植物揮發性有機化合物在農業病害防控中的潛能與應用

馬迪成, 竇道龍, 劉 峰

(1. 中國農業大學 植物保護學院，北京 100193；2. 山東農業大學 植物保護學院，山東 泰安 271018)

植物病害每年造成的作物損失高達2 200 億美元[1]，嚴重威脅全球糧食安全。選育抗病品種是田間防治植物病害最經濟有效的策略[2]，但傳統的抗病育種策略通常需要連續幾代的輪回選擇，且獲得的抗病性很容易被病原菌通過突變而逆轉[3]。農藥的使用依然是控制植物病害的最常用手段，但殺菌劑的不合理或不科學使用會導致生產成本增加、抗藥性水平提高并帶來環境污染的風險[3]。因此，現階段的農業可持續發展需要尋找更多新的手段，尤其是尋找可以替代傳統農藥的解決方案。

植物揮發性有機化合物 (volatile organic compounds, VOCs) 作為氣傳信號，不僅可以使植物在器官之間快速發出防御信號[4]，實現植物之間的通訊[5]，還可以響應生物和非生物脅迫而釋放[6]。植物VOCs 可通過吸引寄生性昆蟲和天敵的方式來抵御食草昆蟲的攻擊[7-8]，能夠有效抑制多種植物病原菌的生長和增殖[9]，或直接誘導植物防御系統的啟動來抵抗病原菌的入侵[10]。前人針對生物脅迫誘導釋放的植物VOCs，主要從生物合成與調控、信號傳遞和生態功能等方面展開了討論[5-6,8]。本文擬綜述植物VOCs 在農業病害防控中的研究進展，包括其對病原微生物的直接抑制活性和植物免疫誘導活性，旨在為進一步挖掘植物VOCs 在可持續病害防控中的潛能，減少傳統化學農藥對食品和環境安全帶來的風險提供參考。

1 植物VOCs 的生物合成

植物VOCs 由化學成分多樣的有機化合物組成，通常具有沸點低、親脂性、易揮發和分子質量低等特點[11-12]。截至2006 年，已經從被子植物和裸子植物的90 個不同科中鑒定出1 700 多種VOCs[13]。VOCs 的生物合成依賴于植物體初級代謝提供的碳、氮和硫元素[14]。根據VOCs 的生物合成來源，主要可分為萜類、苯類/苯丙烷類、脂肪酸衍生物和氨基酸衍生物等。以下分別按萜類VOCs、苯類和苯丙烷類VOCs、脂肪酸衍生物類VOCs、支鏈氨基酸衍生物類VOCs、乙烯 (ethylene,ET) 和一氧化氮的生物合成研究進展進行綜述。

1.1 萜類VOCs 的生物合成

萜類化合物是植物體次生代謝物中數量最多的一類，含有許多揮發性成分。它們來源于兩種常見的C5前體，分別為異戊烯焦磷酸 (isopentenyl pyrophosphate, IPP) 及其烯丙基異構體二甲烯丙基焦磷酸 (dimethylallyl pyrophosphate, DMAPP)[15]。在植物中，甲羥戊酸 (mevalonic acid, MVA) 和甲基赤蘚糖磷酸 (methylerythritol phosphate, MEP) 兩個途徑負責萜類VOCs 的生物合成。其中，MVA途徑產生揮發性倍半萜 (C15)，而MEP 途徑則提供揮發性半萜 (C5) 和單萜 (C10) 的前體。MVA 途徑有6 個酶促反應，而MEP 途徑包括7 個酶促反應。IPP、DMAPP、牻牛兒基焦磷酸 (geranyl pyrophosphate, GPP) 和法尼焦磷酸 (farnesyl pyrophosphate, FPP) 通過連接代謝物促進MVA 和MEP 通路之間的串擾。

1.2 苯類和苯丙烷類VOCs 的合成

植物VOCs 的第二大類是苯類和苯丙烷類化合物[13]，它們來源于芳香族氨基酸苯丙氨酸。7 種莽草酸途徑的酶促反應和3 種阿羅酸途徑的酶促反應將碳代謝與苯丙氨酸連接起來[16-17]。莽草酸途徑的直接前體磷酸烯醇式丙酮酸 (phosphoenolpyruvate, PEP) 和赤蘚糖-4-磷酸 (erythrose 4-phosphate, E4P) 分別來自糖酵解和磷酸戊糖途徑。大多數苯類/苯丙烷類化合物生物合成的第1 步是由苯丙氨酸解氨酶催化苯丙氨酸脫氨生成反式肉桂酸[14]。由反式肉桂酸生成苯類化合物需要通過β-氧化或非β-氧化途徑縮短丙基側鏈的兩個碳。揮發性苯丙烯，如丁香酚和異丁香酚，其初始生物合成步驟與木質素生物合成途徑有部分重合，需要兩次酶促反應來消除C9位置的氧[14]。含氮或硫的VOCs 通過修飾氨基酸或其前體的裂解反應合成，如揮發性吲哚是由鄰氨基苯甲酸產生的。水楊酸 (salicylic acid, SA) 在植物中通過兩種途徑合成：一種是通過反式肉桂酸獲得，另一種是通過異分支酸 (isochorismate, IC) 獲得。在甲基轉移酶的催化下，一個甲基從供體分子S-腺苷甲硫氨酸 (S-adenosylmethionine, SAM) 轉移到SA 的羧基上，從而合成了水楊酸甲酯 (methyl salicylate,MeSA)[18]。

1.3 脂肪酸衍生物類VOCs 的合成

1.4 支鏈氨基酸衍生物類VOCs 的合成

許多VOCs，尤其是那些在花香和水果香氣中含量豐富的化合物，來源于氨基酸，如丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸和甲硫氨酸，或其生物合成的中間體[13]。植物中這些氨基酸衍生物類揮發物的生物合成與在細菌或酵母中發現的方式相似[22-24]。在微生物中，氨基酸經過氨基轉移酶催化的脫氨或轉氨作用，形成相應的α-酮酸[25]。這些α-酮酸可以進一步脫羧，之后經還原、氧化和/或酯化形成醛、酸、醇和酯[14]。

1.5 乙烯和一氧化氮的合成

乙烯是一種結構簡單的功能多樣性氣體植物激素，其生物合成路線見圖1a。

圖1 乙烯和一氧化氮的生物合成途徑[26-27]Fig. 1 Biosynthetic pathways of ethylene and nitric oxide [26-27]

植物通過3 個關鍵酶促反應生成乙烯： 1)S-腺苷甲硫氨酸合成酶 (S-adenosylmethionine synthase) 催化甲硫氨酸生成SAM； 2) ACC 合成酶 (ACC synthase, ACS) 催化SAM 裂解為1-氨基環丙烷-1-羧酸 (1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid, ACC) 和甲硫腺苷 (5′-methylthioadenosine,MTA)； 3) ACC 氧化酶 (ACC oxidase, ACO) 催化裂解ACC 釋放乙烯[26]。一氧化氮在植物細胞內普遍存在并廣泛參與抗病防御反應，其生物合成路線見圖1b。植物中的一氧化氮主要來源于依賴精氨酸的氧化途徑和依賴亞硝酸鹽的還原途徑。一氧化氮合酶 (nitric oxide synthase, NOS) 催化L-精氨酸生成瓜氨酸，并釋放一氧化氮。硝酸還原酶(nitrate reductase, NR) 作為植物氮同化過程中的關鍵酶，先利用NADPH 作為電子供體催化硝酸鹽生成亞硝酸鹽，后繼續催化亞硝酸鹽還原成一氧化氮[27]。

2 植物VOCs 的收集及分析

VOCs 通常以混合物的形式在植物周圍的空間中稀釋，因此需要特殊的儀器和方法來收集，并以足夠的分辨率和靈敏度對其進行分析[28]。VOCs在植物生命周期中的重要作用，以及隨著研究者對這些代謝物在生物化學、生理學和生態學方面研究興趣的增加，促進了頂空取樣和分析方法的發展[29]。

2.1 植物VOCs 的收集方法

植物VOCs 的收集方法主要包括在吸附劑上進行靜態或動態收集揮發物，熱解吸或用溶劑解吸后進行色譜分離和質譜分析[30-31]。根據特定的試驗目的，可以從一株完整的植物或其某個部分 (原位) 收集VOCs，也可以在密封容器中從分離的植物部分 (非原位) 收集[29]。在進行靜態頂空取樣時，容器內沒有空氣循環；而在進行動態頂空取樣時，空氣被不斷地循環利用或從外部吸入[31]。溶劑解吸是近10 年來VOCs 研究中最常用的采樣方法之一，其優勢在于收集的液體樣品可被長時間儲存[30]。與溶劑解吸相比，熱解吸可有效避免樣品被稀釋，解吸效率更高。熱解吸還可以減少樣品制備的時間和有機溶劑中的雜質對后續分析的干擾，但該方法對吸附材料和待檢測VOCs 的熱穩定性要求較高[31]。常用于靜態采樣的固相微萃取 (solid phase microextraction, SPME) 技術就是通過熱解吸的方法釋放吸附在纖維上附著的VOCs，一般只能對采集的樣本進行一次性分析。相比之下，常用于動態采樣的溶劑解吸可以通過氣相色譜 (GC)、氣相色譜-質譜 (GC-MS) 和氣相色譜-觸角電位檢測 (GC-EAD) 對收集的樣品進行多次分析[29]。

2.2 植物VOCs 的分析方法

對VOCs 進行定性和定量分析最常用的技術包括：1) 基于氣相色譜的技術，如GC-MS、氣相色譜-火焰離子化檢測器 (GC with flame ionization detector, GC-FID) 和熱解吸-氣相色譜-質譜 (thermal desorption-GC-MS, TD-GC-MS)；2) 基于軟電離的質譜技術，如選擇離子流量管-質譜 (selected ion flow tube-MS, SIFT-MS) 和質子轉移反應-質譜(proton transfer reaction-MS, PTR-MS)。氣相色譜法是一種適用于植物VOCs 定性和定量分析的成熟技術。色譜柱是氣相色譜儀的核心組件，主要分為填料色譜柱和毛細管色譜柱兩種。利用氣相色譜技術研究植物VOCs 的主要優點包括：1) 樣品儲存時間長；2) 靈敏度高；3) 特異性強；4) 儀器定制成本低；5) 便攜性強。氣相色譜儀的主要缺點是不能對樣品進行實時分析。SIFT-MS 是一種利用H3O+、NO+和作為前體離子對VOCs進行化學電離的技術，其用于植物VOCs 研究的主要優點包括：1) 可實現VOCs 的實時測定；2) 可根據實驗目的選擇不同的前體離子；3) 可直接進行定量分析；4) 不需要用氣體標準來進行校正。SIFT-MS 的主要缺點是難以鑒定異構體。PTRMS 是一種利用H3O+檢測作為前體離子對VOCs進行電離的實時檢測技術，其用于植物VOCs 研究的主要優點包括：1) 是靈敏度最高的VOCs 實時研究設備；2) 可搭配不同前體離子增強分析能力；3) 通過改變電極參數就可以提高儀器分析能力。PTR-MS 的主要缺點是需要被氣體標準校正后才能用于定量分析[32]。

3 植物VOCs 的誘導釋放

當植物受到脅迫時，VOCs 的釋放量和種類會發生很大變化[33]。生物脅迫 (如食草動物和病原菌的侵襲) 和非生物脅迫 (如機械損傷和環境因素變化) 均可觸發植物VOCs 的誘導釋放[6]。植物監控系統可通過對特定信號的識別來檢測這些脅迫，被檢測到的信號通過轉導可促進防御化合物的生成[34-36]，這些防御物質也包括各種植物VOCs。

Application of nonionic surfactants in leather industry 9 54

3.1 植物VOCs 對生物脅迫的響應

生物脅迫誘導的植物VOCs 主要由GLVs、萜類、MeJA、MeSA、甲醇和乙烯等物質組成。植物與食草動物之間的相互作用已經持續了數百萬年。隨著時間的推移，植物已經進化出防御食草動物攻擊的機制[36]。昆蟲取食植物后可誘導其釋放VOCs，這在幾種高等植物和蕨類等低等植物中已得到證實[37]。植物為響應昆蟲取食會產生VOCs以吸引它們的敵人，如昆蟲捕食者和寄生蜂[38]。此外，受食草動物損害的植物VOCs 的釋放總量約為未受損植物釋放總量的2.5 倍[39]。食草動物可以直接通過取食行為誘導植物釋放VOCs，也可以通過機械損傷間接影響植物釋放VOCs[32]。與機械損傷不同的是，食草動物對植物的攻擊是兩個不同生命系統之間的互作，非常復雜。利馬豆Phaseolus lunatus和菜豆Phaseolus vulgaris對棉花葉蟲Spodoptera littoralis的攻擊與機械損傷的反應不同，但在機械損傷的基礎上加入葉蟲口腔分泌物后誘導釋放的VOCs 更類似于葉蟲攻擊[40]。

病原菌侵染也可誘導植物產生VOCs，以抑制病菌的進一步入侵和擴散。2-己烯醛、2-壬烯醛、2-蒈烯、β-石竹烯、β-水芹烯、愈創木酚、MeSA、苯甲醇和丁香酚等多種由番茄產生的VOCs 對番茄灰霉病菌Botrytis cinerea具有較好的抑制作用，其中2-己烯醛和2-壬烯醛的抑制作用最強[41]。

3.2 植物VOCs 對非生物脅迫的響應

除了響應生物脅迫外，許多植物會在光照、溫度變化或受到其他非生物脅迫 (如淹水或干旱)時釋放VOCs。光照和溫度可以通過調控化合物合成速率的方式來影響植物VOCs 的釋放[42]。缺水會限制VOCs 的生物合成，而更嚴重的干旱則會減少其釋放[43]。此外，用重金屬處理一些植物會導致特定VOCs 混合物的釋放[44]。大氣中CO2濃度的升高在導致低層大氣變暖的同時，也可能導致植物釋放更多的VOCs[45-46]。

盡管臭氧對植物的毒性作用已得到充分證明，但臭氧對植物VOCs 釋放的影響卻很少受到關注。長期暴露于臭氧中的兩個雜交白楊無性系(Populus tremulaL. ×P. tremuloidesMichx.) 能夠釋放更多的α-蒎烯和β-蒎烯[47]。有研究表明，將利馬豆暴露于臭氧中增加了兩個萜烯同系物反-4,8-二甲基-1,3,7-壬三烯和反,反-4,8,12-三甲基-1,3,7,11-十三碳四烯的釋放，這與紅蜘蛛Tetranychus urticae取食利馬豆誘導釋放的萜烯種類一致[48]。

4 植物VOCs 對病原微生物的活性

植物在生長發育過程中會面臨各種病原物的侵染，因此，植物進化出了VOCs 來保護自身免受有害細菌、真菌和線蟲等的侵害[11-12]。多數VOCs 可同時抑制多種病原微生物，具有開發成商業化殺菌劑的潛能，引起了眾多研究者的關注。

4.1 植物VOCs 的抗細菌活性

丁香假單胞菌Pseudomonas syringae接種能夠誘導菜豆釋放兩種典型的抑菌GLVs，反-2-己烯醛和順-3-己烯醇[49]。這些植物VOCs 對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌的生長均具有抑制作用[11]。采用GC 和GC-MS 法對小茴香Foeniculum vulgare和海茴香Crithmum maritimum的揮發性精油進行分析，發現這兩種植物的精油對植物病原細菌、動物病原細菌、土壤和水中寄生的細菌均存在抑制作用[50]。從牛至屬Origanumsp.植物中提取的精油還可對分離自戰斗傷員身上的多重耐藥細菌，包括鮑曼不動桿菌Acinetobacter baumannii、銅綠假單胞菌P. aeruginosa和金黃色葡萄球菌Staphylococcus aureus，具有明顯的抑制效果[51]。對耐多藥微生物良好的拮抗活性使植物VOCs 具有用于抗生素抗性治理的潛力。

4.2 植物VOCs 的抗真菌活性

采后病害引起的腐爛會破壞果蔬品質并導致產量損失，而對環境和人類健康的迫切關注要求研究人員開發出可替代傳統化學殺菌劑的方法來控制采后病害[9]。人們對植物VOCs 預防果蔬病原真菌感染方面的認識在不斷增加。由匍枝根霉Rhizopus stolonifer引起的腐爛病是一種嚴重的杏Prunus armeniacaL. 采后病害，而果實成熟過程中釋放的乙醛可以抑制該菌的菌絲生長和孢子萌發，且用乙醛熏蒸后的果實腐爛發病率降低了30%[52]。乙醇作為直鏈醇中毒性最小的一種VOC，用其2 mL/kg 進行熏蒸處理，可以有效地阻止鮮食葡萄上由灰霉病菌引起的腐爛擴散[9,53]。精油是由萜烯、醇、酯、醛、酚等化合物形成的混合物。從3 種香薄荷屬Saturejasp. 植物中提取的精油對多種草莓采后真菌病害均具有防治效果[54]。異硫氰酸酯 (isothiocyanates, ITCs) 是一類由硫代葡萄糖苷酶解而來的生物活性化合物，一些ITCs 具有高揮發性，如烯丙基、丁烯基、芐基、2-苯乙基和4-甲硫丁基-ITC[55]。因此，可在貯存前或氣調包裝中用作果蔬保鮮處理的氣體，以抑制真菌引起的食物變質。

糧食收獲后容易受到真菌侵染而導致變質，植物VOCs 可用于防控儲糧病害[56]。唇香草Ziziphora clinopodioides精油可以在離體條件下抑制黃曲霉Aspergillus flavus和寄生曲霉Aspergillus parasiticus的生長，并限制黃曲霉素B1 的產生 (Aflatoxin B1,AFB1)[57]。反-2-己烯醛對黃曲霉、禾谷鐮刀菌Fusarium graminearum和黑曲霉Aspergillus niger等常見儲糧病原真菌的完全抑制濃度分別為5、10和10 μL/L，已被推薦用于商品糧的生物熏蒸[56]。

4.3 植物VOCs 的抗線蟲活性

植物寄生線蟲是限制作物生長的主要因素之一[58]，而土壤熏蒸仍然是控制土傳病原物的重要手段。近年來，關于植物VOCs 作為生物熏蒸劑的研究越來越多，這些VOCs 可用于控制包括線蟲在內的多種土傳病原物[12]。

十字花科 (Brassicaceae)、山柑科 (Capparaceae)和番木瓜科 (Caricaceae) 的多種植物均能產生硫代葡萄糖苷，其在生物降解過程中釋放出的ITCs 具有殺線蟲活性[12,59]。花椰菜VOCs 中的二甲二硫醚和3-戊醇能夠降低南方根結線蟲Meloidogyne incognita在離體條件下的移動性及其在番茄體內的蟲癭和產卵[60]。脫毒蓖麻餅釋放的苯酚、4-甲酚、γ-癸內酯和甲基吲哚可抑制南方根結線蟲的卵孵化和移動性，并導致其2 齡幼蟲死亡。此外，暴露于這些VOCs 的南方根結線蟲2 齡幼蟲對番茄的侵染性和繁殖能力也會下降[61]。

5 植物VOCs 誘導的植物免疫

兩種揮發性植物防御激素類似物MeSA 和MeJA，可以在遠離植物初始侵染位點的部位誘導植物產生系統性防御反應。與不施用和單次施用相比，多次施用MeSA 在本氏煙幼苗中誘導的對丁香假單胞菌和胡蘿卜軟腐果膠桿菌Pectobacterium carotovorum的免疫反應更強[62]。MeJA 被施用后也能誘導植物表現出類似的防御誘導模式[63-64]。如果空間距離足夠近，揮發性信號也可以在植物之間進行傳播[63,65]。例如，感染煙草花葉病毒 (tobacco mosaic virus, TMV) 的煙草植株會釋放出MeSA，以減輕鄰近植株的病毒感染癥狀[66]。

除了MeSA 和MeJA 外，其他VOCs 也可以在植物器官或鄰近植物中誘導產生系統獲得性抗性(systemic acquired resistance, SAR)。吲哚是一種從受到蟲害或機械損傷的植物中釋放出來的VOC，可誘導植物產生對食草動物的防御反應。用吲哚處理后的玉米和水稻植株，分別表現出對死體營養型病原菌禾谷鐮刀菌、串珠鐮刀菌F. moniliforme和稻瘟病菌Magnaporthe oryzae的免疫反應。吲哚通過誘導H2O2積累，激活絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK) 信號通路并提高防御基因表達的方法來啟動植物的免疫反應[67]。擬南芥頂空暴露于雙環單萜α-蒎烯和β-蒎烯的混合物中，能誘導SA 介導的SAR 產生，具體表現為活性氧 (reactive oxygen species, ROS) 的積累增加，SA 和SAR 相關基因的表達上調[68]。菜豆抗病品種釋放的VOCs 可以賦予感病品種對炭疽病菌Colletotrichum lindemuthianum的抗性[69]。

GLVs 是食草動物攻擊過程中植物內和植物間通訊的有效信號[65]，這些VOCs 也可以被植物用來激活自身或鄰近植物的免疫系統。反-2-己烯醛和順-3-己烯醛等C6醛可有效誘導擬南芥對灰霉病菌的抗性[70-71]。苯并噻二唑 (benzothiadiazole,BTH) 誘導釋放的C9醛 (壬醛) 被鄰近利馬豆植株感知后，可增強其對丁香假單胞菌的抗性[72]。順-3-己醇酯也可在多種作物中誘導由氣孔閉合介導的對細菌侵染的抗性[73]。

6 反-2-己烯醛的作用機理

鑒于植物VOCs 的廣譜性、復雜性和結構多樣性，闡明它們對微生物中特定靶標的作用模式仍然是一個巨大的挑戰。本文以GLVs 的代表化合物反-2-己烯醛為例，從理化性質及生物合成等方面出發，系統總結其在植物病害防控中的重要作用。

6.1 反-2-己烯醛的理化性質和生物合成

反-2-己烯醛 (C6H10O) 為無色油狀液體，又稱青葉醛，可溶于乙醇等有機溶劑，不溶于水。其在稀釋前具有強烈刺鼻的氣味，稀釋后具有令人愉悅的水果和綠葉清香味[74]。密度比水小 (0.849 g/mL, 25 ℃)，需在0～6 ℃下儲存。

植物受到生物或非生物脅迫時，磷脂酶催化細胞膜上的半乳糖脂裂解生成α-亞麻酸 (α-linolenic acid, ALA)；13-脂氧合酶 (13-lipoxygenase, 13-LOX) 催化ALA 發生加氧反應生成13(S)-亞麻酸氫過氧化物；來自JA 途徑的氫過氧化物裂解酶(hydroperoxide lyase, HPL) 催化13(S)-亞麻酸氫過氧化物裂解產生順-3-己烯醛；順-3-己烯醛很不穩定，極易被異構酶催化生成反-2-己烯醛(圖2)[14]。

圖2 反-2-己烯醛的生物合成途徑[14]Fig. 2 Biosynthetic pathway of trans-2-hexenal[14]

6.2 反-2-己烯醛的抑菌活性及作用機理

反-2-己烯醛對病原細菌、真菌和卵菌均表現出良好的抑制效果。有研究表明：中越石韋Pyrrosia tonkinensis釋放的反-2-己烯醛對所測定的革蘭氏陽性細菌和陰性細菌均具有良好的抑制活性[75]；反-2-己烯醛對儲糧病原真菌黃曲霉、黑曲霉和禾谷鐮刀菌的生長均有抑制作用[56]；在測定的9 種VOCs 中，反-2-己烯醛對病原卵菌辣椒疫霉菌Phytophthora capsici和瓜果腐霉菌Pythium aphanidermatum的抑制效果最好[76]。

目前，尚未見反-2-己烯醛的毒性分子靶標被鑒定出來，對其抑制微生物作用機理的認識僅限于其影響細胞結構和功能，可能包括以下幾點：1) 破壞細胞膜。反-2-己烯醛含有一個α,β不飽和羰基，作為一種親電試劑，可以與蛋白質中的巰基發生邁克爾加成反應 (Michael-addition reaction)形成加合物，誘導ROS 的積累并最終導致脂質過氧化反應 (lipid peroxidation, LPO)[77]。2) 破壞細胞壁。用反-2-己烯醛處理后的柑橘酸腐病菌菌絲體染色熒光減弱，表明細胞壁的完整性被破壞[78]。3) 誘導細胞凋亡。通過磷脂結合蛋白 (annexin V)和碘化丙啶 (propidium iodide, PI) 雙重染色顯示，反-2-己烯醛處理能夠誘導黃曲霉細胞的早期凋亡[79]。4) 影響物質合成。亞致死劑量的反-2-己烯醛可干擾黃曲霉孢子萌發初期的丙酮酸代謝，降低胞內可溶性蛋白含量[79]。5) 干擾能量代謝。反-2-己烯醛在最小抑制濃度 (minimum inhibitory concentration, MIC) 下可顯著抑制黃曲霉線粒體脫氫酶 (mitochondrial dehydrogenase) 的活性[79]。

6.3 反-2-己烯醛的抗性誘導活性及作用機理

除了直接抑制病原菌生長外，反-2-己烯醛還可以誘導植物產生對病原菌的抗性，比如經外源反-2-己烯醛處理可以誘導番茄果實和黃瓜幼苗產生對灰霉病菌的抗性[80-81]；反-2-己烯醛熏蒸處理可以延緩柑橘葉片因接種鏈格孢菌Alternaria alternata引起的壞死性斑點形成[82]。其抗性誘導機理可能包括以下幾點：1) 誘導抗病基因的表達。反-2-己烯醛處理能夠誘導黃瓜上調PR-3基因的表達量4.65 倍[81]。2) 提高防御相關酶的活性。反-2-己烯醛處理黃瓜24 h 后，其過氧化物酶 (peroxidase oxidase, POD)、苯丙氨酸解氨酶 (phenylalaninammonialyase, PAL)、多酚氧化酶 (polyphenol oxidase,PPO) 及LOX 的活性不斷升高，至36 h 時達到最強[81]。3) 誘導抗菌物質的積累。經反-2-己烯醛處理后，植物體內的酚類化合物和木質素積累顯著增多[80-81]。4) 啟動抗病相關信號通路。反-2-己烯醛處理番茄幼苗后，植株體內ET 和JA 信號通路基因ETR3、ETR4和LOX的表達顯著上調，表明反-2-己烯醛可能啟動了依賴于ET/JA 的抗病信號通路[80]。

7 植物VOCs 在田間應用的局限性

盡管許多室內試驗結果已充分證明了植物VOCs在抑制病原菌和增強植物抗病性等方面的有效性，但有關其在田間病害防控中的成功案例少之又少。分析主要有以下3 點原因：

1) 植物VOCs 的開發和管理成本高昂。多年來，人們一直在研究和推廣可以替代合成農藥的生物農藥，但由于成本居高不下和防效不夠穩定等原因使生物農藥通常被劃分為小眾產品[83]。人們可以從植物中提取純化獲得VOCs，也可以通過化學合成的方法制備，而大規模的田間應用需要開發出低成本、標準化的制備方法。以VOCs 作為主要成分的產品想要充分發揮殺菌劑作用，通常需要特殊的儲存設備[84]。常規殺菌劑一般為固體或液體，常溫儲存即可，而植物VOCs 易受到環境因素的影響[11]，常需要低溫、避光密封保存來保持其生物活性。

2) 植物VOCs 的田間應用可能會帶來副作用。植物VOCs 的未知作用靶點較多，除了良好的植物保護活性外，田間使用還可能會引起意料之外的結果，如由受傷煙草葉片釋放的甲醇可以增強鄰近非受傷植株對青枯病菌Ralstonia solanacearum的防御能力，但也因為促進了煙草細胞胞間連絲的門控能力而導致TMV 的侵染增強[85]。以20 μL/L的反-2-己烯醛進行熏蒸，雖然可阻止核果褐腐病菌Monilinia laxa在李子上引發腐爛病，但該濃度下的反-2-己烯醛對杏、毛桃和油桃等水果也會造成一定程度的藥害，并對其本身的香氣產生影響[86]。植物受病原菌或害蟲侵染后釋放的乙酸葉醇酯可以增強小麥對禾谷鐮刀菌的抗性，而植物抗性提高的同時反過來會促進病原菌產生更多的脫氧雪腐鐮刀菌烯醇 (DON) 毒素來實現侵染[10]。

3) 植物VOCs 的傳播距離和田間保護效果受到空氣中其他成分的影響。污染物 (特別是臭氧、氮氧化物和羥基自由基)會與大氣中的VOCs 發生反應導致VOCs 分解，從而失去特異性，降低了它們在田間的傳播距離和對作物的總體保護范圍[87-88]。人們對不同VOCs 之間以及VOCs 與空氣中的其他組分是否會發生反應并影響最終的防控效果知之甚少。

8 展望

植物VOCs 可以抑制多種病原微生物的生長或誘導植物抗病反應的發生，具有開發成商業化殺菌劑和免疫誘抗劑的潛能。目前，已經有很多研究報道了植物VOCs 的抑菌和抗性誘導活性。毫無疑問，這些工作對植物VOCs 在農業病害防控中的應用提供了極大的參考價值。但是，距離植物VOCs 投入市場，對現有的殺菌劑和免疫誘抗劑進行一個有益的補充還有一段很長的路要走。后續針對植物VOCs 在農業可持續生產中的開發應用，還有以下幾個問題需要進一步明確：

1) 植物VOCs 的抑菌和抗性誘導機理有待于深入研究。昆蟲通過氣味結合蛋白 (odorant binding proteins, OBPs) 在分子水平上特異性地識別和結合植物VOCs[89]。惡臭假單胞菌P. putida釋放的VOC通過與秀麗隱桿線蟲Caenorhabditis elegans的靶標蛋白結合發揮作用[90]。植物VOCs 在病原微生物細胞中的毒性分子靶標以及它們在植物中的受體至今尚不清楚[84,91]，今后的研究中應該綜合使用藥劑毒理學、顯微觀察學、分子生物學、生物信息學和遺傳學等多種手段加快植物VOCs 的作用機理探究。植物VOCs 對病原菌的抑制作用具有明顯的濃度依賴性[56]，其使用濃度與抗性誘導效果和植物受體之間的關系也應該是今后研究的一個重點方向。

2) 降低氣象條件和環境因子對植物VOCs 應用效果的影響。對植物VOCs 防病效果的評價試驗目前主要是在室內可控條件下展開，效果比較穩定，而氣溫、氣壓、風速和濕度等氣象條件對其大田應用效果的具體影響尚不明確。植物VOCs的易揮發性使其很容易隨著蒸發消散，并被光、熱或空氣中的某些成分降解[11]。在開放環境、無外部保護條件下，植物VOCs 的實際應用效果得不到保障。對該類化合物進行納米粒子包埋是克服其物理局限性，促進可控釋放和提高生物利用度的策略之一[11]，值得進一步研究。

3) 關注植物VOCs 的環境安全性和相容性。目前，關于植物VOCs 的研究主要聚焦于對其生物活性的測定以及作用機理的探究。自然條件下，植物受生物脅迫和非生物脅迫誘導釋放的VOCs 濃度較低，而大規模的商業化應用勢必會提高特定施藥環境中的VOCs 濃度。盡管很多植物VOCs 被認為對人類的毒性很低，并允許在食品中添加它們[9]，但大劑量施用條件下植物VOCs 對環境非靶標生物的毒性以及空氣和水環境的污染，未見充分研究。