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(guó)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(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中會(huì)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(huì)受到昆蟲(chóng)、真菌、細(xì)菌以及病毒等生物脅迫，直接影響植物的生長(zhǎng)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(guò)環(huán)境的選擇和改變得以緩解，而應(yīng)對(duì)生物脅迫主要通過(guò)挖掘抗病蟲(chóng)基因培育抗性品種，噴施農(nóng)藥進(jìn)行病蟲(chóng)害防治，以及利用天敵進(jìn)行生物防治等途徑來(lái)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(lái)愈大，抗性基因的抗性作用也受到限制，而農(nóng)藥的使用對(duì)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(guò)程中形成了許多抗性防御機(jī)制來(lái)應(yīng)對(duì)外來(lái)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(guò)程，這類(lèi)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(lèi)。其中，非揮發(fā)性次生代謝產(chǎn)物如生物堿、萜類(lèi)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(guò)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(jiǎn)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(chóng)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(guò)氧化物裂解酶（hydroperoxide lyase，HPL）催化形成（陳書(shū)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(huì)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^(guò)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(guò)醇脫氫酶、乙酰化作用和異構(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(chēng)為茉莉酸類(lèi)物質(zhì)（jasmonates，JAs）（Hirao et al.，2012）。JAs 在植物的生長(zhǎng)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(lèi)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(guò)影響外來(lái)生物如植食性昆蟲(chóng)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(chóng)侵害后釋放植物揮發(fā)物來(lái)吸引植食性昆蟲(chóng)的天敵等。GLVs 是植物揮發(fā)性防御化合物中的一類(lèi)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(duì)植食性昆蟲(chóng)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(duì)含量迅速提高，物質(zhì)種類(lèi)及數(shù)量均顯著增加（婁永根和程家安，2000），進(jìn)行信號(hào)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(hào)的植物能夠更有效地應(yīng)對(duì)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(chóng)的行為（Vancanneyt et al.，2001；Shiojiri et al.，2006；Qi et al.，2011；Tong et al.，2012）。Vancanneyt 等（2001）對(duì)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(chóng)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(duì)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(duì)煙草天蛾（Manduca sexta）的敏感性降低，易被煙草天蛾取食，抗蟲(chóng)能力減弱（Halitschke et al.，2004）。GLVs 還可以提高昆蟲(chóng)病原真菌的致病性和毒力，使植食性昆蟲(chóng)死亡（Lin et al.，2017）。

GLVs 可以充當(dāng)化學(xué)信息素，如植食性昆蟲(chóng)的驅(qū)蟲(chóng)劑，昆蟲(chóng)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(chóng)的天敵提供了可靠、準(zhǔn)確且易于鑒別的“線(xiàn)索”，以識(shí)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(chóng)的天敵定位寄主的信號(hào)，受害植物會(huì)根據(jù)取食者的不同物種、不同蟲(chóng)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(chóng)天敵（Anderson et al.，1995）。

3.2 對(duì)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(lèi)及劑量的不同使其在抑制病原菌孢子萌發(fā)、生長(zhǎng)及次級(jí)代謝等過(guò)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(jiàn)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(duì)黃曲霉菌（Aspergillus flavus）的抑制作用，發(fā)現(xiàn)這7種GLVs 均對(duì)黃曲霉菌菌絲生長(zhǎng)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(duì)植物揮發(fā)物與病原微生物相互作用關(guān)系的認(rèn)識(shí)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(guò)一些“損傷信號(hào)”的傳遞來(lái)調(diào)節(jié)自身的防御機(jī)制，對(duì)外來(lái)傷害做出反應(yīng)，GLVs 就是一種“損傷信號(hào)”，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(lái)抵御傷害。GLVs不僅能在植物自身中傳遞，還能對(duì)臨近植物產(chǎn)生預(yù)警信號(hào)，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(hào)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(lèi)物質(zhì)的釋放量，植物體中防御蛋白過(guò)氧化物酶、多酚氧化酶和苯丙氨酸解氨酶的含量也會(huì)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(duì)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(jí)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(chóng)的侵害后，被害植物會(huì)釋放出大量的揮發(fā)性物質(zhì)，這些物質(zhì)被稱(chēng)為植食性昆蟲(chóng)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(chóng)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(lèi)的化合物，例如萜類(lèi)化合物、綠葉揮發(fā)物、苯基丙烷類(lèi)/苯類(lèi)化合物以及芳香族化合物（Dicke et al.，2009）。這些HIPVs通過(guò)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(duì)植食性昆蟲(chóng)的天敵的吸引力取決于環(huán)境中不同營(yíng)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(chóng)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(huì)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(chóng)的天敵上具有相似作用。引誘來(lái)的昆蟲(chóng)天敵在花外蜜腺附近聚集，以捕食植食性昆蟲(chóng)。因此花外蜜腺也被稱(chēng)作“防御蜜腺”（Kawano et al.，1999；Heil et al.，2008）。

4.4 GLVs 調(diào)控植食性昆蟲(chóng)的行為

植食性昆蟲(chóng)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(lái)區(qū)分自己的寄主植物與非寄主植物。GLVs 可以影響蚜蟲(chóng)等植食性昆蟲(chóng)的取食行為，對(duì)植食性昆蟲(chóng)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(chóng)的繁殖行為（Vancanneyt et al.，2001）。因此，可以通過(guò)干擾植物本身GLVs的釋放來(lái)干預(yù)植食性昆蟲(chóng)的捕食、交配及產(chǎn)卵等行為，亦可以通過(guò)調(diào)整GLVs 的釋放對(duì)植食性昆蟲(chóng)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(chóng)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(guò)一種或多種常用的防御信號(hào)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(hào)傳導(dǎo)調(diào)節(jié)多種不同的生理過(guò)程，通過(guò)誘導(dǎo)防御性代謝產(chǎn)物（如蛋白水解酶）或釋放VOCs（如GLVs）來(lái)進(jìn)行植物防御，是對(duì)機(jī)械傷害（自然傷害、人為傷害和植食性昆蟲(chóng)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(duì)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(duì)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(huì)引起JA 的積累，但其他植物（主要是雙子葉植物）卻沒(méi)有這種反應(yīng)。因此，JA 似乎并不是GLVs啟動(dòng)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(lèi)物質(zhì)在植物對(duì)病原微生物的抗性防御中可調(diào)整氣孔的開(kāi)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(duì)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(duì)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(chēng)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(lái)，研究者們對(duì)GLVs 在植物防御生物脅迫和非生物脅迫過(guò)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(hào)的植物做好準(zhǔn)備，迎接即將到來(lái)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(duì)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(chóng)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(chēng)為植物的“綠色票據(jù)”（Gigot et al.，2010），近年來(lái)“綠色票據(jù)”產(chǎn)品的價(jià)值呈穩(wěn)定增長(zhǎng)的趨勢(shì)。消費(fèi)者對(duì)水果、蔬菜和加工食品的選擇融合了對(duì)香氣、顏色等特征的綜合判斷，對(duì)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(duì)GLVs 的不斷深入持續(xù)研究是未來(lái)趨勢(shì)，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(lèi)似于人類(lèi)中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的神經(jīng)沖動(dòng)。但是目前關(guān)于植物-昆蟲(chóng)、植物-病原微生物相互作用的認(rèn)識(shí)僅限于少數(shù)植物種類(lèi)，并且對(duì)其驅(qū)動(dòng)的分子機(jī)制尚不完全清楚。今后需要全面了解這些信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制的遺傳和分子水平的信號(hào)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(chóng)劑”和“殺菌劑”，運(yùn)用GLVs生物制劑生產(chǎn)出來(lái)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(hào)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(duì)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(duì)揮發(fā)物-植食性昆蟲(chóng)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(huì)導(dǎo)致相反的結(jié)果。以往關(guān)于GLVs 對(duì)植食性昆蟲(chóng)的防御研究比較多，GLVs 與病原微生物的相互作用研究近來(lái)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(lèi)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(kāi)發(fā)和利用必將為植物病蟲(chóng)害綠色防控和生態(tài)環(huán)境保護(hù)做出重要貢獻(xiàn)。