植物防御性反應(yīng)中釋放綠葉揮發(fā)物的作用機(jī)制

1c7的脂質(zhì)代謝綠色發(fā)芽物（glbs）主要包括6碳和9碳的酚類、醇類和相應(yīng)的酯類。當(dāng)植物正常或受到機(jī)械傷害、昆蟲和昆蟲的傷害時(shí)，它們將含有c18和c16的飽和脂肪酸（包括亞硝酸鹽或亞硝酸鹽）通過脂質(zhì)代謝過程中轉(zhuǎn)化為脂氧合酶（lox），并由脂羥氧化物（hpl）產(chǎn)生。這些組成型的C6或C9揮發(fā)物不僅對(duì)果蔬的青鮮氣味非常重要,也是植物自身和相互之間非常重要的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)物質(zhì),對(duì)微生物具有殺菌活性,是食品和飲料行業(yè)重要的香料來源。2綠色頭發(fā)的生物合成2.1glvs轉(zhuǎn)化GLVs通常是由植物體內(nèi)的C18或者C16不飽和亞麻酸或亞油酸經(jīng)過LOX和HPL的定向催化而形成的。以亞麻酸為底物時(shí),LOX在亞油酸的第13C原子定向催化形成13-氫過氧化物(13-HPOT),再經(jīng)13-氫過氧化物裂解酶(13-HPL)催化形成順-3-己烯醛((Z)-3-hexenal)和12-ω-反-9-碳烯酸(12-oxo-(Z)-9-dodecenoicacid)。(Z)-3-己烯醛很不穩(wěn)定,無論催化酶存在與否都可轉(zhuǎn)化為其同分異構(gòu)體(E)-2-己烯醛;以亞油酸為底物時(shí),則形成己醛(n-hexenal);這些醛類物質(zhì)在醇酰基脫氫酶的作用下,形成相應(yīng)的C6醛,然后經(jīng)乙醇脫氫酶催化形成相應(yīng)的C6醇,酰基轉(zhuǎn)移酶催化C6醇形成相應(yīng)的醇酯和乙酰輔酶A;若由13-LOX的同工酶9-LOX催化則可形成脂肪酸9-氫過氧化物(9-HPOD、9-HPOT),再經(jīng)相應(yīng)的酶催化得到C9醛和C9碳烯酸(圖1)。在這個(gè)生化途徑中,常形成一些揮發(fā)物如己醛n-hexanal、正己醇n-hexanol、反-2-己烯醛(即葉醛)((E)-2-hexenal)、反-2-己烯醇((E)-2-hexenol)、正-3-己烯醛((Z)-3-hexenal)、正-3-己烯醇(即葉醇)((Z)3-hexenol)、反-3-己烯醛((E)-3-hexenal)、反-3-己烯醇((E)-3-hexenol)、(Z)-3-己烯醇乙酸酯((Z)-3-hexenylacetate)等,通常來說,這些揮發(fā)物具有綠葉氣息,被稱為綠葉揮發(fā)物。此外,在缺氧條件下,植物體內(nèi)還通過GLVs途徑產(chǎn)生C5化合物,這些C5化合物是13-烷氧基通過LOX酶進(jìn)行β-氧化形成的,也屬于GLVs生化途徑。在HPL沉默的情況下,在馬鈴薯和擬南芥中都出現(xiàn)了C5揮發(fā)物產(chǎn)生并積累的情形。2.2兩個(gè)主要酶是glv生化路徑中的酶2.2.1脂氫氧合酶原激活劑loxs催化脂肪酸氫過氧化物酶LOX俗稱脂肪氧化酶、脂肪加氧酶,是一種含非血紅素鐵蛋白的氧合酶,分子質(zhì)量范圍94—103kD,肽段長(zhǎng)度在838—923個(gè)氨基酸,能催化含有順-順-1,4-戊二烯結(jié)構(gòu)的多聚不飽和脂肪酸加氧反應(yīng),并生成具有共軛雙鍵過氧化氫物的酶蛋白,是GLVs生物合成途徑中的第一個(gè)酶。LOX及其代謝產(chǎn)物在生物體內(nèi)發(fā)揮多種生理功能,包括揮發(fā)物及信號(hào)分子的產(chǎn)生、果實(shí)的成熟、動(dòng)植物對(duì)生物或非生物脅迫的防御反應(yīng)等。在植物中,LOX酶氧化的底物主要是C18的多聚不飽和脂肪酸,尤其是亞油酸(linoleic,18:2)和α-亞麻酸(α-linolenic,18:3)。LOXs催化上述不飽和脂肪酸的戊二烯基團(tuán)形成脂肪酸氫過氧化物。植物中的LOXs主要分為9-LOXs和13-LOXs兩大類,其中9-LOXs在第9位C原子上進(jìn)行加氧反應(yīng),而13-LOXs是在C-13位上進(jìn)行加氧反應(yīng)。形成的脂肪酸氫過氧化物可通過幾條代謝途徑進(jìn)行分解,其中一條途徑是通過丙二烯合成酶(alleneoxidesynthase,AOS)將脂氫過氧化物亞麻酸轉(zhuǎn)化為不穩(wěn)定的丙二烯中間體,隨后形成茉莉酸(jasmonicacid,JA)。茉莉酸及其前體和衍生物是植物體內(nèi)關(guān)于生長(zhǎng)、發(fā)育和抗性防御反應(yīng)的重要信號(hào)物質(zhì),另一條途徑是通過HPL的催化形成脂氫過氧化物,然后形成C12(12-oxo-(Z)-9-dodecenoicacid)和C6(hexanaland(Z)-hex-3-enal)化合物,在此基礎(chǔ)上形成相應(yīng)的GLVs(圖1)。對(duì)于脂氧合酶的催化機(jī)制,推測(cè)其活性部位基團(tuán)可能含有鐵、芳香族氨基酸殘基和蛋氨酸殘基,目前普遍認(rèn)為其催化中心與鐵離子有關(guān)。在許多植物的器官和組織中都發(fā)現(xiàn)有LOXs存在,如植物的葉片、莖、根、花、果實(shí)和種子。13-LOXs主要存在于植物的綠色組織中,9-LOXs多存在于非綠色器官中,且13-LOXs的含量較9-LOXs更豐富。不同的LOX同分異構(gòu)體定位在不同的亞細(xì)胞間,并為后續(xù)的氧化途徑提供不同的脂氫過氧化多不飽和脂肪酸。9-LOX只存在于質(zhì)體之外,而13-LOX是定位在色素體上的同工酶。植物的基質(zhì)或葉綠體膜含有最高濃度的13-LOXs,而9-LOXs只在細(xì)胞溶質(zhì)中有發(fā)現(xiàn)。2.2.2植物hpl基因HPL和AOS、聯(lián)乙烯醚合酶(divinylethersynthase,DES)兩個(gè)酶亞家族共同組成CYP74基因家族,同屬于細(xì)胞色素P450(Cytp450)蛋白質(zhì)家族。根據(jù)酶作用底物的特異性,植物的HPL可分成3類:13-HPL主要作用于13-氫過氧化物特異催化13位過氧基斷裂,催化產(chǎn)生C6和C12化合物;9-HPL主要作用于9-氫過氧化物裂解9位過氧基,生成九碳化合物;9/13-HPL可作用于9-和13-氫過氧化物,而且對(duì)亞油酸和亞麻酸幾乎具有等同的活性。其中,特異性催化13-位的13-HPL基因構(gòu)成了CYP74B亞基因家族,而不具有位點(diǎn)特異活性的9/13-HPL基因主要構(gòu)成了CYP74C亞家族。某些植物體內(nèi)如葫蘆科植物存在13-HPL、9-HPL和9/13-HPL這3種HPL基因。HPL酶的催化產(chǎn)物與植物GLVs揮發(fā)物的形成密切相關(guān),使新鮮果實(shí)和蔬菜具有宜人的“綠色氣味”,其中,C6醛和C9醛組成比例的差異會(huì)導(dǎo)致果實(shí)具有不同的風(fēng)味,C6醛含量的增加導(dǎo)致果實(shí)青草氣味增加,而C9醛含量的增加會(huì)增加果實(shí)濃郁的香味。近十幾年來,隨著生化分析技術(shù)的進(jìn)步,在綠葉揮發(fā)物的組成及其生物合成途徑與形成過程中關(guān)鍵酶的純化等方面取得了可喜的進(jìn)展。Matsui成功地從茶樹葉片中分離出該酶,認(rèn)為葉片細(xì)胞勻漿中的醛類揮發(fā)性成分的合成依賴LOX和HPL酶。花、果實(shí)和葉片是植物體中醛類揮發(fā)性成分合成的主要器官,果實(shí)成熟小分子的醛醇類揮發(fā)性成分構(gòu)成了花和果實(shí)特有的香氣,這一過程與脂氫過氧化物裂解酶密切相關(guān)。此后,在黃瓜、蘋果、甜瓜等作物中進(jìn)一步確定了脂氫過氧化物裂解酶與醛類揮發(fā)性物質(zhì)合成之間的關(guān)系。近年來,隨著生物技術(shù)特別是cDNA芯片技術(shù)的發(fā)展,目前己經(jīng)從苜蓿、甜椒果實(shí),番茄葉,馬鈴薯,黃瓜,甜瓜等,此外,還從番石榴、杏等植物器官中克隆了HPL基因。13-HPL基因廣泛存在于各種植物中,研究結(jié)果證實(shí),克隆的HPL基因中檸檬、甜橙、紫花苜蓿、番茄、馬鈴薯、甜椒、煙草、番石榴、擬南芥、香蕉、大麥等植物中都存在13-HPL基因。除此之外,在截形苜蓿、水稻上也發(fā)現(xiàn)9/13-HPL基因。梨和杏的HPL基因均屬于9-HPL基因亞家族。近年來以13-HPL為合成關(guān)鍵酶的GLVs代謝途徑成為本領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。番茄的13-HPL生化代謝途徑主要在質(zhì)膜外進(jìn)行,生成的醛類物質(zhì)部分可擴(kuò)散到相鄰細(xì)胞并被還原及乙酰化。迄今為止雖然對(duì)13-HPL生化途徑的底物來源及其定位還知之甚少,但大量的研究結(jié)果表明,由13-HPL生化途徑產(chǎn)生的衍生物與植物對(duì)病蟲趨避反應(yīng)有密切關(guān)系。Hildebrand等的研究表明,13-HPL生化途徑產(chǎn)生的順-3-己烯醇((Z)-3-hexenol)對(duì)蚜蟲有趨避作用,吉丁蟲的成蟲Agrilusplanipennis對(duì)順-3-己烯醇具有強(qiáng)烈趨性,因此,可利用吉丁蟲的這種特性對(duì)其實(shí)施捕殺措施。煙草天蛾(Manducasexa)幼蟲的口器分泌物可使順式己烯醛、順式己烯醇及相應(yīng)的酯轉(zhuǎn)化為其反式同化物,同化物的這種順式和反式的轉(zhuǎn)換可增加半翅目捕食性昆蟲進(jìn)行成功捕食的幾率;反-2-己烯醛的釋放能夠誘導(dǎo)擬南芥體內(nèi)HMGR、LOX等防御基因的表達(dá)。因此普遍認(rèn)為,13-HPL生化途徑產(chǎn)生的GLVs可以作為啟動(dòng)植物復(fù)雜防御反應(yīng)的信號(hào)分子。2.3調(diào)整glv生化路徑2.3.1glvs的表達(dá)作為GLVs生物合成途徑中的第一個(gè)酶,LOX對(duì)GLVs形成起非常重要的作用。在植物中,已經(jīng)明確JA和GLVs共用一種底物即13-HPOT,但植物具體進(jìn)行哪一種生化途徑,一方面由侵染植物的病蟲害種類決定,另一方面由不同的LOX基因調(diào)控決定。如在擬南芥中已克隆的6個(gè)LOX基因中,AtLox2跟JA的積累密切相關(guān),AtLox2沉默表達(dá)后大大減少了JA的積累;在番茄已克隆的5個(gè)LOX基因中,TomLOXC沉默表達(dá)大大減少了果實(shí)和葉片中GLVs的產(chǎn)生,而TomLOXA或TomLOXB的沉默表達(dá)則不影響GLVs的產(chǎn)生,沉默TomLOXD則使JA的形成大大減少。馬鈴薯的3個(gè)LOX基因中,LOX-H1沉默表達(dá)在很大程度上減少GLVs的生成,LOX-H3沉默表達(dá)則大大減少JA的生成;煙草中抑制LOX2基因的表達(dá)則減少了GLVs的生成。除了LOX的調(diào)控作用外,HPL作為GLVs代謝途徑中的關(guān)鍵酶,催化13S-HPODE和13-HPOTE生成C6醛和12-oxo-含氧酸(12-oxo-(9Z)-traumatin,即(9Z)-愈傷素),它們可作為與創(chuàng)傷有關(guān)的激素或信號(hào)分子;在煙草中抑制HPL的表達(dá),則減少GLVs的產(chǎn)生。在擬南芥中,正義表達(dá)HPL則GLVs的產(chǎn)生顯著增加,并造成較高的害蟲死亡率,而反義表達(dá)HPL則減少GLVs的產(chǎn)生,和對(duì)照相比,反義表達(dá)的轉(zhuǎn)基因植株更容易感病。但目前關(guān)于LOX等基因如何調(diào)控GLVs形成的機(jī)制還沒有定論。2.3.3質(zhì)膜外部氧化植物可根據(jù)不同外部脅迫進(jìn)行精細(xì)的脂質(zhì)代謝途徑的調(diào)控。如番茄葉片中,HPL酶和AOS酶分別位于質(zhì)體的外層膜和內(nèi)層膜,分別接受來自質(zhì)膜外部和內(nèi)部的13-HPOT并對(duì)其進(jìn)行氧化;而在馬鈴薯葉綠體中,HPL酶和AOS酶位于類囊體上不同的單層膜上,從而使植物根據(jù)不同的傷害或脅迫啟動(dòng)13-HPOT進(jìn)行不同的生化途徑代謝。但也有研究表明,因AOS和HPL同屬于CYP74家族,因此對(duì)某些AOS基因進(jìn)行定向誘導(dǎo)突變,則造成其向HPL基因轉(zhuǎn)化,說明CYP74家族內(nèi)部的基因存在發(fā)育上的聯(lián)系。2.4glvs的中介作用在Oxylinpins生化途徑中,大部分脂氫過氧化物分別通過環(huán)氧乙醇合酶(epoxyalcoholsynthase,EAS)途徑、過氧酶(peroxygenase,POX)途徑、LOX途徑、DES途徑、AOS途徑以及HPL途徑等6條生化途徑進(jìn)一步氧化成150多種化合物。其中脂氫過氧化物通過LOX催化形成13-HPOT后,分別通過AOS途徑形成JA及HPL途徑形成GLVs。因此,13-HPOT作為生成JA和GLVs共同的底物,導(dǎo)致GLVs和JA兩條代謝途徑既存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系也存在相互促進(jìn)的關(guān)系。這兩條途徑對(duì)底物的競(jìng)爭(zhēng)通過植物自身所遭遇病原菌與蟲害的種類及LOX基因的調(diào)節(jié)而決定是進(jìn)行生成JA還是GLVs;但GLVs和JA兩條途徑有時(shí)也相互促進(jìn),如(Z)-3-己烯醛和(E)-2-己烯醛可以誘導(dǎo)番茄植株釋放揮發(fā)性的C6揮發(fā)物和萜類,還能誘導(dǎo)內(nèi)源茉莉酸的積累。有時(shí)在害蟲對(duì)葉片形成傷害后,兩條代謝途徑同時(shí)促進(jìn)蟲害誘導(dǎo)的揮發(fā)物的產(chǎn)生,如菜青蟲(Pierisrapae)為害擬南芥引起了JA/SA信號(hào)途徑,于是誘導(dǎo)萜烯合成酶基因At-TPS10表達(dá)上調(diào),并且GLVs途徑中的關(guān)鍵酶基因AtLOX2、AtHPL等的轉(zhuǎn)錄水平也上調(diào)。其次,JA衍生物和GLVs都具有誘導(dǎo)相關(guān)抗性反應(yīng)的生理功能,但其作用機(jī)制可能不同。JA在葉綠體內(nèi)通過AOS等酶的一系列催化后,轉(zhuǎn)變成JA-isoleucine和JA-Ile等JA的類似物,在這些類似物通過維管束的木質(zhì)部液傳輸后,可激活植物體內(nèi)COI1和JAZ蛋白之間的相互作用,從而激活JA信號(hào)傳導(dǎo)途徑下游的響應(yīng)基因的表達(dá)。而GLVs是在質(zhì)體膜或者類囊體膜的單層膜上通過HPL等關(guān)鍵酶的催化形成的,GLVs中的(E)-2-hexenal、(Z)-3-hexenal、(Z)-3-hexenol、2,6-二甲基-2,4,6-辛三烯(2,6-dimethyl-2,4,6-octatriene)可誘導(dǎo)已知抗性或機(jī)械損傷響應(yīng)基因,如查爾酮合成酶(chalconesynthase,CHS)、綠竹咖啡酸-O-甲基轉(zhuǎn)移酶基因(caffeicacid-O-methyltransferase,COMT)、二酰基甘油激酶1(diacylglycerolkinase1,DGK1)、谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶1(glutathione-S-transferase1,GST1)和脂氧合酶2(lipoxygenase2,LOX2),但不能誘導(dǎo)SA信號(hào)途徑的響應(yīng)基因PR2(pathogenesis-relatedprotein2)的表達(dá)。有研究認(rèn)為,在脅迫條件下的早期信號(hào)傳導(dǎo)過程中涉及跨膜電位的改變,用GLVs處理利馬豆完整葉片,葉片的跨膜電位確實(shí)發(fā)生了改變,因此,研究者認(rèn)為溶解在質(zhì)膜中的GLVs和一種類似于害蟲的氣味結(jié)合蛋白的膜蛋白結(jié)合,實(shí)現(xiàn)跨膜電位的改變從而誘導(dǎo)相關(guān)的抗性基因表達(dá)。再者,兩類物質(zhì)的遠(yuǎn)距離傳輸途徑不同。對(duì)作為損傷及脅迫信號(hào)分子的JA而言,其誘導(dǎo)抗性反應(yīng)的遠(yuǎn)距離信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)涉及JA的氣態(tài)輸送及維管束輸送兩種方式。一般情況下,在植物遭受機(jī)械傷害或者脅迫時(shí),一方面在細(xì)胞質(zhì)中產(chǎn)生的具有信號(hào)傳導(dǎo)作用的內(nèi)源多肽物質(zhì)系統(tǒng)素,然后通過十八烷碳酸途徑合成JA,JA可快速地轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)形式MeJA;另一方面,植物受到傷害或者脅迫后,快速地釋放GLVs物質(zhì),使這些揮發(fā)物快速地進(jìn)行傳輸,且氣態(tài)的揮發(fā)物會(huì)增加維管束傳輸?shù)男盘?hào)物質(zhì)對(duì)抗性反應(yīng)的效果(圖2白色方框所示)。在植物體內(nèi),遠(yuǎn)距離傳導(dǎo)的JA和MeJA可啟動(dòng)體內(nèi)JA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑,同時(shí),低濃度的揮發(fā)物GLVs對(duì)植物自身也起到引發(fā)作用(priming),增強(qiáng)了依賴JA抗性反應(yīng)的產(chǎn)生,有時(shí)JA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑反過來也促進(jìn)GLVs及其它揮發(fā)有機(jī)物(volatileorganiccompounds,VOCs)的產(chǎn)生(圖2黃色方框所示)。受害植物揮發(fā)出的JA和GLVs等物質(zhì)使相鄰植株產(chǎn)生系統(tǒng)獲得性抗性,對(duì)害蟲產(chǎn)生驅(qū)避作用,使危害的害蟲數(shù)量大大減少(圖2第二株植株所示)。Christopher等發(fā)現(xiàn)受到損傷的楊樹葉片釋放的揮發(fā)性物質(zhì)可以引發(fā)相鄰未受損葉片對(duì)舞毒蛾(LymantriadisparL.)幼蟲的防御反應(yīng)。這說明植物可以克服維管束的束縛,將信號(hào)物質(zhì)JA等傳遞到自身其它組織和器官,從而引發(fā)植物系統(tǒng)性抗性的產(chǎn)生。而GLVs僅通過氣態(tài)的傳輸途徑對(duì)抗性反應(yīng)進(jìn)行長(zhǎng)距離誘導(dǎo)。3抗旱性：對(duì)植物的抗逆應(yīng)作用3.1glbs是一種抗性抗護(hù)反應(yīng)信號(hào)材料及其可能的傳導(dǎo)和作用機(jī)制3.1.1glvs的調(diào)控近年來,多數(shù)研究者認(rèn)為,GLVs是可能的信號(hào)候選分子。擬南芥的地上部用10μmol·L-1的(E)-2-hexenal進(jìn)行處理后,可誘導(dǎo)植物中已知幾種防御響應(yīng)基因的表達(dá);將利馬豆的葉片用綠葉揮發(fā)物中的(Z)-3-hexen-1-ol、(E)-2-hexenal或(Z)-3-hexenylacetate進(jìn)行處理也可誘導(dǎo)幾種已知的抗性響應(yīng)基因的表達(dá),用(E)-2-hexenal、(Z)-3-hexenal和(Z)-3-hexenol處理擬南芥,也可引起擬南芥對(duì)灰霉菌Botrytiscinerea更高的抗性。番茄揮發(fā)的(E)-2-hexenal可調(diào)控局部和遠(yuǎn)端GLVs的形成。在玉米中,Yan的研究表明,用受傷害植株釋放的GLVs處理其它未受傷害的植株,未受傷害的植株可將外源的醇和酯類物質(zhì)轉(zhuǎn)換成酯類物質(zhì),并釋放相應(yīng)的酯類衍生物。植物受到脅迫或者傷害時(shí),地上部常進(jìn)行信號(hào)分子的長(zhǎng)距離傳導(dǎo),從而使局部受脅迫或者傷害的信號(hào)傳遞到植物未受傷害或者脅迫的遠(yuǎn)端。目前已知的在植物受到脅迫時(shí)地上部起作用的信號(hào)物質(zhì)MeJA、SA、乙烯、GLVs、(Z)-茉莉酮。據(jù)報(bào)道,乙酰化的C6醛是創(chuàng)傷誘導(dǎo)的最主要的揮發(fā)性信號(hào)分子,它們通過協(xié)調(diào)植物-草食性動(dòng)物-天敵之間的相互關(guān)系來調(diào)節(jié)植物的防御反應(yīng),但在這個(gè)過程中,由茉莉酸負(fù)責(zé)激活植物的直接防御反應(yīng)。多數(shù)研究者認(rèn)為,GLVs中的C6醛異構(gòu)體(3E)-hexenal和(2E)-hexenal含有α,β-不飽和的羰基,該羰基屬于活性親電基團(tuán),能誘導(dǎo)體內(nèi)萜類揮發(fā)物的釋放、內(nèi)源乙烯的生成及防御基因的表達(dá),因此可對(duì)抗性反應(yīng)進(jìn)行調(diào)節(jié),但也有研究指出,一些具有信號(hào)物質(zhì)作用的GLVs物質(zhì)并無此基團(tuán)。另有研究者認(rèn)為,可能是由于GLVs和質(zhì)膜上的蛋白相互作用,從而誘導(dǎo)了活性基因的表達(dá)。其它信號(hào)分子也有可能是通過增強(qiáng)GLV的產(chǎn)生而發(fā)揮作用,如Ruther在玉米上的研究表明,乙烯之所以起到信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)作用是因?yàn)橐蚁┰鰪?qiáng)了玉米中GLVs的產(chǎn)生,而并非直接起作用的信號(hào)物質(zhì)。3.1.2glvs對(duì)煙草抗性的影響GLVs除了對(duì)植物自身起到抗性防御反應(yīng)的信號(hào)的作用,研究表明,GLVs的產(chǎn)生對(duì)相鄰植物的防御性反應(yīng)影響巨大。將野生型煙草種植在GLVs生成途徑沉默的轉(zhuǎn)基因煙草的上風(fēng)處和下風(fēng)處之間,下風(fēng)處的野生型煙草與抗性有關(guān)的轉(zhuǎn)錄反應(yīng)被激發(fā),而上風(fēng)處野生型煙草的轉(zhuǎn)錄反應(yīng)未被激發(fā)。表明有GLVs存在的情況下,植物能夠獲得相應(yīng)的植物間傳遞的信息,若GLVs不存在則不能傳遞這種信息。研究表明,用(E)-2-hexenal處理擬南芥會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)抗性基因的表達(dá)。用GLVs處理植物,可引起幾種植物植保素的積累及抗性基因的表達(dá);用(E)-2-hexenal、(Z)-3-hexenal和2,6-二甲基-2,4,6-辛三烯(allo-ocimene)處理擬南芥幼苗,則提高了擬南芥對(duì)Botrytiscinerea的抗性。Frost等也認(rèn)為,GLVs能引發(fā)相鄰楊樹抗性基因的表達(dá)及代謝過程的啟動(dòng)。3.2glvs的抗菌活性研究表明,根據(jù)LOX氧化產(chǎn)生的揮發(fā)性代謝產(chǎn)物種類及劑量不同,各GLVs代謝物具有的作用也不同,如抑制病菌孢子萌發(fā)、生長(zhǎng)及次級(jí)代謝的進(jìn)行等,另外還具有不同的與抗性有關(guān)的生物功能,如抑制病原菌的生長(zhǎng)、阻斷病原菌的營(yíng)養(yǎng)來源等。研究認(rèn)為,GLVs對(duì)革蘭氏陰性和革蘭氏陽性的細(xì)菌都有抗菌性,尤其是GLVs中的(E)-3-hexenal和(Z)-3-hexenal對(duì)細(xì)菌性病原菌的毒殺活性最高。GLVs中的E-2-hexenal對(duì)假單胞菌屬(Pseudomonas)、黃單孢菌屬(Xanthomonas)及歐文菌屬(Erwinia)的病菌具有強(qiáng)烈的抑制作用。(E)-2-己烯醛因?yàn)楹笑?β-羰基組分,它可以通過加合反應(yīng)與親核試劑(如巰基或氨基)形成加合物,且反應(yīng)活性很高,因此它具有較高的殺細(xì)菌的活性。過表達(dá)13-HPL的擬南芥轉(zhuǎn)基因植株因能揮發(fā)出較多的GLVs,因而對(duì)灰霉菌具有較強(qiáng)的抗性,而抑制表達(dá)13-HPL的轉(zhuǎn)基因植株卻表現(xiàn)得易感真菌,這種抗感性的差異主要是由于C6醛對(duì)灰霉菌具有直接的毒殺作用,且從谷類作物、棉花、大豆中釋放的GLVs能夠顯著影響黃曲霉菌菌絲的生長(zhǎng)和毒素的生成。GLVs的這種抗真菌活性可能是由于GLVs改變了植物細(xì)胞壁和質(zhì)膜的結(jié)構(gòu),導(dǎo)致細(xì)胞器溶解或功能紊亂,甚至死亡,細(xì)胞的這種程序化死亡將致病真菌困在感病部位,最終引起真菌死亡,并且植物釋放出的C6醛抑制了分生孢子的萌發(fā)從而阻止病原菌的進(jìn)一步侵染。此外,GLVs中的C6醇也具有潛在的殺菌活性。如(E)-2-hexen-1-ol能提高柑橘樹對(duì)鏈格孢菌Alternariaalternata的抗性,并且施用人工合成的(Z)-3-hexen-1-ol對(duì)真菌的侵染也具有抑制作用。在某些植物-病原菌系統(tǒng)中,植物被非致病病原菌感染有時(shí)也會(huì)增強(qiáng)其對(duì)病菌的抵抗力,這個(gè)過程被稱為“引發(fā)”。大豆植株感染非致病的假單胞菌(Pseudomonasputida)后,減少了由致病性灰霉菌(Botrytiscinerea)引起的病癥,因?yàn)榧賳伟せ盍薒OX途徑并為GLVs的合成提供了很大的可能。3.3glvs對(duì)害蟲的保護(hù)作用早在1944年,Mitchell和McCashin就發(fā)現(xiàn)GLVs能吸引食草性害蟲,而且GLVs能改變害蟲對(duì)其性信息激素的反應(yīng)。最近有研究表明,一種G蛋白偶聯(lián)受體可以作為動(dòng)物的性信息素受體。Dickens認(rèn)為,GLVs可增強(qiáng)雌蚜蟲分泌性信息素對(duì)雄性蚜蟲的吸引。Müller的研究證實(shí),植物揮發(fā)出來的GLVs能讓害蟲準(zhǔn)確分辨寄主,這是由于動(dòng)物可以通過嗅覺感受器聞到或感受到GLVs,所以當(dāng)植物受傷后釋放出GLVs,可吸引捕食者更快地搜尋到獵物。如利馬豆葉片受二斑葉螨(Tetrancychusurticae)傷害后會(huì)釋放出大量的(E)-2-己烯醛、(Z)-3-己烯醇和己烯酸等GLVs,這些揮發(fā)性物質(zhì)對(duì)螨類的天敵——植綏螨加州新小綏螨(Neoseiuluscalifornicus)有強(qiáng)烈的吸引作用。再者,煙草天蛾幼蟲(Manducasexta)為害煙草(Nicotianaattenuata)時(shí),其唾液會(huì)引起一種該植物所產(chǎn)生的綠葉揮發(fā)物(GLVs)中(Z)/(E)化合物比率的變化,其變化將吸引捕食性的蝽類昆蟲(Geocorisspp.),然后這些蝽類昆蟲再捕食天蛾的卵及幼齡幼蟲。研究者將HPL沉默表達(dá)的轉(zhuǎn)基因煙草種植在自然群體中,這些轉(zhuǎn)基因植株吸引的草食性害蟲比正常植株上的少,這進(jìn)一步說明GLVs和植物的抗蟲性密切相關(guān),并能吸引害蟲及其天敵到植株周圍從而起到間接的防御作用。除了吸引害蟲的天敵外,一些研究認(rèn)為,植物揮發(fā)的GLVs對(duì)害蟲也有趨避和直接的毒殺作用,如GLVs中的烯醇類物質(zhì)等可通過破壞一種雌甲蟲釋放的性信息素,從而阻止相應(yīng)的雄甲蟲(ConophthorusresinosaeHopkins)對(duì)美洲山楊(PopulustremuloidesMichx.)的趨性。李大鵬等的研究表明,煙草揮發(fā)出來的C6醛或者C6醇具有減少蚜蟲的作用。在GLVs組分中,(E)-2-hexenal能誘導(dǎo)棉花植保素的形成,從而減少害蟲對(duì)棉花的危害。但是GLVs對(duì)害蟲的毒殺作用不是絕對(duì)的,有時(shí)GLVs對(duì)鱗翅類的幼蟲具有刺激其進(jìn)食的作用。總之,GLVs揮發(fā)物對(duì)害蟲具有間接和直接的防御作用,不但在葉片受損處形成或積累一系列的物質(zhì)從而阻止害蟲進(jìn)一步為害作物,且這些揮發(fā)物很快轉(zhuǎn)變?yōu)橹参锉旧淼囊环N系統(tǒng)性抗性反應(yīng)的信號(hào),從而使遠(yuǎn)端的植物枝葉及相鄰植物產(chǎn)生系統(tǒng)獲得性抗性或引發(fā)效應(yīng)。4glvs的應(yīng)用前景4.1glvs在植物抗病蟲害能力中的應(yīng)用綜上所述,GLVs對(duì)病原菌、害蟲具有直接和間接的防御作用,對(duì)植物間及植物本身信號(hào)的傳導(dǎo)起了非常重要的作用。為了研究HPL基因的表達(dá)調(diào)控作用,Matsui將來自青椒的HPL基因在擬南芥中特異超表達(dá),轉(zhuǎn)基因擬南芥中HPL酶活性比對(duì)照高2倍,而利用反義技術(shù),轉(zhuǎn)基因植株中的HPL酶活性僅為對(duì)照植株的25%。當(dāng)用寄生蜂對(duì)轉(zhuǎn)基因植株進(jìn)行微創(chuàng)傷誘導(dǎo)時(shí),發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)正義基因植株的HPL酶活性大大增加,而轉(zhuǎn)反義基因的轉(zhuǎn)基因植株的HPL酶活與對(duì)照相比沒有變化。HPL反義表達(dá)的轉(zhuǎn)基因擬南芥產(chǎn)生較少的GLVs,吸引到的害蟲的天敵也較少,植物易受蟲害。因此,可通過對(duì)GLVs生化途徑的遺傳改良提高植物抗病蟲害的能力。另一方面,可以通過施用較低濃度的GLVs使植物初始化,來達(dá)到間接提高抗病性的目的。玉米受傷后葉片釋放出來的揮發(fā)物可使相鄰株初始化,并提高對(duì)病蟲害的直接和間接防御能力,降低了斜紋夜蛾的攻擊能力并增強(qiáng)了對(duì)其天敵Cotesiamarginiventris的吸引能力。雜交白楊葉片受到舞毒蛾幼蟲的危害時(shí),經(jīng)GLVs中的(Z)-3-己烯醋酸處理的葉片能快速誘導(dǎo)相關(guān)防御基因的表達(dá)。在自然界中,這種由GLVs等揮發(fā)性氣體介導(dǎo)的初始化反應(yīng)比揮發(fā)物直接誘導(dǎo)的抗性對(duì)植物更有用,因?yàn)橹蒙碛趽]發(fā)性氣體中的植物不需要時(shí)刻處于自我保護(hù)狀態(tài)以應(yīng)對(duì)偶爾的害蟲侵襲,它們可以只在必要時(shí)才開啟自身防護(hù)系統(tǒng)。因此,施用一定量的GLVs使植物對(duì)害蟲處于“警惕”狀態(tài),可有效降低植物的感病率。4.2對(duì)植物香味的影響種種證據(jù)表明,可以通過基因工程改變綠葉揮發(fā)物生化途徑從而改變作物產(chǎn)物的風(fēng)味。在GLVs生化途徑中,最終形成反式醛類物質(zhì)和反式含氧酸,以及衍生的醇、酯類物質(zhì)。這些小分子的醛、醇、酯類物質(zhì)通常是揮發(fā)性的,其中C6醛具有綠葉氣息,是植物葉片和果實(shí)清香氣味的來源,在食品工業(yè)和香水制造業(yè)上常被用作添加劑。C9揮發(fā)性醛能使黃瓜和甜瓜的香味增加。Matsui等將黃瓜HPL基因?qū)敕?結(jié)果表明,轉(zhuǎn)基因植株葉片或果實(shí)中均有很高HPL的活性,但是在果實(shí)中揮發(fā)性短鏈醛和醇的組成幾乎沒有改變,他們推測(cè)是由于番茄果實(shí)中亞油酸和亞麻酸的氧化主要由13-LOX/HPL途徑進(jìn)行,9-LOX/HPL作為副反應(yīng)途徑,即使具有較高的酶活性,也不能催化生成大量產(chǎn)物。因此對(duì)番茄13-LOX/HPL途徑進(jìn)行遺傳改良可能會(huì)有效改善其果實(shí)的香味。實(shí)際上,關(guān)于果實(shí)和花中GLVs的調(diào)控機(jī)制研究較少。Vancanneyt將馬鈴薯HPL基因進(jìn)行反義遺傳轉(zhuǎn)化,在轉(zhuǎn)基因植株中己醛和3-己烯醛的水平也有大幅度的降低;將西瓜的HPL基因?qū)霟煵?轉(zhuǎn)基因植株葉片中HPL的