蟲害誘導的植物防御

蟲害誘導的植物防御

害蟲引起的植物防御包括直接防御和間接防御。直接防御是指植物遭受植食性昆蟲取食后,產生一些對昆蟲有趨避、毒殺作用的化學物質或產生一些阻礙昆蟲對植物進行消化和利用的化學物質(如蛋白酶抑制劑),從而使植物本身對害蟲具有抗性;間接防御是指植物遭受昆蟲取食后,誘導釋放出一些在數量或種類上不同于健康植株的揮發(fā)物,通過引誘植食性昆蟲的天敵,達到防御植食性昆蟲的目的。近年來,蟲害誘導的植物防御反應過程中信號轉導機制的研究受到了廣泛的關注,本文結合國內外在該領域中的一些最新研究成果,就植物受到傷害后發(fā)生的體內信號轉導過程進行了評述。1傷誘導揮發(fā)物的產生植物向空氣中釋放的小分子化合物,有些是組成型揮發(fā)物,還有一些只在植物受到昆蟲取食或機械損傷后才大量釋放,稱為傷誘導揮發(fā)物。但是,植物遭受植食性昆蟲取食后釋放出的揮發(fā)物與受到機械損后釋放的揮發(fā)物存在著很大的差別。昆蟲取食不僅對植物組織產生機械傷害,同時來源于昆蟲體內的化學誘導物(Elicitor)也被釋放到植物受害的部位,它們對傷誘導揮發(fā)物的產生起著關鍵的作用。研究者從甜菜夜蛾(Spodopteraexigua)的口腔分泌物中分離出一種能夠誘導植物產生揮發(fā)物的誘導素(Volicitin),即N-(17-羥基亞麻酰基)-谷氨酰胺,它是脂肪酸和氨基酸的結合物(FAC),其中N-(17-羥基亞麻?；?部分來源于植物,而谷氨酰胺部分來則來源于甜菜夜蛾,二者在甜菜夜蛾的口腔中合成誘導素。玉米遭受機械損傷并在傷口處涂抹誘導素后,產生與昆蟲取食相似的揮發(fā)物。近期研究表明,鱗翅目昆蟲口腔分泌物中的其他脂肪酸和氨基酸的結合物(FACs)也具有同樣的生物活性,如煙草天蛾(Manducasexta)口腔分泌物中的N-亞麻?；?谷氨酸具有誘導煙草揮發(fā)物的釋放的作用,同時促進煙草中茉莉酸的合成。最近,從玉米種分離出一種質膜蛋白,被證明是誘導素的結合蛋白(volicitin-bindingprotein),放射性標記試驗表明,植物被大菜粉蝶取食或外源施用JA后,誘導素與該蛋白的結合能力得到明顯增強。但是來自昆蟲的化學誘導物并不是總具有生物活性的,例如在利馬豆(Phaseoluslunatus)和棉花中,這些脂肪酸與氨基酸的結合物涂抹在植物機械損傷部位后,并不能導致傷誘導揮發(fā)物的釋放。昆蟲口腔分泌物中的水解酶在傷誘導揮發(fā)物的產生中也起著重要作用。從大菜粉蝶(Pierisbrassicae)口腔分泌物中分離的β-葡糖苷酶(β-glucosidease)是另外一種能夠誘導揮發(fā)物釋放的化學誘導物,在甘藍葉片傷口涂抹β-葡糖苷酶后能誘導出和大菜粉蝶取食非常相似的傷誘導揮發(fā)物,同時,更易吸引寄生蜂菜粉蝶絨繭蜂(Cotesiaglomerata)。此外,在鱗翅目昆蟲如谷實夜蛾(Helicoverpazea)口腔液中的葡萄糖氧化酶(glucoseoxidase)、白粉虱(Bemisiatabaci)口腔液中的酸性磷酸酶以及蚜蟲口腔液中的水解酶等對植物揮發(fā)物的產生都有誘導作用。除了上述化學誘導物外,任何來源于昆蟲并且與植物在細胞水平上有接觸的物質都可能成為啟動植物防御反應的誘導因子。榆葉甲蟲(Xanthogalercualuteola)的產卵液可以誘導寄主植物(榆樹)在損傷葉片和系統(tǒng)葉片上產生吸引寄生蜂的揮發(fā)性物質;從豌豆象鼻蟲(Bruchuspisorum)的產卵液中分離得到一種長鏈二醇(bruchins),能夠誘導植物產生間接防御作用。此外,存在于昆蟲消化道內的微生物也會對揮發(fā)物的產生具有誘導作用,如在利馬豆中,丙甲甘肽(alamethicin)可以通過促進茉莉算信號轉導途徑來對揮發(fā)物的合成產生誘導作用。2機械損傷的誘導作用番茄遭受植食性昆蟲取食后,維管束周圍的細胞壁中產生大量的活性氧分子,在番茄的損傷后期,H2O2具有作為信號分子誘導葉肉細胞中防御基因表達的作用。利馬豆遭棉貪夜蛾(Spodopteralittoralis)取食后,傷害部位細胞立即產生膜電位的去極化反應,同時胞內Ca2+濃度增加;雖然機械損傷也能引起膜電位的去極化,但是并不能引起胞內Ca2+濃度的增加。因此,在信號識別和轉導的早期階段,機械損傷和昆蟲取食引起的信號轉導途徑存在著差別,也說明昆蟲取食造成的機械傷害和來自昆蟲的化學誘導物對植物完整防御反應的誘導都起著重要作用。昆蟲取食過程中,對植物組織造成的機械傷害在植物誘導防御反應產生過程中究竟起多大作用并不清楚。在利馬豆中的研究表明,機械損傷的程度(時間上的連續(xù)性和損傷的面積)對揮發(fā)物的誘導起著關鍵的作用,利馬豆受到持續(xù)性的機械損傷后釋放的揮發(fā)物組分與其被棉貪夜蛾取食后的情況極其相似,并且證明脂肪酸衍生物、單萜化合物和4,8-二甲基-1,3,7-壬三烯是完全由機械損傷所誘導的,據此,Mithofer等認為至少在利馬豆植株中,持續(xù)性的機械損傷造成植物體內與傷害有關的防御物質的不斷積累(如活性氧、氧化脂等),這些物質的積累達到一定的閥值后就會啟動植物完整的防御信號轉導過程,最終釋放出和昆蟲取食非常相似的揮發(fā)物。這也說明,過去采用單一的機械傷害來模擬昆蟲取食情況的實驗方法存在著缺陷,明顯低估了昆蟲取食過程中機械傷害對植物防御反應所產生的誘導作用。煙草植株在遭受機械損傷后,1min內就可以在損傷部位的細胞中檢測到傷誘導蛋白激酶(WIPK)的積累,WIPK基因沉默的轉基因煙草植株受到機械損傷后,JA和茉莉酸甲酯(MeJA)合成受到明顯抑制;JA合成的前體物質亞麻酸是由亞油酸在ω-3-脂肪酸脫氫酶的催化下產生的,植物遭受傷害后產生的WIPK對ω-3-脂肪酸脫氫酶基因轉錄具有很強的誘導作用,這些都說明WIPK在植物體內作為早期的傷害信號分子對茉莉酸信號轉導途徑起到激活作用。同時,機械損傷對磷脂酶D也具有激活作用。轉基因擬南芥植株(磷脂酶D的基因表達受到抑制)遭受機械損傷后,傷害部位磷脂酸和JA的含量明顯下降。進一步分析表明,在轉基因植物中,編碼脂氧合酶(LOX)基因的表達受到抑制,但對編碼丙二烯氧化物合成酶(AOS)、氫過氧化物裂解酶(HPL)的基因的表達沒有影響。這些結果證明磷脂酶D對茉莉酸的合成具有調節(jié)作用,它在脂氧合酶的上游通過調節(jié)脂氧合酶來影響JA的產生。此外,在番茄中磷脂酶A能被機械損傷所誘導,同時這種誘導是具有系統(tǒng)性的,它對亞麻酸從細胞膜上的釋放也具有調節(jié)作用。目前的研究結果表明,植物受到昆蟲取食后后激發(fā)的早期信號事件包括:(1)植物細胞對機械傷害信息以及來自昆蟲口腔分泌物中的化學誘導物進行識別;(2)細胞膜電位的去極化反應和細胞內Ca2+濃度的升高;(3)一系列蛋白激酶的激活;(4)亞麻酸從細胞膜上釋放、JA信號轉導途徑的激活和最終導致包括JA在內的各種氧化脂(oxylipins)的合成。同時,此過程中是多條信號途徑共同在起作用,不同信號途徑間存在交叉作用和反饋調節(jié)(圖1)。3spr1基因對植物抗氧化酶系統(tǒng)的信號解釋植物防御反應的系統(tǒng)性是指植物遭受機械損傷或昆蟲取食后,除了受害葉片會產生一些化學防御物質外,植物的其它部位乃至整株植物都會產生(并釋放)化學防御物質。這種系統(tǒng)性特征,是植物對機械損傷或昆蟲取食的一種整體反應,表明植物對這些傷害的反應是一種積極主動的過程,并已在多種植物—昆蟲系統(tǒng)的不同類型的防御物質(如蛋白酶抑制劑、揮發(fā)性物質、酚酸類物質)中得到了證實。植物系統(tǒng)性地釋放的揮發(fā)物與傷害部位釋放的揮發(fā)物存在著明顯差別,C6-脂肪酸衍生物中,只有3-己烯乙酸酯具有系統(tǒng)性釋放的特點。放射性標記試驗表明,棉花(Gossypiumhirsutum)被甜菜夜蛾取食后,系統(tǒng)性釋放的萜烯類物質是釋放部位的葉片內從頭合成的,說明植物受到傷害后在傷害部位產生可以移動的系統(tǒng)性信號分子,其移動到健康的葉片處引發(fā)揮發(fā)物的合成與釋放。McGurl研究小組在研究植物蛋白酶抑制劑產生的誘導機制時,在番茄(Lycopersiconesculentum)中發(fā)現了一種由18個氨基酸組成的多肽—系統(tǒng)素:AVQSKPPSKRDPPKMQTD(Systemin)。番茄系統(tǒng)素是從200個氨基酸的前體—原系統(tǒng)素(prosystemin)的C端加工而來。通過反義原系統(tǒng)素RNA技術構建的轉基因番茄,阻斷了原系統(tǒng)素的表達,從而降低了番茄在蟲害時系統(tǒng)性產生蛋白酶抑制劑的能力,容易遭受煙草天蛾的取食。從番茄細胞培養(yǎng)的懸浮液中檢測出來的一種富含亮氨酸重復序列的受體激酶,被認為是系統(tǒng)素的受體蛋白(SR160),并證實系統(tǒng)素激活植物防御基因的表達與茉莉酸信號轉導途徑有關。但是,系統(tǒng)素并不是植物體內能夠長距離運輸的系統(tǒng)性信號分子,在番茄中研究發(fā)現,spr1基因能夠抑制原系統(tǒng)素調節(jié)的反應,番茄的突變體spr1受到機械損傷后,在損傷部位蛋白酶抑制劑的合成維持在正常水平,而系統(tǒng)葉片中其合成卻受到抑制。通過番茄的突變體spr1與野生番茄植株的交替嫁接試驗表明,在突變體植株中,損傷部位的葉片不能合成能夠長距離傳遞的系統(tǒng)性信號分子,從而抑制了蛋白酶抑制劑基因的系統(tǒng)性表達,這說明spr1基因參與了系統(tǒng)素信號的識別和茉莉酸信號途徑的激活等信號轉導過程。目前的研究表明:系統(tǒng)素的作用是在植株損傷部位通過激活茉莉酸信號途徑來合成能夠長距離傳遞的信號分子(如JA或OPDA),這些可移動的分子在植物的未受害部位被相應的膜受體所識別,隨后通過一系列信號轉導過程,誘導植株系統(tǒng)性地產生(并釋放)出具有防御功能的化學物質。除了茄科植物外,其他植物在遭受昆蟲取食后也表現出類似系統(tǒng)性反應。楊樹(Populustrichocarpa×deltoides)遭受天幕毛蟲(Malacosomadisstria)取食后,只有損傷部位上方的健康葉片才能產生防御基因的系統(tǒng)性表達,表明這種信號的傳遞具有方向性,但是