在植物对昆虫的防御反应中植物激素的作用

1、植物被昆虫取食后，会调整体内各个代谢途径的强度，使自己处于对抗害虫 的最佳状态，在此过程中，植物激素起着重要的调控作用。其中JA及其衍生物、 SA及其衍生物、脱落酸(abscisic acid，ABA)、乙烯(ethylene)是研究得较多 的四种植物激素(De Vos et al.，2005)。1 JA及其衍生物有关JA在植物对昆虫防御反应中的调控作用研究得最多。JA的合成始于十八 碳脂肪酸。十八碳脂肪酸在脂氧合酶、过氧化物裂解酶、黄白糖白芥氧化物合成 酶、过氧化物合成酶、丙二烯氧合酶等一系列的酶作用下形成人，同时产生己 醛或己烯醛、月桂酸等植物防御反应中VOCs的组分(Liechti an

2、d Farmer，2006)。植物被昆虫取食后，体内JA水平明显升高，JA的变化在很短的时间内就已 经发生，并且昆虫诱导的JA水平高于机械损伤。如甜菜夜蛾幼虫取食玉米幼苗 6h后，玉米体内的JA含量显著上升(Schmelz et al.，2003a)；在机械伤口上涂 上volicitin(从甜菜夜蛾的口腔分泌物中提取的一种物质，试验证明它是甜菜夜 蛾诱导寄主植物产生防御反应的特异激发子)模拟甜菜夜蛾的取食，5min后玉 米叶片中的JA含量开始上升，40min时达到顶点，这种情况下玉米幼苗中诱导 的JA显著多于单纯的机械损伤(Schmelz et al.，2003b)；烟草天蛾取食烟草1h 后，

3、烟草中的JA含量开始显著上升，6h后JA的含量达到顶峰，是对照的9倍， 是机械损伤的3倍(Ziegler et al.，2001)。作为植物防御反应的较上游信号分子， JA水平的升高会促使植物合成更多的有毒次生物质对昆虫产生毒害作用甚至杀 死昆虫：如JA诱导烟草产生更多的烟碱和酚类化合物(Keinanen et al.，2001)、 诱导旱芹(Apium graveolens)产生更多的吠喃香豆素类化合物(Stanjek et al.， 1999)等；JA还可以促使植物产生防御蛋白影响昆虫的生长发育：如诱导大麦 (Hordeum vulgare)产生胰蛋白酶抑制剂(Casaretto et a

4、l.，2004)、诱导大豆 (Giycine max)产生半胱氨酸蛋白酶抑制剂(Botella et al.，1996)、诱导水稻形 成Bowman-Birk蛋白酶抑制剂(陈军等，2004)；此外，JA还可促使植物释放 特异的VOCs，吸引昆虫天敌：如JA诱导水稻释放出VOCs，使褐飞虱的卵更 容易被稻虱缨小蜂寄生(Lou et al.，2005)。在番茄(Lycopersicon esculentum) 上喷洒外源JA，3周后调查甜菜夜蛾幼虫中菜蛾绒茧蜂(Hyposoter exiguae)数 量，结果发现喷洒过JA的植株上甜菜夜蛾被寄生率是对照的2倍(Thaler，1999)。 用外源JA

5、处理白菜及甘蓝后，可提高菜蛾绒茧蜂对小菜蛾(Plutella xylostella) 的寄生率(吕要斌和刘树生，2004)。利用JA合成缺失突变体及基因表达抑制技术也可以验证JA在防御反应中 的功能。寄生在JA合成缺陷西红柿植株(def-1)上的二点叶螨，其繁殖力及取 食量皆显著高于野生型。在def-1植株上喷射外源JA，则西红柿的抗性可以恢复 （Li et al., 2002）。亚麻酸是合成JA的前体，一种拟南芥三联突变体（fad3-2, fad7-2, fad8）无法合成亚麻酸，因此突变体植株中JA的含量极低，且伤害诱导 防御基因不能被虫害诱导。突变体植株被迟眼蕈蚊（Bradysia im

6、patiens）幼虫为 害后死亡率达80%，明显高于野生型植株。施用外源茉莉酸甲酯后，突变体的 死亡率减少到12%，伤害诱导防御基因也可被活化（McConn et al.，1997）。拟 南芥次生代谢物硫代葡萄糖苷（Glucosinolates，GS）能够抑制甜菜夜蛾体重增 长和种群增长，在JA合成缺陷突变体上喷洒外源JA后，GS含量上升（Mewis et al.，2005）。抑制烟草中脂氧合酶基因的表达，阻断JA合成途径，得到的转基 因烟草更易受到烟草天蛾的为害，而且使一些原来并非以烟草作为寄主的昆虫如 叶蝉，能够寄生转基因烟草植株。因此JA除了影响植物对昆虫的抗性，而且还 影响到昆虫对寄主

7、植物的选择，影响植物上昆虫群落的组成（Kessler et al.，2004）。2 SA及其衍生物刺吸式口器昆虫取食植物后，一般会同时激活JA和SA两个信号途径。桃 SCMyzuspersicae）取食野生型拟南芥叶片后，PR-1和BGL2基因（被JA、ethylene 诱导激活）被激活了 10倍和23倍，SA合成缺陷突变体npr1被桃蚜取食后， PR-1和BGL2基因的激活程度大大低于野生型。如果提前用SA类似物苯并噻重 氮（benzothiadiazole）处理突变体和野生型植株，则蚜虫取食后使PDF1.2基因 （被JA、ethylene诱导激活）、脂氧合酶基因（受JA诱导激活）、苯丙氨酸

8、脱 氨酶基因（被SA、JA诱导激活）表达量皆明显上升，并且桃蚜的繁殖力大大下 降。这说明桃蚜刺吸为害拟南芥韧皮部之后同时激活了 SA途径和JA防御途径 （Moran and Thompson，2001 ）o粉虱刺吸为害南瓜叶片后，会诱导木质素合成 途径、SA合成途径、氧化爆破反应有关基因表达，同时也会使碱性PR蛋白基 因（被JA诱导激活）上升表达，这与蚜虫取食植物后的情况相似（Walling，2000）。 水杨酸甲酯能够诱导利马豆（Phaseolus lunatus）产生VOCs，且产生的VOCs 与二点叶螨取食诱导的VOCs相似，酸性PR蛋白基因（被SA诱导激活）和碱 性PR蛋白基因（被JA

9、诱导激活）均上升表达，因此，利马豆的防御反应受到 JA和水杨酸甲酯的共同调控（Ozawa et al.，2000）o综上所述，在植物对刺吸式口器昆虫的防御反应中，SA能够诱导植物产生 PR蛋白、木质素等抑制昆虫的生长发育，还能够诱导植物合成VOCs引诱昆虫 天敌。不管是直接防御反应还是间接防御反应中SA都扮演着重要角色。 3乙烯在植物对昆虫的防御反应中，乙烯不是占据主导地位的信号分子，它主要通 过与其它信号分子的互作影响植物的防御反应。在某些情形下，乙烯对JA的作用存在增效作用。玉米被JA诱导后会释放 (Z) -3-己烯醇(Z-3-ol)。如果将未害的玉米幼苗暴露在Z-3-ol中，未受害的 玉

10、米幼苗会释放VOCs，这种VOCs与昆虫取食后释放的VOCs相似，可以引诱 昆虫天敌。因此Z-3-ol是一种能够在植物种群之内传播的信号物质，使未受害的 植株提前启动间接防御反应，做好应对昆虫的准备。分别用Z-3-ol单独处理、 Z-3-ol和乙烯共同处理玉米苗，结果后者使玉米苗释放出的VOCs是前者的2.5 倍，后者处理后倍半萜释放量是前者的5.1-6.6倍。但是乙烯单独处理后，不但 不能诱导植株产生VOCs，而且还会降低芳樟醇的挥发量。因此可以肯定，乙烯 在这种情形下对JA起着增效作用(Ruther and Kleier，2005)。在另外的一些情形下，乙烯对JA有拮抗作用。茉莉酸甲酯单独

11、处理烟草后， 尼古丁合成的关键酶一腐胺转移酶(冲尸M77和冲尸MT2)基因表达量、尼古丁 合成量皆急剧上升；茉莉酸甲酯和乙烯利同时处理烟草则会抑制NaPMTl和 NaPMT2基因表达、尼古丁合成；如果提前用1-methylcyclopropene 1-MCP (乙 烯受体的竞争性抑制剂)处理植株后，再用茉莉酸甲酯和乙烯利同时处理，乙烯 利就会失去对NaPMTl和NaPMT2基因表达、尼古丁合成的抑制作用(Kahl et al.， 2000； Robert et al.，2001)。因此在烟草对烟草天蛾的防御反应中，乙烯对茉 莉酸甲酯具有拮抗作用。烟草天蛾正是借助于乙烯对JA的拮抗作用达到保护自

12、 己的目的。原来，烟草天蛾取食烟草后，会使烟草释放出大量的乙烯，虽然JA 的量也上升，但是因为乙烯的拮抗作用，烟草中尼古丁的合成却受到抑制，烟草 天蛾借此逃逸寄主的防御反应(Winz and Baldwin， 2001)。ABA已有的报道表明ABA是一种能够提高植物对病菌敏感性的信号分子 (Anderson et al.，2004； Audenaert et al.，2002)，有关 ABA 与其它信号分子之 间互作的报道多集中在对植物抗病性的影响中。ABA在植物对昆虫防御反应中 究竟扮演什么角色，目前还不清楚。已有的研究主要集中在ABA对植物蛋白酶 抑制剂基因表达影响上。植物蛋白酶抑制剂可以

13、抑制昆虫体内蛋白酶的活性，使 昆虫的生长发育受到影响，是植物直接防御反应中的一类重要防御性蛋白。马铃 薯和西红柿ABA合成缺陷突变体的蛋白酶抑制剂II基因不能被伤害诱导，但是 施用外源ABA后，野生型和突变体中的蛋白酶抑制剂II基因皆被诱导(Herde et al.，1999； Pena- Cortes et al.，1989)。JA与SA之间的互作由于JA和SA是在植物对昆虫防御反应中起主导作用的信号分子，所以有 关JA和SA之间互作关系的研究很多。JA与SA之间究竟是存在拮抗关系还是 协同关系，一直充满争论。近年来，通过活体试验，研究者一般认为两者之间是 拮抗关系。这在不同植物与昆虫的相互

14、作用中得到了验证。拟南芥突变体（nprl, pad4, eds5, sid2（eds16）是SA合成缺陷突变体，和 野生型相比，其对病原物更为敏感，对粉纹夜蛾（Trichoplusia ni）的抗性增强； 突变体（cprl和cpr6）对病原物抗性增强,植株内SA的含量高于野生型，但是对 粉纹夜蛾的抗性下降（Cui et al.，2002）。外源JA处理能提高野生型拟南芥对 埃及棉铃虫的抗性，JA合成缺陷突变体（coil）更易被埃及棉铃虫取食；系统获 得性抗病途径缺陷体nprl对埃及棉铃虫的抗性增强，用外源SA处理后nprl对埃 及棉铃虫的抗性下降；外源SA处理还会使埃及棉铃虫取食野生型植株后诱

15、导的 JA 累积量下降（Stotz et al.，2002）。用SA、JA处理同一个西红柿植株，考察植株对病原菌Pseudomonas syringae pv. tomato（Pst）与甜菜夜蛾的抗性，同时测定JA和SA途径中五个生 化反应的强度，分析这两种途径的互作。结果表明：JA、SA剂量越高，两者之 间的拮抗作用越强；提前施用SA会显著降低JA途径的激活程度，并且使植株 的抗虫性下降（Thaler et al.，2002）。苯丙酸（Phenylpropanoid）是合成SA的重要前体，苯丙氨酸脱氨酶 （phenylalanine ammonialyase-PAL）是SA合成过程的关键酶，用RNAi技术抑 制PAL的表达后，转基因烟草植株中苯丙酸含量急剧降低，其对烟草花叶病毒 的系统获得性抗性也大大降低，但是转基因植株对烟芽夜蛾的抗性明显增强；超 表达PAL则会使转基因植株中苯丙酸含量显著增加，其对烟草花叶病毒的系统 获得性抗性提高，但是转基因植株中的JA水平下降，对烟芽夜蛾的抗性明显降 低。这说明SA具有双重功能，既可以直接调控系统获得性抗病反应，又可以通 过对J