植物與植食性昆蟲的揮發(fā)物

植物和植食性昆蟲在長期進(jìn)化過程中不斷相互作用，形成了各種相互適應(yīng)和防御機(jī)制。對于植食性昆蟲的取食,植物的防御反應(yīng)大體上分為直接防御和間接防御。前者可以是組成性的,即植物本身所固有的,如對潛在攻擊者的物理結(jié)構(gòu)屏障和儲(chǔ)存有毒化合物;后者即為誘導(dǎo)性的防御體系,如防御蛋白和次生代謝物的合成。誘導(dǎo)性的防御涉及到大量揮發(fā)性化合物的合成和釋放,這些揮發(fā)物作為引誘劑招引害蟲的天敵,從而減少植食性昆蟲的危害,它涉及到植物、植食性昆蟲和天敵三者之間復(fù)雜的相互關(guān)系,即所謂的三級(jí)營養(yǎng)關(guān)系。此外,在植物間的相互通訊中,植物的間接防御反應(yīng)也是起作用的。1植食性昆蟲的養(yǎng)分組成一般而言,正常健康植株的揮發(fā)物代謝均維持在基底水平上,這些揮發(fā)物貯存在特化的腺體或香毛簇(trichomes)中。機(jī)械損傷和昆蟲取食均會(huì)誘導(dǎo)植物主動(dòng)合成并釋放一些新的揮發(fā)物組分,其中主要是萜類化合物,包括單萜、倍半萜、芳香族化合物、含氮化合物以及綠葉揮發(fā)物?；衔锏倪@種釋放模式已經(jīng)在多種植物(包括多年生的植物和溫室里培養(yǎng)的蔬菜)的分析中得到證實(shí)。不同植物-昆蟲體系所釋放出的揮發(fā)物不盡相同,損傷植株釋放的化合物組成成分與植物品種和取食它的昆蟲種類有直接關(guān)系?？傮w說來,植食性昆蟲誘導(dǎo)的植物揮發(fā)物的成分受以下幾種情況的影響:(1)植食性昆蟲的種類、口器類型、為害程度及其發(fā)育階段等;(2)植物種類、基因型、發(fā)育階段、受害部位、受害程度、受害持續(xù)時(shí)間等;(3)環(huán)境壓力如光照度、季節(jié)變化、水分等。2機(jī)械損傷植物揮發(fā)物的組成和誘導(dǎo)研究發(fā)現(xiàn),多種因子都能夠誘導(dǎo)植物產(chǎn)生揮發(fā)性化合物。其中機(jī)械損傷、昆蟲取食、病原菌侵害是其中的主要因子。但是,植食性昆蟲誘導(dǎo)的揮發(fā)物組成和作用效果明顯不同于機(jī)械損傷誘導(dǎo)的植物揮發(fā)物。Bouwmeester等發(fā)現(xiàn),利馬豆(limabean,Phaseoluslunatus)的倍半萜合成酶(參與揮發(fā)物合成的一種酶)在二點(diǎn)葉螨取食時(shí)表達(dá)為上調(diào),但機(jī)械損傷不能誘導(dǎo)其上調(diào)。同樣,Halitschke等報(bào)道,反式-β-羅勒烯(trans-β-ocimene)、順式-α-香檸檬烯(cis-α-bergamotene)、里那醇(linalool)等揮發(fā)物的釋放,受昆蟲取食和其口腔分泌物誘導(dǎo),但不受機(jī)械傷害的誘導(dǎo)。也有一些研究報(bào)道,植食性昆蟲取食和機(jī)械損傷處理誘導(dǎo)的揮發(fā)物在組成成分上存在差異。另外,盡管機(jī)械損傷誘導(dǎo)的揮發(fā)物也能影響昆蟲的行為,但這些變化持續(xù)的時(shí)間明顯短于植食性昆蟲誘導(dǎo)所持續(xù)的時(shí)間。機(jī)械損傷的植物和受植食性昆蟲危害而產(chǎn)生的植物揮發(fā)物在組成和作用效果上產(chǎn)生的差別則是由于昆蟲唾液腺和反芻液中誘導(dǎo)物的存在,將昆蟲的唾液或反芻液涂抹到損傷的植物組織上即會(huì)產(chǎn)生與昆蟲取食相同的揮發(fā)物釋放模式。迄今為止,已經(jīng)從兩種植食性昆蟲的口腔分泌物中分離、鑒定出兩種能誘導(dǎo)機(jī)械損傷植物釋放類似于蟲害誘導(dǎo)物的化學(xué)誘導(dǎo)物(elicitor)。2.1VolicitinVolicitin[N-(17-hydroxylinolenyl)-L-glutamine]是一種植物揮發(fā)物誘導(dǎo)子,是由Turlings等從甜菜夜蛾幼蟲(Spodopteraexigua)的口腔分泌物中分離出的一種化合物。它由兩個(gè)主要功能團(tuán)組成:亞麻酸部分來自植物,谷氨酰胺部分來自昆蟲,最后在昆蟲的口腔中合成完整的volicitin。將純化的volicitin涂抹到玉米植株上誘導(dǎo)釋放的揮發(fā)物能夠吸引寄生蜂(Cotesiamarginiventris),它與由甜菜夜蛾取食所吸引的寄生蜂種類相同。同時(shí),研究還發(fā)現(xiàn),寄主植物能夠識(shí)別volicitin,并可以通過引發(fā)防御性揮發(fā)物的合成對其作出反應(yīng),但調(diào)節(jié)這些途徑的信號(hào)機(jī)制尚不清楚。近來,Shen等從玉米中克隆了一個(gè)倍半萜環(huán)化酶Stc1基因,發(fā)現(xiàn)它可以被甜菜夜蛾取食,且其唾液可以誘導(dǎo)產(chǎn)生volicitin。用基因敲除方法進(jìn)一步證明Stc1參與倍半萜類揮發(fā)物——萘的合成。另外,還確定了一個(gè)來自玉米的volicitin應(yīng)答基因Igl,它參與編碼一個(gè)合成吲哚的酶。這兩個(gè)基因的表達(dá)既能為volicitin和昆蟲取食激活,也能為機(jī)械損傷激活。除了作為揮發(fā)物的誘導(dǎo)物之外,Paré和Tumlinson認(rèn)為volicitin在昆蟲的生活史中可能還有其它未知的功能。2.2β-糖苷酶(β-glucosidase)在昆蟲口腔中得到鑒定的另一種揮發(fā)物誘導(dǎo)因子是來自大菜粉蝶(Pierisbrassicae)的β-糖苷酶。它與volicitin的不同之處在于由大菜粉蝶獨(dú)立合成。當(dāng)將β-糖苷酶施加到甘藍(lán)葉上時(shí),能夠誘導(dǎo)釋放出和昆蟲本身取食同樣的揮發(fā)物,兩種處理都能夠吸引寄生蜂。最近鑒定的一個(gè)β-糖苷酶蛋白基因SLW3也是由昆蟲取食所誘導(dǎo),表明植物編碼的糖苷酶在這個(gè)信號(hào)傳導(dǎo)過程中可能發(fā)揮一定作用。這些實(shí)驗(yàn)用的都是大菜粉蝶的反芻液,Felton和Eichenseer認(rèn)為,這些反芻液中可能包含正常昆蟲取食時(shí)并不存在于其唾液中的成分。Spiteller等則認(rèn)為來自于昆蟲的腸道微生物可能參與植物揮發(fā)物的誘導(dǎo)物的合成。目前,對植食性昆蟲口腔分泌物的成分了解甚少,唾液中是否還存在其它誘導(dǎo)物或?qū)]發(fā)物釋放起作用的某些物質(zhì)尚待研究。3植物間的通訊植食性昆蟲誘導(dǎo)的揮發(fā)物作為植食性昆蟲的捕食者和寄生物的引誘劑,具有調(diào)節(jié)植物-植食性昆蟲-天敵三者關(guān)系的作用。此外,植食性昆蟲誘導(dǎo)的揮發(fā)物還能夠誘導(dǎo)鄰近植株的葉片產(chǎn)生誘導(dǎo)性防御反應(yīng)。這方面的研究是目前植物防御反應(yīng)研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。但自從80年代第1個(gè)相關(guān)報(bào)道發(fā)表以來,化學(xué)信息在受傷和未受傷植物間相互關(guān)系中的作用一直存在爭議。有些研究并未發(fā)現(xiàn)受傷植物和未受傷植物間有信息傳遞,而大量的研究則支持受傷植物和未受傷植物間有信息傳遞的假說[27,28,29,30,31,32]。多數(shù)研究結(jié)果表明,無論是在實(shí)驗(yàn)室研究還是田間實(shí)驗(yàn)中,無論是草本植物還是木本植物,都有防御信息的交流,而這種信息傳遞的介質(zhì)則是受傷植物釋放出的揮發(fā)性化合物。植物在受到植食性昆蟲攻擊后會(huì)釋放出大量的揮發(fā)性化合物,目前認(rèn)為,有兩種揮發(fā)性信號(hào)化合物與植物間的通訊密切相關(guān)。3.1.1茉莉酸甲酯(methyljasmonate,MeJA)Farmer和Ryan證明,從修剪的山艾(sagebrush,Artemesiatridentate)釋放出的MeJA在鄰近的番茄中誘導(dǎo)了蛋白酶抑制因子(proteinaseinhibitor,PI)的合成,與化學(xué)合成的外源MeJA有相同的效應(yīng)。但番茄和山艾在田間并不同時(shí)出現(xiàn),故這項(xiàng)研究尚缺乏生態(tài)學(xué)意義。但Karban等在另一項(xiàng)田間實(shí)驗(yàn)中同樣發(fā)現(xiàn)受傷的山艾附近未受傷的野生煙草植株受昆蟲的取食明顯減少,這表明MeJA可能參與了信號(hào)的傳遞過程。阻斷兩者之間的土壤聯(lián)系并不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果,但阻斷空氣聯(lián)系則影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這證明MeJA很可能作為信號(hào)物質(zhì)參與了植物個(gè)體間的信息交流。MeJA是脂肪酸或十八烷在代謝途徑中生物合成的產(chǎn)物,可被植食性昆蟲取食誘導(dǎo)。反之,茉莉酸(jasmonicacid,JA)和MeJA又能在植物體內(nèi)或者人工培養(yǎng)的組織中誘導(dǎo)各種生物防御反應(yīng),且MeJA的揮發(fā)性能加強(qiáng)其在空氣中的傳播能力。3.1.2水楊酸甲酯(methylsalicylate,MeSA)來自于苯丙氨酸裂解酶(phenylalanineammonialyase,PAL)途徑的MeSA是植物內(nèi)部另外一種脅迫信號(hào)分子。最初發(fā)現(xiàn)MeSA可以阻止蚜蟲在植物上繁殖,并吸引植食性昆蟲和螨的捕食者。研究者推測這種揮發(fā)性的甲酯可能對植物的地上部位也有影響。隨后的研究證明,MeSA是植物抗病的一種空氣傳播信號(hào)。由于植物缺少迅速記錄刺激信號(hào)的神經(jīng)系統(tǒng),所以確定從受傷植株釋放出的對鄰近植物產(chǎn)生影響的揮發(fā)物信號(hào)有技術(shù)上的困難。但昆蟲一般能有效地利用外部信號(hào),因此昆蟲的神經(jīng)電生理常被認(rèn)為是確定通過空氣傳播植物信號(hào)的一種方法。有可能昆蟲會(huì)利用這個(gè)優(yōu)勢,借助其能有效利用外部信號(hào)的特性來獲取植物的狀態(tài)信息,或者是避免植物受與其競爭的植食性昆蟲取食,并尋覓合適的取食環(huán)境或發(fā)現(xiàn)潛在的危險(xiǎn)。所有植物種類的受傷植株和未受傷植株間是否都有信息傳遞是一個(gè)重要問題。例如,多年生的樹木比一年生的草本植物更頻繁地暴露給植食性昆蟲。因此,有假說認(rèn)為相對于樹木來說,草本植物對鄰近植物化學(xué)信息的應(yīng)答表現(xiàn)得更為敏感。此外,有關(guān)植物與植物間通過化合物進(jìn)行信息交流的研究常常局限于同一個(gè)種間。所以,尚缺少充足的理由說明植物不能利用來自異種受傷植物的化學(xué)信息。研究發(fā)現(xiàn),來自于同一個(gè)科的兩種植物間也存在著防御信息的傳遞,只是這種傳遞有種的專一性,即同種植物間的信號(hào)強(qiáng)度要比異種植物間大。4點(diǎn)葉花粉中的作用調(diào)控?fù)]發(fā)物合成的信號(hào)是非常復(fù)雜的。在利馬莢中,十八烷途徑的早期中間體和晚期中間體都能誘導(dǎo)揮發(fā)物的合成,但不同的中間體誘導(dǎo)的揮發(fā)物種類不同。早期中間體包括亞麻酸(linolenicacid)和鄰苯二胺(12-oxo-phytodienoicacid,OPDA),可誘導(dǎo)雙萜類化合物的合成,而JA則可誘導(dǎo)單萜和倍半萜的合成。Ozawa等報(bào)道,將JA施加到離體的利馬莢葉片上后,散發(fā)出的揮發(fā)物無論在性質(zhì)上還是數(shù)量上都類似于被甜菜夜蛾和普通夜蛾(Mythimmaseperata)取食誘導(dǎo)的揮發(fā)物;但利馬豆在二點(diǎn)葉螨(Tetranychusurticae,two-spottedspidermite)取食時(shí)產(chǎn)生的揮發(fā)物和JA誘導(dǎo)產(chǎn)生的揮發(fā)物不同,只有施加MeSA或者先施加JA再施加MeSA才能獲得昆蟲取食誘導(dǎo)的揮發(fā)物。研究者認(rèn)為,利馬豆中存在昆蟲專一性揮發(fā)物的誘導(dǎo)途徑,植物對昆蟲的反應(yīng)是通過JA代謝的途徑調(diào)節(jié)的;但利馬豆對二點(diǎn)葉螨的反應(yīng)則是由JA和SA代謝的途徑共同調(diào)節(jié)的。另外還有一種可能性,即二點(diǎn)葉螨誘導(dǎo)的揮發(fā)物合成是單獨(dú)由SA代謝途徑控制的。昆蟲誘導(dǎo)的揮發(fā)物信號(hào)的復(fù)雜性在Dicke等的研究中得到進(jìn)一步證實(shí)。他們觀察到,經(jīng)外源JA處理的利馬豆葉片釋放出的揮發(fā)物能吸引二點(diǎn)葉螨的專一性捕食者。但當(dāng)讓這些捕食者在JA誘導(dǎo)的揮發(fā)物和二點(diǎn)葉螨誘導(dǎo)的揮發(fā)物之間作出選擇時(shí),它們明顯表現(xiàn)出對二點(diǎn)葉螨為害的植物所釋放出的揮發(fā)物的偏愛。因此,目前還不能確切說明哪一種途徑?jīng)Q定了昆蟲誘導(dǎo)的揮發(fā)物的釋放,很有可能是由一個(gè)復(fù)雜的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)的。Thaler在野外實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),番茄葉片施加外源JA,能夠同時(shí)誘導(dǎo)對甜菜夜蛾幼蟲的直接和間接防御反應(yīng)。與未施加JA的番茄葉片相比,用JA處理的植物誘導(dǎo)的直接防御反應(yīng)表現(xiàn)為一些已知的通過十八烷途徑誘導(dǎo)產(chǎn)生的防御蛋白活性的增加以及幼蟲發(fā)育速率的降低。與那些寄生在未作處理的植物上的幼蟲相比,寄生在處理過的植物以及鄰近植物上的幼蟲更容易遭到寄生蜂的攻擊。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示JA參與調(diào)節(jié)直接和間接防御反應(yīng)。盡管這些試驗(yàn)結(jié)果顯示了JA作為一種生物控制因子所發(fā)揮的作用,但還不清楚內(nèi)源性JA在番茄、甜菜夜蛾與棉鈴蟲之間的三級(jí)營養(yǎng)關(guān)系的間接防御反應(yīng)中是否起作用。應(yīng)用這個(gè)體系以及目前已有的JA和SA有缺陷或