , MEP)途徑和甲羥戊酸(mevalonic acid , MVA)途徑合成[32?34]。MEP途徑位于質(zhì)體中，包括7步酶促反應(yīng)，從丙酮酸和甘油醛-3-磷酸(G3P)縮合開始，主要合成揮發(fā)性的異戊二烯、單萜和二萜[33?34]。最近研究表明：在金魚草Antirrhinum majus花中，倍半萜類的生物合成由MEP途徑單獨完成[35]。MVA途徑位于細胞質(zhì)、過氧化物酶體和線粒體中，包括6種酶促反應(yīng)，從乙酰輔酶A開始，主要合成揮發(fā)性的倍半萜和三萜[34]。MEP和MVA途徑之間通過轉(zhuǎn)運體連接，目前，這些轉(zhuǎn)運體還有待進一步研究。植物VOCs的第二大類是苯丙類、苯類，主要分為苯丙烷類、苯類和苯丙類相關(guān)化合物[36]。它們的生物合成來自于莽草酸途徑產(chǎn)生的苯丙氨酸(phenylalanine, Phe)，苯丙烷類直接通過Phe合成，苯類和苯丙類相關(guān)化合物通過β氧化、非β氧化或者兩者結(jié)合的方式合成[37]，合成苯丙烷類的基因和酶還需進一步探究。植物VOCs的第三大類是脂肪酸衍生物，包括GLVs和茉莉酸甲酯等，它們由C18不飽和脂肪酸通過脂氧合酶途徑合成[38?39]。不飽和脂肪酸進行定向立體氧化形成C13和C9的氫過氧化物中間體，進而在裂解酶作用下形成GLVs，而C13中間體通過環(huán)化形成茉莉酸，進而形成茉莉酸甲酯[39]。

1.2 VOCs的儲存

大部分植物VOCs合成后儲存并積累在不同的組織結(jié)構(gòu)和細胞中，針葉樹儲存在導(dǎo)管、樹脂管[40]或韌皮薄壁細胞簇[41]；被子植物儲存在葉片油腺細胞或腺體[42]。在葉片中VOCs的存儲方式有2種：第1種是指特異性儲存的VOCs，包括萜類和非萜類化合物(主要是苯類化合物)，它們在葉片中達到較高含量，并且儲存是永久性的；第2種是非特定儲存的化合物，它們暫時以非常小的含量儲存在葉片水相和脂相中，包括水溶性VOCs (如GLVs、丙酮、乙醛、甲醇和芳樟醇等)以及大多數(shù)疏水性單萜和倍半萜[43]。

植物幾乎所有的器官都釋放VOCs[44?45]。大部分VOCs釋放發(fā)生在植物整個生命周期中，或者特定的發(fā)育階段(如葉片成熟、衰老、花開放和果實成熟)[46]。其他VOCs釋放在生物脅迫或非生物脅迫影響后誘導(dǎo)產(chǎn)生。脅迫引起的植物VOCs釋放有2種：一種是立即釋放，包括儲存在特定結(jié)構(gòu)(如針葉樹的導(dǎo)管、薄荷Mentha canadensis的腺體等[40,47])中VOCs的釋放，釋放原因與脅迫后VOCs的飽和蒸氣壓發(fā)生改變有關(guān)，這類VOCs包括單萜、倍半萜，它們在植物抵御脅迫中直接發(fā)揮作用或作為信號分子；另一種是很長時間后的釋放，即誘導(dǎo)生物合成途徑產(chǎn)生VOCs并釋放，釋放原因與脅迫后能量和碳底物再分配有關(guān)，誘導(dǎo)產(chǎn)生的VOCs包括GLVs及萜類等，它們在植物啟動防御反應(yīng)中發(fā)揮作用[22]。

2 生物因素對VOCs釋放的影響

當(dāng)植物受到食草昆蟲破壞時，營養(yǎng)組織釋放出VOCs[24?27]，NYK?NEN等[48]對1980—2000年的數(shù)據(jù)分析指出：當(dāng)食草昆蟲啃食對植物造成損傷時，植物體內(nèi)產(chǎn)生的VOCs會有一部分揮發(fā)性特別強。植物釋放VOCs種類由植物和昆蟲種類不同而異：螨蟲Eriophyes mites感染椴樹Tilia cordata、舞毒蛾Lymantria dispar取食夏櫟Quercus robur以及桃蚜Myzus persicae侵害桃樹Prunus persica后，單萜、倍半萜及GLVs釋放增加[26?27,49]。舞毒蛾幼蟲取食冬青櫟Quercus ilex后，茉莉酸甲酯釋放增加[22]。白星花金龜侵害玉米Zea mays后，2-甲基丙醇、2-甲基丁醇和順-3-己烯醇顯著增加，它們的釋放可能與儲存結(jié)構(gòu)中飽和蒸氣壓改變有關(guān)或依賴于生物合成中相關(guān)基因表達水平上調(diào)有關(guān)。而COPOLOVICI等[26]研究發(fā)現(xiàn)舞毒蛾取食夏櫟后，異戊二烯釋放量減少7倍多。

除了食草動物以外，真菌、細菌等病原體感染也會影響植物VOCs釋放。銹菌Melampsora epitea侵染雜交柳樹Salix burjatica×S. dasyclados后，異戊二烯釋放減少，單萜中β-羅勒烯釋放增加，總單萜釋放量無明顯變化，倍半萜和GLVs增加，侵染后6 d，VOCs釋放量增加到未侵染時的6倍[28]。線蟲Xiphinema index侵染葡萄Vitis vinifera后，β-羅勒烯和檸檬烯釋放減少，α-法尼烯和α-佛手烯釋放增加[50]。鐮刀菌Fusariumspp.侵染小麥Triticum aestivum后，(Z)-3-己烯醛、(E)-2-己烯醛、(E)-2-己烯醇以及芳樟醇和香葉烯釋放增加[51]。真菌、細菌等病原體侵染植物后，異戊二烯釋放減少，倍半萜及GLVs釋放增加。

此外，植物互作對VOCs釋放的影響也有研究，但是相對較少[52?53]。樺樹Betula verrucosa葉片接收鄰近植物產(chǎn)生的VOCs信號并釋放特定VOCs以防御食草動物[54]。受損葉片會啟動或誘導(dǎo)同一植物的完整葉片或附近未受攻擊的植物的防御反應(yīng)，同一植物完整葉片及鄰近植物VOCs釋放增加[55?56]。

3 非生物因素對VOCs釋放的影響

3.1 光照

光照是影響植物VOCs釋放的重要環(huán)境因子，不同VOCs釋放的光依賴性不同。異戊二烯、β-羅勒烯等組成型VOCs釋放依賴于光照，光照強度增加，異戊二烯的釋放速率增加，葉片迅速黑暗處理時，異戊二烯的釋放量迅速下降至接近零[57]。GUENTHER等[58]研究發(fā)現(xiàn)植物釋放異戊二烯對光照依賴性與電子傳遞密切相關(guān)。意大利五針?biāo)蒔inus pinea釋放β-羅勒烯依賴于光照[23]。百合Lilium brownii‘Siberia’花花瓣中單萜的生物合成和釋放受光照的影響，光照強度增加觸發(fā)Ca2+進入細胞質(zhì)，MEP途徑下游單萜合成酶的基因表達被激活，從而調(diào)節(jié)單萜的生物合成和釋放[59]。而儲存在導(dǎo)管或油腺細胞中單萜釋放不受光照的影響，光照和黑暗都釋放，如α-蒎烯、D-檸檬烯[23]。誘導(dǎo)型VOCs釋放隨著光照增加而增加。番茄Lycopersicon esculentum傘形烯釋放隨著連續(xù)光照脅迫而增加[60]，這種化合物可能是由葉綠體中的光合碳形成，與儲存在樹脂導(dǎo)管中的其他單萜來源不同。

3.2 二氧化碳(CO2)

CO2是進行光合作用的重要基礎(chǔ)物質(zhì)，CO2濃度影響植物VOCs釋放。在較低CO2濃度下，針葉中邊合成邊釋放的芳樟醇和β-法尼烯增加。CO2濃度升高，美洲黑楊Populus deltoides異戊二烯釋放減少，這是由于高CO2濃度提高了光合作用，加速植物初級代謝物的積累，碳源更多的偏向初級代謝產(chǎn)物的合成[61]。CO2濃度增加，植物儲存結(jié)構(gòu)中VOCs釋放增加[62]。CO2濃度升高，樟子松Pinussylvestris幼樹針葉中α-蒎烯釋放增加[63]。在高CO2條件下的高光合碳促進檸檬烯的釋放。而HUANG等[64]研究發(fā)現(xiàn)：CO2濃度改變，在挪威云杉Picea abies針葉中儲存的單萜成分保持不變。CO2濃度過高，部分VOCs釋放受到抑制。CO2質(zhì)量濃度為700 mg·L?1時，冬青櫟3種單萜合酶活性下降，導(dǎo)致α-蒎烯、β-蒎烯和檜烯釋放受到一定程度抑制[65]。

3.3 溫度

溫度也是影響植物VOCs釋放的重要因素。高溫下，組成型VOCs釋放降低。高溫條件下，玉米中邊合成邊釋放的單萜、倍半萜和酚類化合物降低[66]。溫度高于45 ℃時，植物釋放異戊二烯降低[15]。這是由于當(dāng)溫度高于最適溫度時，初級代謝下調(diào)或受損，進入MEP途徑的光合代謝物供應(yīng)不足，萜類合成受到抑制。而高溫條件，儲存型和誘導(dǎo)型VOCs釋放增加。隨溫度升高，挪威云杉單萜和倍半萜釋放量增加。溫度升高，桉樹α-蒎烯釋放增加[58]。溫度高于45 ℃時，植物釋放單萜和GLVs增加[15]。這是由于溫度影響植物存儲結(jié)構(gòu)中VOCs的飽和蒸汽壓，而高溫誘導(dǎo)合成途徑產(chǎn)生新的VOCs。葉肉細胞中具有臨時池可儲存一些VOCs，這些VOCs是在濃度驅(qū)動下釋放，受到氣孔導(dǎo)度的限制，高溫會影響氣孔導(dǎo)度的開合進而影響臨時池中VOCs的釋放[44]。

3.4 水分

水分是植物生長所必需的因素，水分缺失影響植物VOCs釋放。干旱誘導(dǎo)樺樹Betula pendulaGLVs大量釋放，干旱脅迫前2 d，α-蒎烯和檜烯釋放增加。干旱脅迫夏櫟和黑櫻桃Prunus serotina，異戊二烯和水楊酸甲酯釋放增加[67]。PARVEEN等[68]研究發(fā)現(xiàn)：短期干旱脅迫后，異戊二烯釋放增加是因為轉(zhuǎn)錄后調(diào)控異戊二烯合酶活性影響異戊二烯釋放。輕度干旱脅迫下，植物可通過生理調(diào)節(jié)而不影響植物VOCs的釋放；中度干旱脅迫下，植物為了保護細胞抵抗干旱脅迫將更多碳底物分配給VOCs合成，VOCs釋放增加；重度干旱脅迫，植物細胞受損，VOCs釋放減少[68]，如在嚴(yán)重干旱脅迫下，由于缺乏碳底物和(或)ATP，限制冬青櫟單萜的合成，復(fù)水后，釋放立即恢復(fù)，但釋放水平低于正常水平[69]。

3.5 機械損傷

機械損傷代表植物受到傷害的臨界脅迫，也會影響植物VOCs的釋放。機械損傷的植物葉片，儲存型VOCs和誘導(dǎo)型VOCs釋放增加。通過機械損傷模擬食草動物傷害的研究表明：械損傷后GLVs和單萜釋放增加[70]。無論是光照還是黑暗下，機械損傷的針葉導(dǎo)管中單萜類大量釋放，主要是檸檬烯和α-蒎烯[23]。FEDERICO等[20]研究發(fā)現(xiàn)：機械損傷后GLVs釋放瞬時大量增加。HU等[59]研究發(fā)現(xiàn)：機械損傷后，雜交楊樹Populus simonii×P. pyramidalis釋放醛類顯著增強，隨著時間的變化，這些醛類釋放出現(xiàn)2個峰。機械損傷后，植物釋放1,8-桉樹腦、α-蒎烯和對傘花烴等儲存在油細胞中的VOCs、以及(Z)-3-乙酸己烯酯、(E)-2-己烯醛和(Z)-3-己烯-1-醇等誘導(dǎo)產(chǎn)生的VOCs[71]。ASAI等[72]研究發(fā)現(xiàn)：機械損傷后，不同柑橘Citrus reticulata損傷葉片都誘導(dǎo)了α-法尼烯釋放。

4 復(fù)合環(huán)境因素對VOCs釋放的影響

生物因素對植物VOCs的釋放不盡相同。病原體感染與食草動物取食后，同一植物釋放VOCs種類差異明顯。樺樹被食草動物取食后，釋放VOCs種類有羅勒烯、(E)-4,8-二甲基-1,3,7-壬三烯(DMNT)、芳樟醇和茉莉酸甲酯，而真菌感染后，釋放VOCs種類只有羅勒烯和芳樟醇[73]?；ㄉ鶤rachis hypogaea被食草動物取食后僅誘導(dǎo)DMNT，而病原體感染后，VOCs釋放種類包括DMNT和水楊酸甲酯[74]。玉米被真菌感染使僅由鱗翅目Lepidoptera昆蟲誘導(dǎo)的VOCs釋放降低了約50%[75]。

非生物脅迫交互作用中，高溫和干旱是夏季影響植物VOCs的主要因素，兩者交互作用下，植物VOCs釋放增加。刺槐Robinia pseudoacacia異戊二烯釋放量增加6 ～8倍，產(chǎn)生的碳損失相當(dāng)于同化碳的12% ～20%[16]。STAUDT等[17]研究表明：高溫和干旱復(fù)合脅迫短葉櫟Q. pubescens和冬青櫟釋放異戊二烯增加。在25和35 ℃進行干旱脅迫時，黑楊Populus nigra釋放異戊二烯只有在干旱時間延長時減少，這表明在中度干旱脅迫以及2種溫度下，黑楊釋放異戊二烯在轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄后水平上受到更嚴(yán)格的控制[18]。此外，臭氧與其他脅迫交互作用時，植物VOCs釋放受臭氧影響更為明顯。不同脅迫下植物釋放VOCs隨臭氧劑量的變化而變化[30]。干旱與低CO2濃度交互作用時，薄荷中單萜濃度保持相對恒定[76]。

生物與非生物脅迫交互作用下，植物VOCs釋放增強。在較高光照強度下受病原體感染的小麥釋放VOCs成倍增加[51]。澇害脅迫與病原體感染交互作用時，在一定范圍內(nèi)隨著濕度增加，受感染小麥釋放VOCs增加[77]。澇害脅迫與食草動物取食交互作用時，蠶豆Vicia fabaVOCs釋放增加，并吸引了食草動物卵的寄生蟲[78]。干旱與昆蟲取食交互作用時，歐洲榿木Alnus glutinosaGLVs和單萜釋放更強且更早達到最大值，并誘導(dǎo)水楊酸甲酯釋放，這表明干旱和草食動物聯(lián)合脅迫下植物對草食動物的抗性更強[79]。臭氧與機械損傷交互作用時，桉樹葉片釋放組成性VOCs (異戊二烯)增加，釋放誘導(dǎo)型VOCs(LOX產(chǎn)物、萜類和苯類)增加，進一步說明了交互作用在誘導(dǎo)型VOCs釋放響應(yīng)中的重要作用[31]。

5 VOCs在生理生態(tài)中的作用

5.1 VOCs在生物防御中的作用

植物通過釋放有毒、趨避、反營養(yǎng)的VOCs，防御食草動物和病原體，是一種自我保護。在棉花Gossypium hirsutum中，杜松烯的衍生物棉酚可防御病蟲害，體外實驗中，發(fā)現(xiàn)大量揮發(fā)性萜類具有抗微生物的活性[80]。β-石竹烯在擬南芥Arabidopsis thaliana防御病原菌中起到重要作用[81]。除此之外，植物釋放VOCs能吸引食草動物的天敵，如寄生蜂Parasitoid wasp或捕食性螨Phytoseiulus persimilis，保護信號植物免受進一步傷害[82]。1980年，PRICE等[83]首次提出植物-昆蟲-天敵的三級營養(yǎng)關(guān)系，隨后DICKE[84]系統(tǒng)地研究并確定了植食性昆蟲誘導(dǎo)的植物揮發(fā)物(herbivore-induced plant volatiles，HIPVs)在三級營養(yǎng)關(guān)系中的信號功能。植物葉片上的昆蟲卵可誘導(dǎo)植物釋放HIPVs，吸引寄生蜂，保護植物免受其他昆蟲傷害。植物釋放萜烯具有很強的特異性，過表達萜烯合成酶的轉(zhuǎn)基因植物在三級營養(yǎng)關(guān)系中具有相關(guān)作用[85]，水稻Oryza sativa中，芳樟醇和β-石竹烯的合成酶不表達時，會引起特定昆蟲的聚集，而水稻合成并釋放芳樟醇和β-石竹烯能吸引昆蟲的捕食者，這突出了植物VOCs在決定昆蟲群落結(jié)構(gòu)中的重要性[86]。

VOCs信號在植物間的傳遞有4個步驟：當(dāng)食草動物攻擊植物后，植物受損組織釋放信號、信號傳輸、同一或鄰近植物接收信號并做出相應(yīng)防御反應(yīng)。早在1983年已經(jīng)發(fā)現(xiàn)植物受損組織釋放VOCs可能刺激鄰近植物發(fā)生變化，影響植食性昆蟲攝食[87]，二斑葉螨Tetranychus urticae攻擊植物后，植物釋放VOCs可吸引捕食性螨，VOCs作為線索被鄰近植物接收，使鄰近植物對斑葉螨敏感性降低[88]。食草動物攻擊植物，既可誘導(dǎo)局部受損組織釋放VOCs，也可誘導(dǎo)系統(tǒng)性未受損組織釋放VOCs，并且釋放呈現(xiàn)不同的時間模式[89]。煙草Nicotiana tabacum只在夜間釋放幾種由食草動物誘導(dǎo)的VOCs，它們能擊退在夜間尋找產(chǎn)卵的煙芽夜蛾Heliothis virescens[90]。植物釋放的VOCs對鄰近競爭性植物的萌發(fā)、生長和發(fā)育能起到化感作用[91]。在自然界中，植物面對許多不同的線索和信號，可以影響或改變植物VOCs生理特征，從而改變它們與鄰近植物的相互作用。

5.2 VOCs在抵抗非生物脅迫中的作用

VOCs在植物抵御非生物脅迫中也有重要的作用。植物釋放異戊二烯使其具有較高的耐熱性[14?15]，紅櫟Quercus rubra和葛Pueraria lobata葉片用膦胺霉素處理后，短暫高溫脅迫光合作用受到抑制，再用外源異戊二烯熏蒸后，光合作用有一定程度的恢復(fù)[92]，揮發(fā)性萜類可保護植物光合器官和光合作用，從而增強植物在高溫下的耐熱性[93]，膦胺霉素抑制冬青櫟葉片單萜合成，冬青櫟葉片光合耐熱性下降，而單萜熏蒸后，冬青櫟葉片耐熱性部分恢復(fù)[94]。VOCs也具有抗氧化作用，在強光、高溫和嚴(yán)重干旱下，植物釋放的異戊二烯可抵御光氧化脅迫[19]，在受氧化應(yīng)激的植物中，異戊二烯可淬滅氮活性物質(zhì)，也可以作為信使分子發(fā)揮重要作用[95]，植物異戊二烯的生物合成受到抑制后，光合作用下降、活性氧積累并且細胞膜迅速過氧化，表明異戊二烯可保護葉片免受氧化損傷，當(dāng)膦胺霉素抑制植物單萜類合成時，冬青櫟對臭氧很敏感；釋放異戊二烯的轉(zhuǎn)基因煙草比非釋放異戊二烯的野生型煙草對臭氧毒性更具有抗性[96]。

6 展望

在過去的幾十年里，國內(nèi)外對植物VOCs生物合成、儲存、釋放和功能等方面研究較多，并在植物適應(yīng)環(huán)境與生物防御和抵抗非生物脅迫的生理生態(tài)中的作用等方面取得了重要進展。但是，目前對植物VOCs生物合成和釋放的分子調(diào)控機制研究較少，復(fù)合環(huán)境因子交互作用對植物VOCs釋放及其影響機制等方面研究還處于初步探索階段。隨著全球氣溫升高，大氣CO2濃度升高，以及極端天氣的頻發(fā)，研究多種環(huán)境因子對VOCs釋放的影響，有助于進一步探究植物-環(huán)境間相互作用和植物VOCs的釋放變化如何影響環(huán)境，進而為保護環(huán)境提供新的思路。