植物与虫害叶片挥发物的可控释放

植物与虫害叶片挥发物的可控释放

植物固固地生活在地上，主要从根获得营养和水分。因此，植物缺乏防止某些动物伤害的机制。为了防御虫害,植物进化出了一些抗性机制,如不选择性,即植物作为寄主的条件很差,害虫选择别的替代寄主。植物形态和化学物质是产生不选择性的根据。比如角质层和木质化的硬表皮,可有效地抵御某些小型植食昆虫的取食;而植物上的毛囊、刺和其它一些特殊的器官织;而植物体内的生物碱、类黄酮、萜内酯和酚类化合物是阻碍昆虫取食的重要次生物质。但是,一旦伤害发生,植物并不是消极忍耐的,它们采用一些策略来增加生存的机会。经过长期的进化,植物拥有激活防御反应的能力,这些反应是在转录水平上的与防御相关基因的激活。这些伤激活的反应促使受伤植物组织痊愈,也激活相应防御机制以免受到进一步伤害。如改变自身的代谢方式,产生某些驱避植食性昆虫的气味、植物内累积有毒次生化合物,改变挥发性次生化合物的组成相以引来致害昆虫的天敌,其中植物产生和累积有毒次生物质并对植食性昆虫生长、发育和繁殖产生不利影响的现象又被称为抗生性。不选择性、抗生性和耐害性构成了植物的三种抗虫性机制。植物大部分伤诱导反应出现在伤害发生后的一个时间段内,从几分钟到几个小时,反应过程涉及伤害的产生、特殊信号释放、感知和转导,继而激活植物防御基因。植物富含众多天然化合物,其中许多是挥发性的,种类涉及脂肪酸的衍生物、萜类、吲哚和源于其它化合物家族的分子。健康植株主动释放一些挥发性物质,但是机械损伤和植食性昆虫取食会改变植物释放的挥发物成分,引起挥发物质和量的变化。那么对于植物而言,用于植物—植物、植物—昆虫联系的信号物质是什么呢?邻近的同种和不同种植物又能否感受这些信号?本文综合近年来国内外的研究进展,对具有信号功能的挥发物的种类、激发子、合成途径及其化学生态功能作一综述。1种植物的化学指纹图植物挥发物属于植物代谢次生物质,一般分子量在100~200之间,包括烃、醇、醛、酮、酯和有机酸等。每种植物都含有各自的挥发物,并以一定的比例组成该种植物的化学指纹图。植物挥发物,尤其是遭受机械损伤或植食昆虫的为害后释放的一系列复杂的挥发性物质为植物、植食性昆虫及其天敌提供有价值的信息。1.1ac6残基化合物绿叶挥发物(greenleafvolatiles:GLV),包括六碳的醛、醇及其酯,一般由正常植物、机械损伤和虫害初期植物所释放。植物体内,几种重要的绿叶挥发性组分主要源于C18脂肪酸的降解产物,即脂肪酸(亚麻酸和亚油酸)在脂氧合酶作用下转变为氢过氧化物后,C18脂肪酸在氢过氧化物裂解酶(hydroperoxidelyase:HPL)作用下裂解为C12和C6组分。依靠C18前体,HPL裂解产生(Z)-3-己烯醛[(Z)-3-HAL]或己醛。通过醇脱氢酶、乙酰化作用和异构化作用等进一步加工导致C6残基化合物的产生,如(Z)-3-己烯醇[(Z)-3-HOL]、(Z)-3-乙酸己烯酯[(Z)-3-HAC]和各自的E-异构体。而C12组分被加工成为愈伤激素(其被认为在植物的伤反应中起重要作用)。在机械和植食性昆虫损伤后,GLV被立即局部特征性地释放,并且其在植株上也能系统地诱导和释放。1.2异戊烯和甲基烯合成酶植物挥发性萜类化合物大多是单萜、倍半萜及其衍生物。在大多数虫害诱导的植物挥发物中,萜类化合物的种类和相对含量都比在健康植株挥发物中的明显提高,并且机械损伤不能诱发这些萜类化合物的释放。这说明萜类化合物是植食昆虫诱导的植物挥发物中的一个主要组分。萜类合成的共同前体是异戊烯基二磷酸(IPP)和二甲基烯丙基二磷酸(DMAPP)。对于异戊烯和单萜,IPP和DMAPP来自质体三磷酸甘油醛-丙酮酸(GAP-pyruvate)途径,关键酶是1-脱氧木酮酸-5-磷酸酯合成酶(1-deoxy-D-xylulose-5-phosphatesynthase:DXPS)。异戊烯作为萜类最简单的C5结构,以DMAPP为直接的前体;对于倍半萜,IPP和DMAPP可能来自细胞质的乙酸-甲羟戊酸(actate-MVA)途径,3-羟基-3-甲基戊二酰基-辅酶A还原酶(3-hydroxy-3-methylglutaryl-coenzymeAreductase:HMGR)是其合成的主要限速酶。在质体和细胞质中分别合成的单萜底物牛儿基二磷酸(GPP)和倍半萜底物法尼基二磷酸(FPP),最后在萜类合成酶(terpenesynthase:TPS)的催化下生成各自的产物,如石竹烯、法尼烯和芳樟醇等。1.3水杨酸甲酯的合成植物莽草酸代谢途径也产生许多具有生理和生态功能的化合物,如吲哚、水杨酸和水杨酸甲酯。其中吲哚-3-磷酸甘油在吲哚-3-甘油磷酸裂解酶(indolo-3-glycerolphosphatelyase:BX1)的作用下生成吲哚;水杨酸和水杨酸甲酯的生物合成是在苯丙氨酸裂解酶(phenylalanineammonialyase,PAL)作用下,由苯丙氨酸生成反式肉桂酸,然后经过两条途径合成水杨酸和水杨酸甲酯:一种是肉桂酸侧链先经β-氧化产生苯甲酸,再在苯甲酸羟化酶(benzoicacid2-hydroxylase,BA2H)作用下羟基化生成水杨酸;另一种是由肉桂酸侧链先邻羟基化产生邻香豆酸,再经β-氧化产生水杨酸。SA在水杨酸羧基甲基转移酶(salicylicacidcarboxylmethyltransferase,SAMT)作用下转化成水杨酸甲酯。在机械损伤和虫害植物中释放的重要信号物质茉莉酸甲酯,则是脂肪酸代谢的产物,其代谢途径的关键酶是脂肪氧化酶(lipoxygenase,LOX)和茉莉酸羧基甲基转移酶(jasmonicacidcarboxylmethyltransferase,JMT)。植物挥发物中的含氮化合物主要是来自氨基酸代谢途径的腈类和肟类。尽管这些化合物在虫害诱导的植物挥发物中所占的比例不高,甚至在一些植物中不存在,但是由于这些挥发物在健康的植物中几乎检测不到,因此这些挥发物亦应作为虫害诱导的植物挥发物的一个组分。2诱导激发子的鉴定机械损伤或植食性昆虫诱导的植物挥发物是十分复杂的,这些挥发性混合物的产生受以下几个因子的影响:(i)植食性昆虫种类、口器大小和形状、取食行为方式及昆虫发育阶段等。如寄生蜂Cotesiakariyal仅被1~3龄粘虫幼虫取食的玉米所吸引,而对4龄以后幼虫无效应;(ii)植物种类、发育阶段、受害部位、受害程度、受害时间长短等;(iii)环境因子,如光照、季节、水等。在过去的十多年里,植物挥发物的特异性激发子的化学性质和在植物诱导过程中的化学作用已经大量研究。虽然从植物病原物中分离出一些有激发作用的诱导子有很长一段时间了,但来源于植食昆虫释放的激发子仅被鉴别出少数几个。在鳞翅目甜菜夜蛾Spodoptera和烟草天蛾Manduca的幼虫唾液中鉴定出脂肪酸和氨基酸的共扼物,成分为N-(17-羟基亚麻酰基)-L-谷氨酰氨[N-(17-(hydroxylinolenoyl)-L-glutamine][16~19],这种激发子被命名为Volicitin;Volicitin是植物与昆虫协同作用下合成的,该诱导激发子的N-17-羟基亚麻酰基来自于植物,L-谷氨酰氨则来自于甜菜夜蛾,两者在幼虫的口腔中合成整体的诱导激发子。将该激发子应用到机械损伤部位,可诱导出类似与甜菜夜蛾取食玉米所产生的一系列挥发物,对甜菜夜蛾的主要寄生性天敌藏红足侧沟茧蜂Microplitiscroceipes和小茧蜂Cotesiamarginiventris具有极强的吸引作用。Alborn等也从烟草天蛾幼虫唾液中分离出两种同Volicitin相类似的激发子N-linolenoyl-L-glutamine(18:3-GLN)和N-linolenoyl-L-glutamicacid(18:3-GLU)。在大菜粉蝶和美洲棉铃虫幼虫的唾液中也分别检测到了β-葡萄糖苷酶和葡萄糖氧化酶,生测表明β-葡萄糖苷酶诱导的甘蓝挥发物跟大菜粉蝶取食产生的挥发物相类似,并可同样吸引寄生蜂Cotesiaglomerata;而葡萄糖氧化酶可使烟草伤口产生H2O2,抑制植物体中防御物质烟碱的合成。此外还从输卵管分泌物或卵的提取物中发现与昆虫产卵有关的诱导激发子,它们也能激发寄主植物产生特异性的挥发物。对于植食昆虫释放的激发子而言,有关作用模式的细节还了解得很少,现仅仅了解几个植物病原物激发子是通过离子通道或与植物特殊接受位点的结合起作用的。3影响植食性昆虫的活性因素植物周围环境中任何生物都是潜在的植物挥发物的利用者。因此,当健康、机械损伤或虫害诱导的挥发物进入环境时,必将改变释放者、邻近植物、植食性昆虫和天敌等相互间的关系,并对植食性昆虫及其天敌行为产生影响。这种影响通过食物链背后的化学信息网,波及到整个生物群落,从而调整着整个群落的结构和组成。3.1茉酸酯相关基因表达虫害诱导的植物挥发物可以影响相邻的健康植株。利马豆被二点叶螨Tetranychusurticae侵染后,受侵染植株和相邻植株对捕食螨Phytoseiuluspersimilis的吸引力都增大了,而对二点叶螨的敏感性降低。用雌二点叶螨为害利马豆叶片1~3d,可诱导相邻健康植株的叶片内编码病程相关蛋白、脂氧合酶、苯丙氨酸裂解酶和法尼基焦磷酸合成酶基因的表达。这些基因的表达方式与外源茉莉酸诱导表达方式类似,且机械损伤不能诱导相邻植株中这些基因的表达。对为害叶片的挥发物成分分析表明,3种相关类萜,即(E)-β-罗勒烯、(E)-4,8-二甲基-1,3(E),7-壬三烯(DMNT)和4,8,12-三甲基-1,3(E),7(E),11-十三碳四烯(TMTT),起着诱导相邻的健康植株基因表达的作用。其它在同种植株间信号传输的另一个例子是烟草产生的水杨酸甲酯。被TMV病毒感染的烟草Nicotianaattenuata植株会释放这个化合物。感病植株产生的水杨酸甲酯既增加了邻近未感染TMV病毒植株的抗性,也诱导未感染TMV病毒植株PR1基因的表达。这表明水杨酸甲酯可能在植物—植物间起着气传信号的作用。植物产生的挥发物还可以在不同种类植物间传递伤信号。现在已知道包括茉莉酸甲酯在内的种间空气传播的信号可能与被害植株的防御有关。Farmer等研究发现,将番茄和北美艾灌丛Artemisiatridentata一起在密闭的容器中放两天,健康番茄植株会大量积累能抑制昆虫取食的蛋白酶抑制素,其原因是由于北美艾灌丛释放茉莉酸甲酯导致的。Karban等的试验进一步证实了以上结果。在他们的试验中,番茄被野生型的烟草植株代替,试验发现在伤诱导后北美艾灌丛释放的茉莉酸甲酯可以使3m范围内烟草增强抵御害虫取的食能力,同时截断两者的联系能阻止这种效应的产生。3.2对昆虫的诱变植物挥发物在植食性昆虫寄主选择中起着重要作用。植食性昆虫依靠健康或虫害植株释放的挥发物来区分是否是寄主植物,并对寄主植物上的昆虫密度进行判别。已有的研究表明,虫害诱导的挥发物会对同种昆虫个体产生排斥或引诱作用。如菜豆在受到二点叶螨严重为害时释放的挥发物,能驱避其它二点叶螨个体。受害后的玉米叶片也能排斥甜菜夜蛾的进一步为害。植物挥发物对同种个体有引诱活性的例子也很多。如马铃薯甲虫Leptinotarsadecemlineata、日本丽金龟Popilliajaponica和鳃金龟Maladeramatrida等能被它们各自为害诱导的寄主挥发物引诱。虫害诱导的挥发物也能对异种昆虫的行为产生影响。甜菜夜蛾诱导的马铃薯气味对马铃薯甲虫具有明显的引诱作用。与健康的寄主挥发物相比,日本丽金龟更明显趋向被美国白蛾Hyphantriacunea为害后的寄主挥发物。植物产生的挥发物,也可作为互利素引诱植食昆虫的天敌。这种间接的防御机制提供给天敌一种可靠的、容易探测和精确的信号。已经发现植物中有13科20多种植物受虫害诱导产生吸引天敌的挥发性物质,吸引多种捕食性和寄生性天敌。Dicke等发现,受二点叶螨T.urticae为害后的菜豆比未受害植株对捕食螨P.persimilis更具有引诱活性。对二点叶螨诱导的互利素分析表明含有4种有效组分,一种是水杨酸甲酯;另3种是萜类化合物,分别是(E)-4,8-二甲基-1,3(E),7-壬三烯、芳樟醇和(E)-β-罗勒烯。玉米受甜菜夜蛾攻击后,吸引寄生性的小茧蜂C.marginiventris在甜菜夜蛾幼虫体内产卵,导致被寄生的幼虫取食能力显著降低。Cheng等在研究水稻互利素时发现芳樟醇对褐飞虱的卵期寄生蜂稻虱缨小蜂Anagrusnilaparvatae有明显的引诱作用。同样由棉花释放的的2种倍半萜化合物β-bisabolol和β-丁子香烯,能明显激发寄生蜂Campoletissonorensis的行为反应。许宁等在室内用无气味经历的雌单白绵绒茧蜂Apantelessp.对完整茶梢、机械损伤茶梢、茶尺蠖Ectropisobliqua唾液处理茶梢和幼虫取食损伤茶梢产生的挥发物进行了行为测定,发现寄生蜂对茶尺蠖唾液处理茶梢、幼虫取食损伤茶梢产生的挥发物有较强的偏好选择性。此外,绿叶性挥发物也能对某些天敌产生引诱作用。如Whitman等发现棉花的绿叶性挥发物能激发一种捕食性胡蜂Microplitiscroceipes的飞行行为。褐飞虱的卵期寄生蜂稻虱缨小蜂对水稻中的一些绿叶性气味亦有明显的趋性。4活性物质的诱导植物体在受到害虫取食为害后会释放信号物,启动直接和间接防御机制,这可能是地球上现存植物在自然演化过