次生代谢产物在植物抵抗病虫为害中的作用

中国生物 防治 C h i n e s e J o u r n a l o f B i o l o g i c a l C o n o l 2 0 0 7年 8 月 ； 专题综述 一 ? 次生代谢产物在植物抵抗病虫为害中的作用 李 明 2 ， 一 ， 曾任森2 ， 骆世明2 ( 1 华南农业大学农药与化学生物学教育部重点实验室 ， 广州 5 1 0 6 4 2 2 华南农业大学热带亚热带生态研究所 ； 3 广东药学院中药学院) Se c o n d a r y M e t a b o l i t e s Re l a t e d wi t h Pl a n t Re s i s t a n c e a g a i n s t P a t h o g e n i c M i c r o o r g a ni s ms a n d I n s e c t Pe s t s LI Mi ng ，Z ENG Re n s e n，LUO S h i mi n g ( T h e Ke y L a b o r a t o r y o f P e s t i c i d e a n d C h e mi c B i o l o g y，Mi n i s t ry o f Ed u c a t i o n，S o u t h C h i n a Ag r i c u l tu r a l U n i v e r s i t y ，G u a n g z h o u 5 1 0 6 4 2，C h i n a ) 提要：本文对植物防御病虫害侵染所产 生的主要次生产物种类( 酚类、 萜类化合物、 生物碱类， 以及一些与防御反应相关的信号分子) ；植物通过 空间、 时间、 存在形式以及外部环境调节次 生产物 的合成和积累；利用基 因工程技术调控次生代谢产物的合成等方面进行 了综述。 关 键 词：植物；次生产物；植保素；植物源农药；化学防御 中图分类号：Q 9 4 6 8 文献标识码 ：A 文章编号：1 0 0 5 9 2 6 1 ( 2 0 0 7 ) 0 3 0 2 6 9 0 5 植物在与环境长期互作或生存竞争 的过程 中， 形成 了多种适应或 防御 机制 ， 包括形态结 构、 生理生化代谢等方面， 这些特性逐渐转变为可遗传 的性质保 留下来 ， 这是植物适应环境进 化发展 的结果 。研究表明， 植物的次生代谢产物在提高 自身保护和生存竞争能力 、 协调与环境 的关系 中充 当着重要 的角 色 。最 近 ， H i e r r o 等 2 根 据欧美 矢 车菊 ( C e n t a u r e a c y a n u s ) 成 功入 侵 北美 的实例 ， 提出了生物入侵的“ 新武器假说” ， 认 为入侵植物能够成功侵入异地生长繁衍 ， 是 因为它们拥有“ 武器” ， 即分泌到周围环境的的次生产物， 对邻近植物产生抑制作用的结果 。植 物 在抵御 外界 不利 的生物 环境 ( 病原 菌 、 昆虫或草 食动 物的侵 染 ) 或 非生 物环境 ( 高温 、 冷害 、 干 旱、 紫外线等) 的过程 中， 具有 与入侵植物类似的策略， 利用其产 生的次生产 物作为 “ 化学武 器” 。已知次生产物的五分之四以上来 自于植物 ， 与防御病原菌 、 昆虫或草食动物 的侵染相关 的次生产物达 1 万种之多， 包括防御病原菌的植保素类物质 ， 对昆虫及动物实现阻食、 忌避、 引 诱和毒杀作用的物质以及一些信号分子 。本文对一些主要 的具有防御病虫害功能的次生代谢 产物 作一简 述 。 收稿 13期 ： 2 0 0 6 0 5 1 6 基金项 目：国家 自然科学基金( 3 0 5 7 0 2 8 3 ) ；广东省 自然科学基金( 0 5 3 0 0 8 3 0 ) ；华南农业大学校长基金( 2 0 0 5 K 0 2 9 ) 作者简介 ： 李 明( 1 9 6 3一) ， 女 ， 副教授 ， E - m a i l ：l m 8 6 2 0 0 2 v a h 0 0 c o rn c n 。 2 6 9 维普资讯 中 国 生 物 防 治 第 2 3 卷 1 植物防御病虫害的主要次生产物 1 1 酚类物质 酚类 物质 在抵御病 原菌 及昆虫 的侵染 中发挥重 要 的作 用 ， 许 多酚类 物质 能 以非 特异 方式 影响动物或微生物的分子靶位点 J ， 如： 单宁酸与其他一些酚类物质含有许多羟基 ， 能形成质 子和离子键， 结合许多蛋白质 ， 如酶 、 运载体 、 离子通道 、 受体 ， 导致这些蛋 白质的功能丧失。肉 桂酸及其产生的香豆酸 ， 以及进一步羟基化和甲基化产生的咖啡酸、 阿魏酸和芥子酸， 都是一 些多聚体 、 木栓质、 木质素以及其他一些防御机械损伤和病原菌侵染的多酚类物质的结构元 件_ 4 j ， 且它们本身也具一定的抗微生物特性 ， 如香豆素是一类非常普遍存在的具有化感活性的 物质 ， 也 具 有抗微 生 物及 防御 植食 性 昆虫 侵染 的作 用 5 J 。 B a i s 等 l 6 j 在研 究 入侵 植物 矢 车菊 的 入侵机理时发现 ， ( +) 儿茶酚具有化感特性 ， 而( 一 ) 儿茶酚具有抑菌活性 ， 这个结果也暗示 了植 物 以其最 节约方 式合成 和最 大效率地 利用 次生 产物 ， 使 其 充分 发 挥作 用 。香 豆素 可 以转 化为 水杨酸， 具有抗微生物和在病菌侵染过程的信号传导作用 j 。查耳酮合酶 ( C H S ) 催化 p 一 香豆 酰 C o A和苹果酰 C o A聚合产生查耳酮和类黄酮 ， C H R存在于豆科植物中， 且能催化异黄酮类 物质l 4 j ， 具有抗真菌活性 ， 可能干扰真菌的甾体营养或更为直接地影响真菌细胞膜的透性。其 他 一些 酚类 物质 如 ：二氢黄酮 樱花 亭是 植 物黑 醋 栗 的抗 菌 物质 ， 在 水 稻 叶片上 由真菌 诱 导也 可 产生 ， 大麻酚 、 大麻 二酚 、 四氢 大麻 酚对动 物 、 昆虫都 有毒性 j 。 1 2 萜类化合物 萜类 物质是 由异戊 二烯单 元组成 的化 合物 ， 也来 源于异戊 烯基 焦磷 酸盐 ( I P P ) 或 它 的异构 体及二甲烯丙基焦磷酸( D M A P P ) 。单萜和倍半萜多具有挥发性， 它们不仅具有对昆虫的引诱 、 忌避和传递信息的效应 ， 也具有杀菌的功能。橡胶基质 ， 一种具有化感特性的挥发性五碳化合 物 ， 其聚合体一 橡胶， 是病原菌和草食动物侵染 的屏障_ 4 j 。桑叶中的几种挥发性的单萜化合物 柠檬醛、 里哪醇 、 乙酸萜品酯等对桑蚕具有引诱作用。由单萜或倍半萜组成的胜红蓟素及其类 似物 ， 具有杀驱病菌、 昆虫 的作用l 9 j 。其他一些单萜类物质在植物与其他生物问的关系中发挥 作用 ， 包括具 有一定 抗菌 作用 的薄荷醇 、 含 有芳香 成 分 的柠檬 醛 和香 叶醇 ， 有驱 虫 作用 的香茅 醛 ， 吸引黄 蜂 的芳 樟醇等 _ 4 j 。 倍 半萜烯 是研 究得较普 遍 的植保 素 ， 如病 菌侵 染诱导 马铃薯 ( S o l a n u m t u b e r o s u m) 中的植保 素 r i s h i t i n和 l u b i m i n ， 以及胡椒 ( P i p e r n i g r u m) 和烟 草 ( N i c o t i a n a t a b a c u m) 中的植保 素 c a p s i d i o l 的 积 累。倍半萜 植物抗 毒 素如脱氧 一 6 一 甲氧基 棉酚 等对真 菌有显 著 的抑制 作用 。楝 科 ( M e l i a c e a e ) 植物中的三萜类化合物具有广谱的抗病杀菌作用， 从印楝( A z a d i r a c h t a i n d i c a ) 种子中分离得到 的一系列四环三萜类的抗菌化合物_ 1 ， 其他一些萜类物质如 c a s b e n e 是来 自于蓖麻 的有效抗 真菌物质 ， 紫杉醇即是一种抗癌药物， 也是植物抵御病菌和食草动物的有效物质 j 。 1 3 生物碱类 研究表明， 许多生物碱具有抗病菌或昆虫的作用， 大多数生物碱是神经传递或神经受体的 阻断剂一 “ J 。一些生物碱可以导致 D N A烷基化 ， 使转录和复制不能正常进行， 最终产生移码现 象并导 致突变 的发生 。烟碱 是烟 草 中具 有 杀虫 作用 的生物 碱 ； 网状 番荔枝 碱 是几 百种 异 喹啉 类生物碱的前体， 还可转化为吗啡烷生物碱， 如二甲基吗啡 、 可待因、 吗啡等 ； 黄连素和血根碱 具有显著的抗病原菌和抗病毒的作用。这些生物碱也是昆虫的拒食剂。几种单体吲哚类生物 2 7 0 维普资讯 第 3期 李 明等 ： 次生代谢 产物在植 物抵抗病 虫为害中的作 用 碱长春花朵灵 、 喜树碱， 能聚合产生抗癌药长春碱和长春新碱 ， 而这些生物碱对于草食动物也 具有高度的毒性l 4 J 。麻黄碱存在于麻黄科植物中， 是有效的药用成分 ， 也是抗微生物和一些植 物生长的有效物质， 糖甙茄碱是野生马铃薯在 自然条件下能够抗病 的有效成分。 2 植物防御病虫害相关的一些信号分子 植物在被病原菌 、 昆虫侵染后会诱导一些信号分子如茉莉酸( J A) 、 荣莉酸甲酯( M e J A) 、 水 杨酸 ( S A) 、 水杨 酸 甲酯 ( M e S A) 、 茉 莉酮 、 H 2 0 和 乙烯 等 的产 生 或积 累 ， 这 些 信 号分 子在植 物 响 应外部环境刺激、 以及诱导防御反应等方面具有重要的作用。如 S A在植物 的过敏反应( H R) 和系统获得抗性反应( S A R) 中起信号传递 的作用， 并可以激活防卫基 因的表达 ， 如 ： s A可 以诱 导多种植物体 内病程相关蛋白( p a t h o g e n e s i s r e l a t e d p r o t e i n ， P R) 基 因的表达_ 1 。H 2 0 2 也是一种 重要的信号分子， 是包括过敏反应等引起的程序性细胞死亡 ( P C D ) 的重要上游信号， 且可 以诱 导植物的保卫反应 ， 植物在感病后 ， 体 内会积累 H 2 0 ， H 2 0 2 作为信号分子可 以触发不 同的反 应【 1 。乙烯作为信号分子参与了番茄茎枯病菌( A l t e r n a r i a a l t e r n a t a f ，s p 1 y c o p e r s i c i ) 释放的毒 素 A L L诱导的细胞死亡的调节过程l 1 。 3 植物防御次生产物合成的调节 3 1 空间调节 植保素类物质在植物 中的积累往往是在特殊的部位或器官 ， 这也是植物防止 自身中毒的 一 个重要策略。如 ： 薄荷油在支撑细胞中合成 ， 在薄荷 ( Me n t h a h a p l o c a l y x ) 叶中特殊 的分泌腺 体中积累；噻吩一般是积累在根中特殊 的输导组织 中， 远离代谢活性细胞且避免光敏化反应 发生。橡胶( H e v e a b r a s i l i e n s i s ) 是在产乳细胞中合成的， 通过网状乳管结构遍布整个植物。 3 2 时间调节 次 生产物 的合成 和积 累也是 受 时间调控 的 。次 生产 物 的积 累需要 一 定 的时 间过 程 ， 用 甘 蓝猝倒病菌( P y t h i u m a p h a n i d e r m a t u m) 的菌丝体能诱导洋茴香( P i m p i n e l l a a n i s u m) 悬浮培养物产 生香豆素衍生物 ， 诱导 2 44 8 h时香豆素衍生物含量达到最高水平l 1 。此外， 一些植物的次 生产物 含量 随季 节及其 生 长发 育 时期 的不 同而 改 变 。鼓 槌 石 斛 ( D e n d r o b i u m c h r y s o t o x u m) 中酚 类化合 物 3 月 时量最 低 ， 从 4月开始 各成 分量逐 渐增 高 l 1 。银 杏 ( V i n k g o b i l o b a ) 幼叶 中黄酮 的 含量在 萌芽展 叶期 ， 处 于整个 生长 季 的最 高水 平 ， 随 着新 梢的迅 速生 长 ， 黄酮 含量 持续下 降 ， 至 6月中旬新梢停止生长时降至整个生长季的最低水平， 7月初 以后黄酮含量有所上升 ， 到 8月 中旬至 9月下旬 ， 黄酮含量较高， 到叶片脱落 ， 叶中黄酮含量又有所下降。银杏叶中萜内酯 的 含 量 以萌芽期 幼 叶中含量 最低 ， 随着 叶片 的发育 和成熟 ， 叶中银杏 萜 内酯含量 增加 l 1 。 3 3 存在形式的调节 植物在遭到外部病原菌或昆虫的侵染后 ， 往往会迅速作出反应 ， 在侵染部位合成植保素类 物质。在正常的条件下， 一些植保素合成所需要的前体物质以无毒的形式存在于细胞 中， 如以 无毒的糖苷或与其他的偶联物结合的方式存在 ， 且储藏在合成这些物质细胞 的液泡中， 当细胞 遭受侵染或胁迫时， 一些酶可以活化这些物质 ， 使其成为毒性物质。如：芥子油苷积累在十字 花科 芥子属 的一些 种 中 ， 当植物 遭 受损伤 或胁迫 后 ， 黑芥 子酶 释放 出来 水解 芥子 油苷转 变为具 毒性 的异硫 氰酸盐 同系 物 。蜀 黍苷 、 亚麻 苦苷 和苦 杏 苷是 三种 生 氰糖 苷 ， 水 解 后 能产 生 H C N 。 每种植物都含有高活性的酶 ， 在植物 中这些酶的分布是与这些非毒性的糖苷类物质隔离开的， 271 维普资讯 中 国 生 物 防 治 第 2 3卷 只有当组织破坏或受病菌侵染后才会诱导这些酶发挥作用。 3 4 外部环境因子的调节 在逆境条件下 ， 包括生物( 病虫害侵染) 或非生物的环境( 高温、 寒冷 、 u v 、 臭氧等) ， 植物会 通过产生化学防御性物质而增强其抵御不利环境 的能力。碳 同位素技术研究已证明 ， 棉花 中 的驱虫挥发性次生代谢产物是在受到昆虫刺激后才合成的， 并不事先合成储存这些挥发性物 质_ 】 。植物受到病原菌胁迫时体 内茉莉酸增加， 茉莉酸的积累达正常水平 的 5 O倍 以上时 ， 控 制次生代谢生 物合成关键酶 合成的基因转录启动 ， 合成次 生代谢 物质_ 1 。万 寿菊( T a g e t e s e r e c t a ) 在水分胁迫条件下 ， 其酚类物质的含量明显高于其在水分充足时的含量。研究表 明， 随 着营养胁迫程度的增强， 向 日葵 ( H e l i a n t h u s a n n u u s ) 产生 的酚类物质含量也相应增加。J o s e p 等 _ 2 0 _ 研 究 了 C 0 2 浓度 对 迷 迭香 ( R o s m a r i n u s o f fi c i n a l i s ) 中单 萜 含量 及 其 释放 的影 响 ， 发 现随 着 C O ： 浓度的增加 ， 其体 内单萜含量显著增加， 其释放也受外界环境 的影响 ， 在高温季节 ， 其释放 的单萜含量明显高于其他季节。植物在逆境环境下， 通过合成化学防御物质以抵御不利环境 的影响， 提高生存竞争能力， 也提高了对付病原菌趁虚而人 的侵染能力。 4 次生产物在 防治植物病虫害中的应用与展望 4 1 通过调控次生代谢途径改进作物抗性 在防治病 虫害 的研究 中 ， 从 其他一 些植 物 、 真菌 、 细菌 或动 物 中提取 目的基 因 ， 转入一 种植 物中， 可 以产生 目的毒素的积累， 如将一 种来 自于拟枝孢镰孢 ( F u s a r i u m s p o r o t r i c h i o i d e s ) 的倍半 萜烯合成酶基因转入烟草中， 结果转变烟草 中内源的 F P P为一种真菌毒素的前体物质 t r i c h o d i e n e 。来 自于花生的编码 3 ， 4 ， 5 三羟基芪的基因转入紫花苜蓿( M e d i c a g o s a t i v a) 中表达 ， 导 致紫花苜蓿中的 3 ， 4 ， 5 - 三羟基芪苷( 1 ， 2 二苯 乙烯类植物毒素) 的大量积累 4 J 。将 ( E ) t3 金 合欢烯 合成酶 基 因转 入植 物使其 获得对 蚜虫 的抗性 _ 2 。将高粱 中负责 催化 生氰糖 苷合 成的 2 个细 胞色素 1 3 4 5 0基因 ( C Y P 7 9 A 1 和 C Y P 7 1 E 1 ) 转 入 拟南 芥 ， 转基 因拟南 芥合 成 了蜀 黍 苷 ， 对 十 字花科植物害虫跳甲具有抗性_ 2 。色氨酸脱羧酶( T D C ) 基因是色胺类生物碱合成的关键酶基 因， T h o m a s 等将长音花的色氨酸脱羧酶基因转入烟草， 获得 了色氨酸脱羧酶基因表达的转化 株 ， 抗虫性鉴定表明基 因的表达抑制了烟粉虱( B e m i s i a t a b a c i ) 的生长和繁殖 。富含芥 子油 苷 的花 椰菜 ( B r a s s i c a o l e r a c e a v a r b o t r y t i s ) 品种也 被 成功育成 。 当然， 一些调控次生产物的基因可能具有多种功能 ， 改变它们 的表达可能会影响植物的其 他功能， 这是在基因工程的研究中必须要考虑的问题 。如 ： 紫苜蓿素作为一种植物毒素， 具有 抗菌功能， 也具有抑制苜蓿种子萌发的作用。反义查耳酮合酶不仅减少花瓣 中的花青素含量 ， 而且减少花粉中黄酮醇苷的含量 ， 黄酮醇苷是授粉所必需的， 所以反义体植物是不育的。现 在， 利用表达序列标签技术( E S T ) 、 基因组序列分析以及生物信息学技术 已经鉴定了一些酶 的 基 因 ， 特别是 一些用生 物技 术难 以纯化 的酶 。 此 外 ， 相反 的例子 也得到 了证 实 。一些研究 通过 转入 目的基 因导致 植物 易受病 菌侵 害 ， 如 将细菌中的水杨酸盐羟化酶基因转入拟南芥( A r a b i d o p s i s t h a l i a n a ) 和烟草中， 成功地将水杨酸 转变为儿茶素 ， 水杨酸在植物的保护反应中具有重要的作用。将真菌 中的特殊的植物毒素解 毒基因转入紫花苜蓿中， 可以导致紫苜蓿素羟基化而解除其毒性 ， 经过病菌感染试验的检测发 现转基因受体易感病。因此 ， 植物次生产物研究还有许多问题有待于解决 ， 如一些物质的生物 2 72 维普资讯 第 3 期 李明等 ： 次生代谢产物在植物抵抗病虫为害 中的作用 合 成起 源、 在植 物 内积 累 的调 节 、 作 用 以及转入 基 因对植 物 的影 响 等问题 。 4 2 植物源农药的开发 植物源农药作为生物合理性农药的一个重要组成部分 ， 正越来越受到人们的重视 ， 开发利 用植物资源用于有害生物防治的前景十分广阔， 如已经开发出的农用杀菌剂银泰等产品， 田间 对苹果腐烂病 ( V a l s a m a l i ) 、 苹果轮纹病 ( P h y s a l o s p o r a p i r i c o l a ) 、 番茄灰霉病( B o t r y t i s c i n e r e a ) 、 玉 米大斑 病 ( H e l m i n t h o s p o r i u m t u r c i c u m) 及小 麦 纹枯 病 ( C o r t i c i u m g r a m i n e u m) 均具 有 良好 的 防治 效 果 ， 且优 于 常用 的杀 菌剂 _ 2 。根 据 现 已发 现 的抑 菌效 力 比较 ， 部 分 植 物源 提取 物 的 抑 菌效 果 近似 常规化 学农药 水平 ( 如 黄连 的异 喹啉类 生 物碱 ) 。我 国有 丰 富的 植物 资 源 ， 在这 方 面 的研 究有其得天独厚 的条件 ， 只要加大人力与物力 的投入 ， 必将出现可喜的成果。 植物次生产物在保护植物免遭病原菌、 昆虫 的侵染 中发挥 了重要作用。对植物次生产物 的合成途 径 、 调 控机制 等方 面 的研究 ， 对 于 阐明植 物 与其 他 生物 间 的关 系 ， 生 产有 利 于农 业 生 产 的农 资产 品 ， 以及对 于农 业可持 续发 展和 改进生 态环 境都具 有重要 的理 论和实 践意 义 。 参 考 文 献 S h e h o n A L E v o l u ti o n a r y E c o l o g y R e s e a r c h【 J J ， 2 0 0 0， 2 ： 2 3 1 2 4 9 H i e r r o J L ， J o h n L ，M a r o n J L ，C al l a w a y R MJ o u r n a l o f E c o l o g y【 J J ，2 0 0 5 ， 9 3 ： 51 5 Wi n k M P h y t o c h e m i s t r y【 J J ，2 0 0 3 ， 6 4 ： 31 9 P a i v a N L J o u r n a l P l a n t G r o w t h R e g u l a t i o n l J J ， 2 0 0 0，1 9 ：1 3 1 1 4 3 F a i n i F ， L a b b e C B i o c h e m i c al S y s t e m a t i c s a n d E c o l o g y J ，1 9 9 7 ， 2 5 ( 3 ) ：1 8 91 9 3 B a i s H P ，V e p a c h e d u R，G i l r o y S S c i e n c e【 J J ， 2 0 0 3 ，3 0 1 ：1 3 7 7 1 3 8 0 F a r m e r E E N a t u r e【 J J ， 2 0 0 1 ，4 1 1 ： 8 5 48 5 6 赵福庚，何龙飞，罗庆云 植物逆境生理生态学 M 北京 ：化学工业 出版社 ， 2 0 0 4 孔垂 华，胡飞 植物化感相生相克作用及其应用 M 北京 ：中国农业出版社 ， 2 0 0 1 S c h m u t t e r e r H I n ：L o c k e J C F u n gi【 M We i n h e i m： V C H P r e s s ，1 9 9 5 Wi n k M，S c h i m m e r O I n ：Wi n k E， e d F u n c t i o n o f P l a n t S e c o n d a r y Me t a b o li t e s a n d T h e i r E x p l o i t a t i o n i n B i o t e c h n o l o g y ， A n n u al P 1 a n t R e v i e w s C S h e ffie l d ：S h e ffie l d A c a d e mic P r e s s and C R C P r e s s ，1 9 9 9 1 71 3 3 v a n H o o f t H R A M， A l b l a s S W，d e R ij k R HJ o urn al o f G e n e r al V i r o l o g y J J ，1 9 8 6 ， 6 7 ：2 1 4 32 1 5 3 N e i l l S J ， D e s i k a n R，C l ark e A，H u r s t R D，H anc o