诱导植物抗虫性研究进展.doc

1、植物诱导抗虫性研究进展李许可（山东农业大学植物保护学院，山东泰安 271018）摘要：本文综述了近年来植物诱导抗虫性的研究进展,分析了植物诱导抗虫性的一般特征,作用机理,诱导因子等。浅析了外源茉莉酸(JA)和茉莉酸甲酸(MJA)胁迫诱导植物抗虫性的功能及作用；探讨了JA和MJA研究的意义，并展望了茉莉素可能的应用前景。关键词：诱导抗虫性；茉莉酸；研究进展植物对植食性昆虫的抗性可包括两个方面，即植物的组成抗性(onstitutive resistanee)和诱导抗性(indueedresistanee)。组成抗性是指植物在遭受植食性昆虫进攻前就已存在的抗虫特性;而诱导抗性是指植物在遭受植食性昆虫

2、进攻后所表现出来的一种抗虫特性l，2。根据作用世代的不同，诱导抗性又分为迅速的诱导抗性(raPidlyinducedre-sistanee，RIR)和滞后的诱导抗性(delayedindueedresistanee，DIR)。前者是指对当前世代的植食性昆虫的影响，而后者是指对后续的1几个世代的植食性昆虫的影响3。植株内次生物质和营养物质发生变化是植物诱导抗虫的生理生化基础，这些变化起着直接的防御作用，一些研究报道都证实了这一点。研究植物的诱导抗虫性，不仅能在理论上加深对植食性昆虫种群动态机制、昆虫与植物相互关系、昆虫种间种内相互作用以及昆虫群落构建机制等的认识2，4，而且还能在实践上从一个侧面

3、补充和完善害虫综合治理，如培育具强诱导抗虫性的作物品种、开发利用诱导剂、重新完善和制定EIL5等等。因此，自70年代中后期开始有关植物诱导抗虫性的研究已受到各国学者的高度重视。到目前为止，国内外已在多种植物系统上进行了诱导抗虫性的研究，其中既有一年生植物亦有多年生植物，既有落叶植物亦有常绿植物。通过这些研究发现，除了植食性昆虫以外，还有其它多种生物(真菌、细菌、病毒等)和非生物(植物生长调节剂、除草剂、机械损伤、某些无机化合物等)因子，创亦能诱发植物的诱导抗虫性。茉莉素(Jasmonates,JAs)是茉莉酸(Jasmonicacid,JA)及其衍生物的统称,是一类具有共同的环戊烷酮结构的新型

4、天然植物激素。植物体内的JAs具有广泛的生理功能1。普遍认为,JAs能在植物体内和植株间传递抗性信息813,并诱导产生具有某些特殊生理活性的次生物质,这些次生物质常可以提高植物自身抗虫、抗病及抗不利环境的能力。近年来的研究表明,JAs与植物的抗病虫能力有着密切的关系,是诱导植物防卫反应的重要信号物质。本文将主要就这些研究成果，对植物诱导抗虫性对植食性昆虫及其天敌的影响、植物诱导抗虫性的理化基础、基本特性、影响因子以及机制等作一系统性综述。但为了更容易说明问题，本文将内容主要局限于植食性昆虫或模拟植食性昆虫取食(机械损伤)所诱导的抗虫性,主要有植物受伤后产生的茉莉酸和外援性物质诱导植物抗性。1

5、诱导抗虫性的生化基础1.1刺激植物的再生能力 研究发现，反刍动物的唾液中含有植物生长调节剂类化合物，能刺激禾本科植物的再生能力。禾本科植物被蝗虫取食后也有类似的反应，但其再生能力随取食量的增加而下降。当13的禾本科植物被取食后，其分蘖数比手工除草的植物多；而全部被取食后其分蘖数则下降5。由此推测，低浓度的蝗虫唾液或肠分泌液能刺激禾本科植物的再生能力，反之则会抑制。由此可见，禾本科植物的这种诱导抗性与植物和植食者种群的取食反馈调节机制有关。1.2毒性次生代谢物质的积累 相当多的研究表明，栎类被舞毒蛾（Lymantria dispar L）取食后，叶内单宁特别是可溶性单宁含量急剧上升6。单宁分子上

6、的羟基与蛋白质分子上的羧基结合，形成稳定的交叉链，因此抑制酶的活性，或使蛋白质鞣化，此外还能与淀粉结合影响昆虫对淀粉的消化。生物碱是一类对昆虫有毒的物质，它还可作用于昆虫味觉，起抑食或忌避作用。油松（Pinus tabulaeformis Carr）受松毛虫（Dendrolimus punctatus WIK）取食后，叶内生物碱增加5717。萜类是另一类对昆虫有毒的化合物。油松受松毛虫为害后，叶内蒎烯、葫椒烯、龙脑等显著增加，已查明蒎烯对松毛虫产卵及取食有抗拒作用7。欧洲山杨（Populus tremula L）在人工模拟虫害的24 h，叶内即开始积累水杨素（Salicortin）和山杨素（T

7、remulacin），在叶内酯酶的作用下，它们转变为6羟基2环己酮，继而在昆虫肠道中转化为有毒的几种物质，从而使卷蛾蛹重减轻，生殖力下降8。1.3植物体内蛋白酶抑制剂的增加植物组织内通常含有少量的蛋白酶抑制剂，能抑制植食性昆虫肠内的蛋白酶活性，从而起到保护自己的作用，但其含量远未能达到抑制害虫种群增长的水平。当植物被植食性昆虫取食损伤后，其损伤部位的植物组织马上诱导产生蛋白酶抑制剂诱导因子（PIIF）的损伤激素，并在很短时间内达到最大值，输向整个植株，与此同时，叶片中启动蛋白酶抑制剂合成的mRNA含量迅速增加，导致蛋白酶抑制剂的大量积累9。 1.4植物防御素的作用 植物防御素（Phytoale

8、xins）是植物受病原微生物侵害后所产生的抑制病原生长的一类化合物。Akazawa等10发现甘薯（Ipomoea batatas Lam）被甘薯小象甲Cylas formicarius（Fabricius）为害后也会诱导产生大量的植物防御素类化合物甘薯黑疤霉酮。Hart等11的研究进一步表明植物防御素类化合物对植食性昆虫的取食和生长有严重的抑制作用：对昆虫取食的抑制作用。用紫外线辐射大豆子叶诱导产生植物防御素的方法比较研究了墨西哥豆瓢虫（Epilacizna varivesais Mulsant）成虫和幼虫对植物防御素的取食反应，结果它只取食未用紫外线处理的子叶，而在含植物防御素的叶片上只留下

9、上颚的痕迹，并没有取食。由此说明植物防御素对植食性昆虫取食的抑制作用。对昆虫食物消化的作用。在大豆夜蛾Pseudoplusia includens（Walker）的人工饲料中加入1的大豆植物防御素异黄酮类化合物（Glyceoliin），结果大豆夜蛾的食物转化率（ECI）为15，显著比无植物防御素的人工饲料中的ECI值39低，而幼虫体重增加与其他食物利用指数均无明显差异。对昆虫生长的影响。将大豆植物防御素异黄酮的衍生物鱼藤酮加入人工饲料中饲养大豆夜蛾，结果大豆夜蛾的存活率和体重增加与饲料中鱼藤酮的含量成反比，说明植物防御素对昆虫的生长有抑制作用。1.5营养物质含量下降糖、蛋白质和脂肪是昆虫营养的

10、必需品。油松受松毛虫为害后，15种氨基酸中有14种显著下降，总量减少165，可直接消化的还原糖减少1097。有报道挪威云杉（Picea abies）叶内六碳糖量多少与叶蜂（Gilpinia hercyniae）生长发育好坏直接相关12。2 植物诱导抗虫性的诱导因子2.1 生物诱导因子生物诱导因子可以使活体菌、菌体培养滤液、菌体细胞提取物、植食性性昆虫取食等。植物蛋白酶抑制剂广泛存在于植物体内，与植物抗虫性抗病性密切相关。卢晓风等发现病原菌的感染能诱导植物产生蛋白酶抑制剂，诱导产生的蛋白酶抑制剂不仅能抑制病原菌的生长，而且具有抗虫作用13。2.2物理诱导因子植物的种类能对植物的诱导抗虫性产生明显

11、影响。这在前面的叙述中已可清楚地看出，这种影响除了诱导抗虫性的强弱外，还表现为是否产生诱导抗虫性。此外，不同的植物品种、个体以及生育期亦能对植物的诱导抗虫性产生影响。如架菜豆(polebean)叶片在400头棉叶蜡为害Zd后能比对照明显地引诱捕食瞒，而矮菜豆(bushbean)叶片只有在1000头棉叶蜡为害Zd后才有类似结果14。北美白桦的两种品系在遭到损伤后所表现的诱导抗虫性亦存在不同15。松树只有在年轻的时候才能产生诱导抗虫性田。植物的密度亦是影响植物诱导抗虫性的因素之一。Baldwin和Karban等15分别在烟草和棉花上发现高密度能抑制两种植物的诱导抗虫性。2.3 化学诱导因子 这里所

12、指的化学因子是原来存在于植物体内或植食性昆虫取食后，诱导植物产生的一些化学物质。经人类用化学提取等方法生产出来的该类化学物质及其衍生物，这些化合物亦能诱导植物的诱导抗虫性。如茉莉酸类化合物是一类重要的传递植物伤害信息的信号分子，是诱导植物产生直接或间接防御作用的关键性调节分子16。水杨酸甲酯作为昆虫取食诱导的植物挥发物的成分之一，可作为植物防御反应的诱导因子。已有研究显示：用1mmol/L茉莉酸。茉莉酮、水杨酸、水杨酸甲酯等不同因子分别处理安落叶松（L.gmelinii）后，其针叶内单宁含量明显增加，其诱导抗性产生17。任琴、赵玲等分别用茉莉酸和水杨酸甲酯熏蒸了不同的植物，均能够启动植物的防御

13、系统，诱导植物产生抗虫性18。3 植物诱导抗虫性的机制目前，有关植物产生诱导抗虫性的机制主要有2种假说。一种是所谓的积极防御假说，认为植物产生诱导抗虫性是植物对植食性昆虫取食的一种积极的防御反应，是植物与植食性昆虫协同进化的产物13,14,15。另一种是营养压力(nutritionalstress)假说，认为植食性昆虫的取食会导致植物营养素含量的下降，使植物中碳一营养素失去平衡、碳含量过度增加，从而促使植物合成一些不含氮的化合物如酚类等等，最后对植食性昆虫不利17,18。这个假说与前面假说的一个主要不同点在于该假说认为植物产生诱导抗虫性是一种消极的、被动的过程，而不是一种积极的、主动的过程。到

14、目前为止，这2种假说都存在一些难以解释的实验结果。如积极防御假说，对施用氮肥能缓解一些植物的诱导抗虫性(见前)很难作出一种圆满的解释，因为根据这种假说施用氮肥应当增强植物的诱导抗虫性19。从成本与收益的分析表明，植物的诱导抗虫性既不消耗植物的成本，亦不使植物获得收益，这样建立于进化学理论基础上的积极防御假说亦很难自圆其说。营养压力假说亦面临很多难题。如很多研究表明，植食性昆虫所诱导的植物抗虫性强于机械损伤所诱导的，有的甚至只能由植食性昆虫才能诱导20,21。对植物诱导抗虫性与植物密度的负相关21-23，营养压力假说亦很难作出解释，因为从这个结果说明植物诱导抗虫性影响到植物能量的分配。究竟植物产

15、生诱导抗虫性的机制是什么，恐怕还得从多种植物一植食性昆虫系统中进行进一步研究。4 外源特异性物质茉莉素4.1茉莉素诱导植物抗虫性的化学机制外源JAs对植物上害虫的影响不是由JAs直接实现的,而是由JAs诱导植物产生与抗虫性相关的化合物起作用的。Avdiushko等人用MeJA处理白菜和烟草,同时研究其上粉纹夜蛾和烟草天蛾的取食情况,发现2种幼虫的取食都受到抑制25;而当2种幼虫的人工饲料中添加了MeJA时,幼虫的发育和化蛹都没有受到不良影响。茉莉素诱导的抗虫性化合物中,一类直接影响害虫,另一类通过天敌作用间接影响害虫。蛋白酶抑制剂(proteinase inhibitor,PI)和多酚氧化酶(

16、polyphenol oxodase,PPO):施用MeJA诱导PI最早是在番茄叶片上观察到的26,后来发现JAs能诱导许多植物合成PI。在1 250 mL的密封培养箱中施放100 nL的气MeJA,烟草叶片中胰蛋白酶抑制剂的量增加为对照的16·6倍,苜蓿中该PI的量增加为对照的11·7倍26。外用JA同样也能诱导蛋白酶抑制剂和(PI-和PI-)在番茄植株中的表达26。PI能与昆虫消化道内的蛋白消化酶结合,导致蛋白质不能正常消化;此外,它还能刺激消化酶的过量分泌,通过神经系统的反馈使昆虫产生厌食反应,导致昆虫发育不良或死亡2729。挥发性次生物质:外用JAs还能诱导许多种植

17、物释放大量的混合性挥发物质,作用于害虫或天敌。挥发物组分与害虫取食后诱导产生的化学物质的组分相类似,主要为单或倍半萜烯2123,但JAs处理与害虫为害诱导挥发物在具体组成上不完全相同19,且两者诱导挥发物的释放速率也是不一致的15。番茄植株上JA诱导释放的挥发性气体中,甲基水杨酸盐和萜类化合物占绝大部分29。这类挥发物大多影响害虫天敌的行为,从而间接影响害虫。4.2茉莉素诱导植物抗虫性的分子机制JAs作为植物诱导抗虫性的信号物质,无论是在单子叶还是双子叶植物上的表达都具有很强的保守性。与虫害诱导防御基因的表达类似,植物上外用JAs后,作用于植物细胞上相应的受体,激活一系列的胞内信号传递,最终诱

18、导细胞核内产生一些特异的基因表达,合成一些基因转录控制蛋白,即转录因子。作为一种反式调节因子,转录因子能和抗性基因启动子上的响应元件相结合,诱导抗逆基因的表达,从而使植物获得抗虫性。遗憾的是,至今仍没从植物中分离到JA的受体,而对JA非敏感突变体基因分析鉴定的研究成为人们关注的焦点6,7,27。许多与植物抗虫反应相关的基因都能被JAs诱导激活。马铃薯、番茄、苜蓿、烟草、水稻和大豆等植物中,MeJA在转录水平上调节蛋白酶抑制剂基因PIII的表达。Ziegler等人用MeJA处理水稻叶片,发现有丙二烯氧化物合成酶(allele oxide synthase,AOS)基因的表达4。徐涛等人的实验表明

19、,外源JA及MeJA处理水稻能诱导茉莉酸信号传递途径的主要调控基因,如脂加氧酶(LOX)、AOS基因的表达,同时也能诱导水稻防御基因如蛋白酶抑制剂基因、法呢烯基焦磷酸合成酶(FPS)基因和苯丙氨酸转氨酶(PAL)基因的表达20。MeJA诱导编码LOX酶的基因表达、提高LOX酶量的同时,刺激氢过氧化物酶裂解酶(HL)活性;在HL的作用下,13-过氧羟基亚麻酸可裂解成2-己烯醛等6碳化合物,这些化合物具有一定的抗虫作用22。此外,还能激活编码蛋白酶抑制剂基因,类黄酮生物合成酶类基因,倍半萜生物合成酶(羟甲基戊二酰辅酶A还原酶)、脂加氧酶基因等,但目前大部分基因的表达产物的功能仍是未知的,它们仅靠有

20、关的分子团来区分,如JIP-23表示分子量23 kDa的蛋白质。在植物系统抗性的形成过程中,各种信号传递途径和信号物质的生物功能并不是截然区分的,而是相互关联、相互整合的结果。研究发现,JA和诱导植株获得SAR的SA,在诱导植物防御系统中存在拮抗作用27,而且JA和SA都能介导植物的抗病性过程6,推测这2个不同的信号传递途径中可能有相同的基因或基因产物出现,产生交叉28。对茉莉酸信号传递途径的进一步研究,可以为揭开JA和SA之间既拮抗又协同的作用机理提供途径。5 植物诱导抗虫性的应用前景尽管植物诱导抗虫性的研究历史较短，但植物诱导抗虫性已经在多种植物上进行了系统研究。在理论上加深了人类对植食性

21、昆虫种群动态机制、昆虫与植物相互关系、昆虫种群种内相互关系、昆虫种群构建机制等的认识。进一步补充和完善了害虫综合治理体系。在实践上，由于植物诱导抗虫性具有环境友好性，保护有益生物等优点。已成为植物虫害的重要防治，并被广泛应用，如培育具有强诱导抗虫性的作物品种、开发利用诱导剂、通过适当的人工修剪、使用诱导剂等处理，达到调控昆虫种群，减轻昆虫危害，延缓至消除其爆发等等。而且受到了国内外学者的广泛关注。目前为止，有多种抗虫植物已经在生产上发挥了巨大的作用，不仅带来了巨大的经济效益，还表现出了明显的生态效益。JAs是一类新型植物激素,通过激活其特定受体,然后经过由多种激酶、磷酸化酶及一信号分子组成的信

22、号传导链的连续反应,最终影响和协调植物生长发育的各种反应,并在一定程度上提高植物的抗逆性。外用JAs诱导植物抗虫性表达的研究,在实验室范围内取得了较大的进展。研究表明,外用一定浓度的JAs诱导植物抗性不影响植物的产量18,22,而且可以通过选择用药时间使植株提前获得抗性,避免受害。目前,对JAs的研究已深入到分子水平,但茉莉素信号传递途径尤其是诱导的特定基因的功能,有待进一步探索。尽管有成功的田间试验,但在大规模应用之前,茉莉素诱导抗虫性机制方面尚有大量的工作要做。但是,作为一类能诱导植物抗虫性的激素类信号,JAs的应用将开辟一种全新的害虫治理策略,在害虫的无公害治理中具有广阔的应用前景。近年

23、来，我国在该领域的研究虽然已取得一定的研究成果，但与国际相比，挖煤涉及的问题却不够广泛和深入。虽然许多学者认识到植物对昆虫的防御机制中化学因素是最重要的因素，但植物诱导抗虫性是一个有机整体，包括了多个方面或环节的变动。因此，植物诱导抗虫性的产生机制，应进行更全面的研究，不仅要研究具体的因素引起的植物诱导抗虫性，更要注重植物在自然环境下抗虫性产生机制的研究和探讨，该方面的研究有利于从营林的角度综合控制病虫害的发生，这也是我们未来研究所努力的方向。参考文献1 FeenyP. Theories of plant ehemieal defense: Abrief historieal survey.

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