（植物学专业论文）野含笑挥发性气体vocs及种群间信号传递的初步研究.pdf

厦门大学硕士毕业论文 摘要 本课题主要研究了野含笑的三种处理( 健康树、近对照及虫害树) 释放的v o c s 成分及 v o c s 调控的野含笑种群间的信号传递。结果发现：三种处理野含笑释放的v o c s 都是包含 很多种成分的复杂混合气体。健康野含笑释放的v o c s ( 1 3 ：0 0 - 1 5 ：0 0 ) t c t - g c m s 分析后 共分出7 3 个峰，其中相对含量0 0 5 以上的成分3 8 种，占v o c s 总含量的8 2 1 4 ，含量较 大的成分包括2 甲基1 丙醇、2 甲基丙酸乙酯、己烷等。与含笑属其他种v o c s 成分相比， 野含笑v o c s 中临苯二甲酸二甲酯、顺式1 甲氧基1 丁烯、乙酸一( z ) 2 戊烯酯为首次报道。 虫害野含笑v o c s ( 1 3 ：0 0 1 5 ：0 0 ) 中相对含量0 0 5 以上的成分为5 6 种，与健康野含笑 v o c s 相比缺失2 种，即己烷、十七烷；新增2 0 种，其中烃类物质种类最多( 5 种) ，且1 己烷含量较高；同时在新增加的2 0 种成分中，萜烯类物质含量很高，可知在野含笑中是烃类 物质和萜烯类物质共同作用发挥了诱导化学防御的功能。 通过对三种处理野含笑叶片中多酚类物质相对含量的比较，发现健康的野含笑叶片内多 酚类物质的含量很低，一般在o 5 3 3m g g 左右，而近对照及虫害野含笑叶片中多酚类物质则 达到了1 0 3 3n a g g 及1 1 3 3m g g 。这在一定程度上验证了多酚类物质与植物诱导防御反应有关， 同时也表明近对照植株接受到了某种信号( 这种信号包含了日本龟蜡蚧取食为害的信息) ，从 而使体内多酚类物质含量提前增加，为即将到来的虫害做好准备。因相邻野含笑植株问相距 较远，土壤内的根系接触可以排除，所以极有可能是v o c s 在野含笑种群间起到了信号传递 的作用。 在虫害野含笑v o c s 新增加的2 0 种成分中，乙烯、2 甲基2 丙醇、1 己烯等，分子量小、 挥发性高，在空气中浓度降低很快，无法传播很远的距离。而一些萜烯类如m e s a 、柠檬烯、 雪松烯、a 香柑油烯等分子量大、挥发性弱，起着长距离信息传递的作用。柠檬烯、1 己烯 是近对照及虫害野含笑v o c s 新增加的两种成分。这两种物质的相对含量日变化具有昼夜节 律性，正午( 1 3 ：0 0 1 5 ：0 0 ) 和午夜( 1 ：o o 3 ：0 0 ) 两时间段内出现小高峰，这表明在 v o c s 防御方面，野含笑可能是通过两种方式来加强正午和午夜时间段内的防御效应，一方 面增加v o c s 总的释放量，另一方面增加v o c s 中某些成分的相对含量。 关键词：野含笑；v o c s ；信号传递 a b s t r a c t n e a r - ：n m i s p a p e r , m i c h e l i a t 础渤，z e 砌懈p j a i l t s w e r e l 曲l e d i n t 。t h r e e t y p e s ： healthmrastiv ：= b v ea n d i n s e c t - d a m a g e d t h i t h s p a p e n c i u d 一：四：翟e ：= a b o v e - m e n 们t i o n e dt h r e e t y p e so f p l a n t sa n d - - 州1 c s i 删v p o n g i a t 6 , n t t i 删l ea n a l y s 鼍e 。? = = p o p u n l a 。t i o n mr e s u l l s s h o w e d 龇ev o c sr e l e 二b y 。誓a t ；t l o n 噼mm i c w e r e h e l i a 裂篡伧“唧。u n d si n c l u d i n g 嘣0 u sc o m p o n e n t s v o c s r e l e 捌l b y h l l gm e a l r e e t h 了乏篡n a ：黧：p l a n t s ( 1 3 ：0 0 - 1 5 ：o o ) c o n t a i n e d7 3c o m p o n e n t s ，i nt h o s et here叼werd罴川唧d 旭n 口a r = ：t 窖e s p e c t i v e r e l a t i v ec o n t e n ta b o v e 0 0 5 a 1 1 d t h e i rt o t a lc t w 茹c 1 0 4 m p o n e n t e s t h a t = ：仑w e r e1 - p r o p a n o l , 2 - m e t h y l a n d p 唧锄o j c 加啡舢妒：。二= = t 兰h ：芝e o p p e s tc o n t e n t c 0 咖锄c 。m p a r e dw 油。孟0 = i l ：j u 茹：焉t h = = 争1 。m eo x y - l - ，b u t e n ea n d 倒俳l - 0 l a c e t a t ew e r ef i r “s t o 唧im o n i e d c a v 之= o c = = sr e l 。e a s e d 鼍驾? d 锄略e d 蚴如渤露咖撇( - 3 ：磊：? ? 珊鬈圮7 7 口 = = = 竺，? t hk 砒? 舳，2 ( h a n d h 删三锄e ) 。= e m i s s c o i n g n t a i n 删e d5 0 6 主= = 二等、罴1 ) ：。哪e a r 酣o f 岫o n e w - y a p p e a r e d c 啪p 二g _ l l l 。i i 8 , 攀a 幻r n d s w e 删r e t h e 如r p e n c o 砷i d 。璐，。f 州c h t h ec o n 溉t0 f 1 - h e x e n ew a s 圳v e l y l l i g h b e s i d e s ，。c 。n t e c t 。f s w a s 触a n i m 洲州a l s 俐oh i k g h 挑a l lt h e a b o v e r e s u l t s s h o w e dt h a th y d r o c a r b o n s , a ”s “w ”e l l m 勰e 妥三 撇：1 鼍0 n 锄p 锄协i n d u c i n g 俐 砒s 锄刀臼锄口，s c h e r l l i c a ld e s e 1 k 叩四1 0 m 5 1 1 1 ep h 髓0 h c s c 。n t e n ti nh e a i l h y 懒砒咖，l e r i a n a s l e a v e sw a sv rag唧l 。w ，a t 岫呦g , w h ，e r e a s t h ec o n t e n ti nn e a r - e o n t r a s t i v ea n d i d 锄删蚴如二三：三= l ：黧。y 1 ，0 3 3 m g ga n d1 1 3 3n w g 1 0 s 0 t o m e d 黜，t h e 删s 帆d t h a t t h 一= ”n q c ：= 黛m i c h e l i a s k i n n e r i a n a si n d u c e d c h 删编叠。a n d t h en e a r - z 一t t u j i i e - - i i o i i c sw ereedas ia p p 眦e 1 v g n a le a r r i n gt h ei n f o r m a t i o no f t h ed 锄a g e o f 国, 印, = , 协u 泐s , - 抑u a r 。- c 忍。鼬n t r a s t h t l v e es pil舯analtsmadet h en e a r p - c o n t r a s t i v ep l a n t sg o t readhenolics y 南r t n e 硫e c td 姗a g e ：川苫：= 1 8 1 s c o n t 篡鼢k 胁懈e n t t h e 。p l a ，n t sw e r e f a r f r o mc a m t h e r , t h e r o o t - t o 。o t c o 哟= ：b ：= 萧t h e1 t sp r o b a b l yt h a tv o c s t 。kap a ni nt h ey o l a t i l es i g n a l i n g i np l a n t - p l a n t 。i 二= ? 。l | ：i 。ee x引uaeds。of t he2 0 n e w l ya p p e a r e d c o m p o n e n t s ，e t h y - l - e - n o e - ，2 p b r o , , n , t , , 。p 。z ，、a l t z t - 1 l d l i l l 1 t l l n 一t e l a c t 1 0 n s w h i c s m a l l h i g h l yv w b i l em e sao t l a i r n t i l 。e c o m p o u n d s ，d i 觚s e dr a p j d l yi n a i r ， s o v “t 1 1 = u e z y , z c - 。t u t i l c d l l t l l y ，t l - , t - 1 l e x e n ew h d i c f i l i h t w h e e r r e 喇洲鹤蚍妇。n ，e n e , c e d r e n e 叫e ) - 吣e r g e n e ：协k 。：二o et r a n s p o r t e d i s p e r s a ld = n 鲫, i v w e a r n e n m e a o 忡r e 一1 i k ，e l y t o f u n c t i o n a ss i g n a l 。v e r l 。n g e rd i s t a n c - e , , “m , l a u 胁c o e m 锄p a d r a l t h i v 懿e l y e n ：兰 咖n 鲫炒a p p e a r 酣c 0 呻0 n e n t “nn c 昏c 。n 舰s t i v e 锄di n s e c t d 锄：葛荔乏：= 2 厦门火学硕士毕业论文 p l a n t s ，t h e i rr e l a t i v ec o n t e n th a dt h es a m ed a i l yc h a n g ec u r r e n t ，t h a tw a sr h y t h m i c i t y i naw o r d ， m i c h e l i as k i n n e r i a n ae n h e n c e di t sc h e m i c a ld e f e n c em a i n l yb ym e a n so ft w ow a y s ：o n ew a s i n c r e a s i n gt o t a lm o u n to fv o c s ，t h eo t h e rw a si n c r e a s i n gt h er e l a t i v ec o n t e n to fs o m es p e c i a l c o m p o u n d s k e y w o r d s ：m i c h e l i as k i n n e r i a n a ；v o c ；v o l a t i l es i g n a l i n gi n t e r a c t i o n 3 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为( 舞井兰寿j 纯皋毡驹均乡每畅课题( 组) 的研究飙获得( 麟雠渤移题( 组) 经费麒验室的 资助，在(兰苦孑) 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 声明人( 签名) ： p 汐扩年7 月z 乙日 畅料 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( ) 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人( 签名) ：锄伟率 加夕万年7 月z 乙日 厦门大学硕士毕业论文 1 1 引言 第一章研究背景 植物进化过程非常复杂，既要招徕昆虫传粉、以不同形式传布种子，又要耐受极端的生 态因子、机械损伤、昆虫取食等。在生存繁衍进程中，植物自身发展了很多保护措施，如有 效的物理、化学和发育抗性机制。释放挥发性气体( v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ，v o c s ) 是植物 化学抗性机制的重要方式。植物非常“擅长”气体交换：树木可以通过从大气中吸收c 0 2 来形成 森林。植物每年可以从大气中吸收1 2 0 p gc 的c 0 2 ，这些c 0 2 中的一半通过呼吸作用又重新回 到大气中。植物吸收的碳元素中3 6 以复杂的植物挥发性气体( v o c s ) 的形式释放出来。虽 然小部分v o c s 纯粹是代谢废物，但大部分v o c s 可调节植物的授粉现象并抵御动物为害 ( b a l d w i ne ta 1 ，2 0 0 6 ) 。v o c s 在生态系统中的作用非常重要，它不仅招徕传粉的昆虫，影响其 寄主选择、产卵行为、择偶行为，近年来的研究还表明植物可以通过给予捕食动物食物奖励 吸引捕食动物的到来，从而给草食动物造成压力，为我们的化学生态学研究指明了新的方向。 v o c s 在植物问信号传递过程中也起着极其重要的作用。2 0 年前研究人员意外发现：一些 植物( 接收者) 防御昆虫为害的能力及次生代谢过程发生了变化，而这些植物是生长在被植 食性昆虫取食为害的植株( 释放者) 附近的。因为在以往的实验中，空气间的信号交流可以 很好地解释实验结果，所以上述研究人员意外发现的这个植物问信号传递的现象就被称为“植 物间的谈话”。现在对v o c s 在植物间信号传递中所起作用的研究已越来越多，也越来越深入。 b a l d w i n 等( 1 9 8 3 ) 用白杨树苗做的实验发现受害株的气载信息素加快了邻近株的生物合成， 他们后来推测( 后已证明) 这种物质是乙烯。s h o n l e 和b e r g e l s o n ( 1 9 9 5 ) 发现当植物受到攻 击时，植物体内诱导合成茉莉酸，茉莉酸又可转化成茉莉酸甲酯，通过临近植株的气孔进入 其体内，活化其防御基因合成蛋白酶抑制剂、酚类和生物碱等，并且其诱导效应高于乙烯。 f a r m e r 等( 1 9 9 0 ) 利用西红柿幼苗做的实验也得出类似的结果。b a l d w i n 等( 2 0 0 6 ) 对v o c s 调控的植物间信号传递过程作了详细地论述。 1 2v o c s 在生态系统三级营养关系中的作用 v o c s 在生态系统中的作用也非常重要，v o c s 在“植物植食性昆虫天敌三级营养关系中 的作用已成为现在化学生态学研究的热点之一。v o c s 不仅招徕传粉的昆虫，影响其寄主选择、 产卵行为、择偶行为，近年来的研究还表明植物可以通过给予捕食动物食物奖励吸引捕食动 4 厦门大学硕 ：毕业论文 物的到来，从而给草食动物造成压力，为我们的化学生态学研究指明了新的方向。目前对v o c s 的研究主要集中在植物和昆虫两个方面：植物方面，侧重于v o c s 的变化和生物合成途径，蛋 白和基因的表达等：昆虫方面，侧重于对天敌的吸引、昆虫的行为反应和包括v o c s 在内的次 生物质的毒性机理和生态作用，昆虫唾液成分中的诱导因素等。 1 2 1 植物释放的v o c s 许多植物的次生物质和基本代谢的中间产物，以v o c s 的形式释放出来影响周围的其他生 物。当植物组织受损( 机械损伤或昆虫为害) 时，相对分子质量在1 0 0 - 2 0 0 之间的许多萜类、 芳香酚类、醇类、醛类等，很容易挥发到空气中；未受损伤的植物，也可以通过张开的气孔、 叶表皮和腺细胞释放出来，不过释放速率就低多了。植物周围空气中的v o c s 可能有数百个， 通常有一个或几个主导化合物。b u t t c r y 和l i n g ( 1 9 8 4 ) 研究发现玉米叶周围空气中的v o c s 至少有2 4 种，但7 5 的部分是7 种化合物。昆虫的取食为害可以促进植物释放v o c s ，气体的 成分与浓度与正常植株有很大区别。虫害诱导的v o c s 种类很多，包括烯烃、烷烃羧酸和醇类 等，其中占主导地位的是g l v s 和萜烯( g a t e h o u s e ，2 0 0 2 ) 。机械损伤或健康植物一般不产生或 只产生少量的萜类物质( m c c a l lc ta 1 ，1 9 9 4 ) ，而在受植食性昆虫取食后，v o c s 往往会包含大 量的萜烯类物质( 张瑛和严福顺，1 9 9 8 ) 。 每种植物都有各自的挥发性物质，并以一定的比例组成该种植物的化学指纹图( 周琼和 梁广文，2 0 0 1 ) 。同时许多植物v o c s 的释放具有昼夜节律性，如油松( 李金龙等，1 9 9 4 ) ，柿 树( d i o s p y r o sk a l a ) 和枣树( z i z i p h u sj u j u b a ) ( 赵悠悠等，2 0 0 5 ) 。除此之外，v o c s 的诱导 及释放是系统性的，即不但昆虫为害的部位会释放防御性的v o c s ，同株植物没被侵染的部位 也有v o c s 的释放，这也形成了植物防御昆虫为害的系统工程中重要的一部分。 1 2 1 1 组成型v o c s 正常情况下，植物细胞、组织或器官中的挥发物或其前体中都有v o c s 的存在，这些v o c s 称为组成型v o c s ，它们一般在昆虫取食后几分钟内就开始释放，取食结束或移走昆虫后往往 很快就下降，主要包括绿叶气体( g r e e nl e a fv o l a t i l e s ，g l 、，s ) 和一些成环的萜烯类物质( t u r l i n g s e ta 1 ，1 9 9 8 ；a r i m u r ae ta 1 ，2 0 0 0 ) 。g l v s 有一种受损叶片所发出的“割草”气味，主要包括六碳的 醇和醛( 表1 1 ) ，这些气体是由叶片酯类氧化产生的，多以适当的量挥发出来( 阎凤鸣，2 0 0 2 ) 。 不饱和醇和醛的前体是亚油酸，常可占叶片干重的1 以上。同一种特定植物所释放的g l v s 的相对数量一定是一致的，有些昆虫可以通过感受这些种类的特定的g l v s 的浓度，来区分寄 厦门大学硕士毕业论文 主和非寄主植物( 阎凤鸣，2 0 0 3 ) 。 表1 1 植物释放的g l v s 主要组分 醇类 醛类 3 一( e ) 一已烯醇 3 一( e ) - h e x e n o l 】 3 一( z ) 一已烯醇 3 一( z ) - h e x e n o l 】 2 一( e ) 一已烯醇 2 一( e ) h e x e n o l 】 已烯醇( h e x e n 0 1 ) 3 一( e ) 一已烯醛 3 - ( e ) 一h e x e n a l 】 3 一( z ) 一已烯醛 3 一( z ) 一h e x e n a l 】 2 一( e ) 一已烯醛【2 一( e ) 一h e x e n a l 】 正已烯醛( n h e x e n a l ) 也有些植物能释放单萜，如m a t t i a c e i 等( 1 9 9 4 ) 研究抱子甘蓝( b r a s s i c ao l e r a c e a v a l g e m m i f e r a ) 叶片在健康、机械损伤、植食性昆虫取食、昆虫口腔分泌物处理这4 种情况下释放 出的g l v s 和萜类物质量，发现后两种情况下g l v s 明显增加，而萜类物质的量在4 种情况下基 本相似。 1 2 1 2 诱导型v o c s 此外，有许多v o c s 是受昆虫取食诱导后，启动基因经一系列酶促反应从头合成的，这些 v o c s 在昆虫取食几小时后才释放，且在以后几天内都可以检测到，包括烯烃、烷烃、羧酸和 醇类等，但占主导地位的是六碳的g l v s 和萜烯( 主要包括大多数非成环萜烯( p a r 6 & t u m l i n s o n ，1 9 9 9 ) ，包括单萜( c 1 0 ) 、倍半萜( c 1 5 ) 和多萜( c 2 0 ) ) 。大部分植物在受到损伤 后释放的v o c s 通常都包括g l v s 和萜烯( g a t e h o u s e ，2 0 0 2 ) 。现在发现的萜类物质合成途径有 两条：一条是甲戊二羟酸途径( m e v a l o n a t e d e p e n d e n tp a t h w a y ) ，另一条是甲基苏糖醇磷酸酯 途径( d e o x y x y l u l o s ep a t h w a y ) ，或者叫非甲戊二羟酸独立型途径( m e v a l o n a t e - i n d e p e n d e n t p a t h w a y ) ( r o h m e r e ta 1 ，1 9 9 3 ) 。这两条途径都能产生异戊烯焦磷酸( i s o p e n t e n y l - p y r o p h o s p h a t e ， i p p ) ，再有各种萜烯合成酶合成单萜、倍半萜和多萜；第二条途径在合成诱导释放的单萜类 物质中起主要作用( b a l d w i n p r e s t o n ，1 9 9 9 ) 。 在诱导合成的过程中，有些由昆虫口腔分泌物中的特定成分激活，昆虫的口腔分泌物中 某些成分能够增 j h v o c s 的释放- 量( r f s e & t u m l i n s o n ，2 0 0 5 ) 。目前已分离出两类成分：一类是 蛋白质，a l b o m 等( 1 9 9 7 ) 从甜菜夜蛾( s p o d o p t e r ae x i g u a ) 口腔反刍液中分离鉴定出一种低分子 量的脂肪酸衍生物n - ( 1 7 一羟基- 亚麻酰基) 一l 广谷氨酰胺( n 一( 1 7 h y d o x y l i n o l e n o y l ) - l - g l u t a m i n e ) ， 6 厦f - j ：k 学硕士毕业论文 他们把这种挥发物诱导素命名为v o l i c i t i n 。研究表明、，0 l i c “i n 的n ( 1 7 羟基亚麻酰基) 部分来源 于植物，l 谷氨酰胺部分来源于甜菜叶蛾，两者在幼虫的口腔分泌物中合成整体的v o l i c i t i n ( p a r 6 & t u m l i n s o n ，1 9 9 8 ) 。机械损伤的玉米幼苗不会大量释放萜类化合物，但把含有 v o l i c i t i n 的昆虫1 3 腔分泌物涂到玉米伤口处，玉米就会释放大量与幼虫取食相同的萜类化合物 ( a l b o me ta 1 ，1 9 9 7 ；t u r l i n g se ta 1 ，2 0 0 0 ) 。另一类是小分子化合物，m a t t i a c c i 等( 1 9 9 5 ) 在欧洲粉 蝶( p i e r i sb r a s s i c a e ) 幼虫口腔分泌物中发现一种b 葡糖苷酶( t 3 g l u c o s i d a s e ) ，这种酶可诱导甘蓝 释放v o c s ( m a t t i a c c ie ta 1 ，1 9 9 5 ) 。4 ，8 二甲基1 ，3 ，7 壬三烯是昆虫取食所诱导的一种特异性 的挥发物。在自然状态下，它以p 葡糖苷的形式储存在植物体内，当昆虫取食叶片时，被口 腔中的p 糖苷酶分解，并以挥发物形式释放出来。 有的化合物则既可以成为组成型化合物也可以被诱导合成。如乙酸3 己烯酯是植物受到 虫害后普遍释放的一种g l v s ，但它在损伤后相当长时间内都可以检测到( p a r 6 & t u m l i n s o n ， 1 9 9 7 ；k o c he ta ，1 9 9 9 ) 。m a t t i a c c i 等( 1 9 9 5 ) 和m c c o n n 等( 1 9 9 7 ) 的研究也证实了这一点。 1 2 1 3v o c s 释放的特异性 对同一种昆虫来说，当它取食为害不同类群的植物时，v o c s 的组成及释放量不同。 t a k a b a y a s h i 等( 1 9 9 4 ) 分析了被棉红蜘蛛( t e r a n y c h u su r t i c a e ) 取食为害的亲缘关系较远的利马豆 ( p h a s e o l u sl u n a t u s ) 、黄瓜( c u c u m i ss a t i v u s ) 、苹果( m a l u sd o m e s t i c a ) 、黄花大蒜芥( s i s y m b r i u m l u t e u m ) 4 种植物，发现它们产生的v o c s 的组成差别较大。而对于亲缘关系很近的种来说，v o c s 的差别比较小，只表现在一些小含量的组分上( w e ie ta 1 ，2 0 0 6 ) 。 植物还能分辨同种昆虫不同龄期的幼虫，从而做出不同的反应，如菜豆( p h a s p o l u sw 枷嘲 被成年潜叶蝇与其二龄幼虫为害后诱导释放的v o c s 有明显的不同( w e ie ta 1 ，2 0 0 6 ) 。般认 为，植物能对不同的昆虫及不同的龄期进行精确的分辨与昆虫口腔反刍液有关( 黄翠虹， 2 0 0 6 ) 。 另外，v o c s 诱导的量与植物被破坏的程度有关。相同龄期的幼虫，密度越大诱导的量越 多( g o u i n g u e u 6e ta 1 ，2 0 0 3 ) ；同时破坏力大的取食方式也能诱导较多的v o c s ，如玉米中咀嚼 式口器的昆虫能诱导大量v o c s ，而刺吸式口器的蚜虫基本不诱导v o c s ( t u r l i n g se ta 1 ，1 9 9 8 ) 。 随着分子生物学、细胞生理学等学科的发展，人们逐渐认识至u v o c s 释放存在特异性在基 因水平上的解释，在这方面最好的例子是苯丙氨酸( p h e n y l p r o p a n o i d ) 代谢中所涉及的酶及 其反应。代谢途径中的第一个酶是苯丙氨酸氨基裂解酶( p h e n y l a l a n i n ea m m o n i al y a s e ，p a l ) ， 7 厦门大学硕士毕业论文 以多种形式存在，以诱导的方式不同而不同。在皱叶欧芹( p e t r o s e l i n u mc r i s p u m ) 中，p a l 至少受4 个基因控制，每一种以不同的比率或以诱导出不同的量的终产物对紫外线、伤害和化 学刺激做出反应( b o w l e s ，1 9 9 0 ) 。可见v o c s 的诱导过程并不是植物的被动反应，而是植物对 外界环境变化的具体特性在次生代谢上做出的主动调节。 1 2 1 4v o c s 释放的系统性 一般来讲，v o c s 的释放具有系统性，即植物体在遭受虫害后不仅受损伤部位，而且整株 植物都会有v o c s 的释放，从而对植食性昆虫的为害做出系统性的反应。k a r b a n 和c a r e y ( 1 9 8 4 ) 发现棉花被叶螨为害后长出的新生组织对同一种螨也具有很强的抗性。玉米和棉花植株在遭 受虫害后，其同株上的健康叶也能产生v o c s ，以萜烯类物质为主，这些萜烯是从头合成的 ( t u r l i n g s & t u m l i n s o n , 19 9 2 ；r 6 s ee ta 1 ，19 9 6 ；p a r 6 & t u m l i n s o n ，19 9 8 ) 。e d w a r d 和c l a r e n c e 等 ( 1 9 9 0 ) 用番茄做的实验同样得出类似的结论。 v o c s 系统性的诱导和释放涉及植物体内复杂的信号转导过程。用茉莉酮酸( j a s m o n i c a c i d ， j a ) 处理机械损伤的水稻也能诱导植物释放v o c s ，并且能吸引稻虱缨小蜂( a n a g r u s n i l a p a r v a t a e ) ( l o ue ta 1 ，2 0 0 5 ) 。e i s j a 还可以诱导蚕豆产生v o c s ( b r i k e t te ta 1 ，2 0 0 0 ) 。虫害 诱导的v o c s 的信号通路很可能涉及j a ，但是j a 通路并不能解释全部的v o c s 诱导现象。 1 2 1 5v o c s 释放的节律性 释放诱导型化合物的植物在昆虫取食后，同一部位不同时间所释放的v o c s 组成不同。如 玉米被取食后，几分钟后就释放六碳醇醛，其含量在损伤结束后迅速下降；接着是早期释放 的萜烯类，包括芳樟醇、3 e 4 ，8 一d i m e t h y l 1 ，3 ，7 n o n a t r i e n e 等；然后是吲哚和后期释放的萜烯类， 包括石竹烯( c a r r y o p h e l l e n e ) ，t m t ( 3 e ，7 e ) 4 ，8 ，1 2 - t r i m e t h y l 一1 ，3 ，7 ，11 一t r i d e c a t e t r a e n e 等( t u r l i n g se t a 1 ，1 9 9 8 ) 。 l o u g h r i n 等( 1 9 9 4 ) 发现甜菜叶蛾( e x i g m ) 取食棉花后诱导产生的开环式萜烯( 罗乐烯、蛇 麻烯等) 的释放具有明显的昼夜节律性，且移走昆虫后这种节律性依然保持。合作杨( p o p u l u s s i m o n i i x p y r a m i b a l i s ) 受到杨扇舟蛾( c l o s t e r aa n a c h o r e t a ) 幼虫取食后，植物体内的萜烯合成酶基 因的表达也具有昼夜节律性的特点( 胡增辉，2 0 0 7 ) 。这种节律性产生的机理可能包括糖苷键 的断裂( m a t t i a c c ie ta 1 ，1 9 9 5 ) 、并发生酸催化的醇脱氢反应使萜烯类碳氢化合物增多( e n g e l & t r e s s l ，1 9 8 3 ) ，也可能是植食性昆虫的侵害诱导出一系列萜烯合成酶，有待于进一步的探究。 不同时间的v o c s 成分变化暗示了植食性昆虫在植物上停留时间的长短，同时v o c s 有昼 厦门大学硕士毕业论文 夜节律的释放对于一些夜间活动的昆虫具有特殊意义，可见v o c s 在植物昆虫生态系统中发 挥重要作用( t a k a b a y a s h ie ta 1 ，1 9 9 4 ；h o n d ae ta 1 ，1 9 9 8 ；k o c he ta 1 ，1 9 9 9 ) 。 1 2 2v o c s 对植食性昆虫的影响 植食性昆虫取食可诱导植物产生富含萜烯类物质的v o c s ，而这种v o c s 反过来又会影响 植食性昆虫的种种行为活动，具体体现在幼虫寄主选择、成虫产卵行为、求偶行为等方面， 可以说是和植食性昆虫的整个生命周期紧密联系，息息相关( r e d d y & g u e r r e r o ，2 0 0 4 ；黄翠虹， 2 0 0 6 ) 。 1 2 2 1 幼虫寄主选择行为 昆虫为害后的植物释放大量的v o c s ，而这也使植物更加暴露在众多昆虫的感知范围内。 v o c s 会吸引同种昆虫，也能排斥潜在的异种昆虫。实验表明，二斑叶螨( t e t r a n y c h u su r t i c a e ) 偏爱被同种所光顾过的黄瓜，而避开被西花蓟马( f r a n k l i n i e l l ao c c i d e n t a l i s ) 所光顾过的黄瓜 ( p a u i n ie ta 1 ，1 9 9 7 ) 。玉米( z e am a y s ) 被草地粘虫( s p o d o p t e r a f r u g i p e r d a ) 幼虫咬食后6 h 释放出芳 樟醇( l i n a l 0 0 1 ) ，能够吸引同种的幼虫( c a r r o l le ta 1 ，2 0 0 6 ) 。 昆虫诱导释放的v o c s 对昆虫的寄主选择行为并没有特定的规律，而是因昆虫和植物的具 体情况而异的。对于昆虫来说，v o c s 可能同时包含了正面和负面的信息( b e m a s c o n ie ta 1 ， 1 9 9 8 ；d i c k e & v a nl o o n ，2 0 0 0 ) 。正面的信息包括：有食物来源，尽管有竞争者，但总比没有 食物好，因为健康寄主气味微弱难以寻找；防御系统已经被其他昆虫克服，植物变弱了，对 昆虫更敏感了。在这种情况下昆虫选择已经被感染的植物也能完成生长发育的过程。v o c s 也可能包含负面信息：寄主防御系统可能已经启动，可能已经开始产生有毒的次生代谢物了： 寄主的可口程度和营养含量开始下降了；寄主上已经有其他植食性的竞争者存在；寄主植物 可能吸引天地。在这种情况下v o c s 能够让其他植食性昆虫产生趋避行为。 1 2 2 2 成虫产卵行为 大部分鳞翅目成虫都避免在大量释放v o c s 的植物叶片上产卵。烟草( n i c o t i a n at a b a c u m ) 受损伤后，在夜间释放( e ) 一2 - h e x e n a l 、( z ) 一3 h e x e n y lb u t y r a t e 、( z ) - 3 一h e x e n y li s o b u t y r a t e 、 ( z ) 3 - h e x e n y la c e t a t e 、( z ) 一3 - h e x e n y lt i g l a t e 等化合物，以排斥烟蚜夜蛾( h e l i o t h i sv i r e s c e n e s ) 、 谷实夜蛾( 阢疆耙d w 甲日z e a ) 、烟草天蛾( m a n d u c as e x t a ) 产卵。部分g l v s 只在夜间释放，这对鳞 翅目昆虫的雌性成虫在夜间寻找产卵场所具有重要的信号意义( d em o r a e se ta 1 ，2 0 0 1 ) 。与幼 9 厦门火学硕士毕业论文 虫相比，成虫的活动能力较强，搜寻合适寄主的范围比较大，避免散发大量v o c s 的植物，可 以尽量避免自己的后代与潜在竞争者发生竞争，减少被天敌袭击的可能。 1 2 2 3 求偶行为 昆虫能利用植物的次生物质作为寻找配偶的化学信号。植物v o c s 中的信息素与昆虫的性 信息共同作用加强聚集效应，一些g l 、，s 能增强昆虫对性信息素的反应( r e d d y & g u c r r c r o ， 2 0 0 4 ) ，如瘿蜂( a n t i s t r o p h u sr u f u s ) 能够改变寄主v o c s 的配比，雄蜂利用v o c s 作为性信息素， 来寻找匿藏在植物虫瘿中的雄虫( t o o k e re ta 1 ，2 0 0 2 ) 。 1 2 3v o c s 对昆虫天敌的吸引 在植物一植食性昆虫一天敌三级营养关系中，v o c s 主要起吸引天敌以控制植食性昆虫的 作用。v o c s 使植物的次生代谢物总量大为增加，并且有很多新的代谢物出现，它为天敌提供 了一个可靠的、便于探测的信号( t u r l i n g s e ta 1 ，1 9 9 5 ) ，发挥着间接防御的功能。 植物通过光合作用固定的碳有3 6 用于挥发性气体的释放( k e s s e l m e i e re ta 1 ，2 0 0 2 ) 。这些 挥发性气体在利用动物传粉与防御动物取食方面起着智能调节作用，这充分表明了植物与植 物之间、植物与较高营养级动物之间的通讯水平( d i c k ee ta 1 ，2 0 0 3 ) 。近年来，植物能否感知 草食动物攻击的到来成为化学生态学研究的焦点( b a l d w i ne ta 1 ，2 0 0 6 ) 。不仅受草食动物直接 为害的植物次生代谢物的释放受到关注，通过给予捕食动物以食物奖励给草食动物造成压力 ( h e n & k o s t ，2 0 0 6 ) 或通过释放v o c s 帮捕食动物和寄生蜂确定草食动物的位置( c h o he ta 1 ， 2 0 0 4 ；r u t h e r & k l e i e r , 2 0 0 5 ) 也受到关注。 单独的红蛛螨( t e t r a n y c h u st u d e n o 的气味并不吸引它的天敌普通草蛉( c h r y s o p e r l a c a r n e a ) ，而被红蛛螨感染的茄子、黄秋葵和胡椒释放的v o c s 贝j 能够强烈的吸引普通草蛉 ( r e d d y , 2 0 0 2 ) 。有的植物释放的v o c s 在吸引天敌的同时，也可抑制植食性昆虫的产卵量，同 时发挥间接和直接防御的功能。野生烟草( n i c o t i a n aa t t e n u a t a ) 释放的v o c s 能够吸引寄生性 昆虫，同时还可使植食性昆虫的产卵量减少9 0 ( k e s s l e r b a l d w i n ，2 0 0 1 ) 。 植物遭受虫害后释放的v o c s 包含了多种信息，包含昆虫的种类、龄期和密度等信息。最 近的研究还发现天敌能够根据v o c s 来鉴定特定的植食性昆虫的种类( d em o r a e se ta 1 ，1 9 9 8 ) 。 同一种植物对不同植食性昆虫做出的反应为天敌提供不同的信息，这些信息在v o c s 中有两种 编码方式：一种是诱导化学成分的不同，另一种是相同化学成分不同的配比。虫害后植物释 放的v o c s 由于具有很高的浓度，传播范围比较广，比植食性昆虫的粪便气味能够传播更大的 1 0 厦门大学硕士毕业论文 范围，对天敌来说具有更高的“可探测性”( 张瑛和严福顺，1 9 9 8 ) 。 1 2 4 虫害诱导的v o c s 的毒性作用 一般认为虫害诱导的植物v o c s 是作为植物的间接防御，从吸引天敌这个角度上来使植 物受益，但很多在损伤后马上释放的成分具有直接防御的功能，尤其是g l v s 中的一部分 ( b a l d w i n & p r e s t o n ，1 9 9 9 ) 。在种对种特异性诱导的v o c s 可能具有拒食或毒性作用，如松树 中的单萜物质( l i t v a k & m o n s o n ，1 9 9 8 ) 。在转入g l v s 合成关键酶氢过氧化物水解酶 ( h y d r o p e r o x i d el y a s e ，h p l ) 的翻译链的马铃薯植株中，蚜虫在这些植株上的繁殖力更强， 从侧面反映了绿叶气体对广食性昆虫的毒性( v a n c a n n e y te ta 1 ，2 0 0 1 ) 。 1 2 5v o c s 生态及进化意义 植物在进化过程中演化出种类繁多的防御方式，大概可以划分为直接防御和间接防御。 直接防御包括毒素、驱聚剂、消化抑制剂、刺和棘，间接防御是为天敌提供方便，释放v o c s 则是这种间接防御的主要方式( d i c k e ，1 9 9 9 ) 。然而，合成v o c s 以及它的合成酶需要花费额 外的碳源和能量，造成额外的代谢负担，另外可能排斥传粉的昆虫，在受害程度很低或很高 的情况下不一定能提高植物的适应性( t a k a b a y a s h i & d i c k e ，1 9 9 6 ；p a r 6 & t u m l i n s o n ，1 9 9 9 ) 。