秦燕 范波 谷鏡

摘要 面對(duì)自然界食草動(dòng)物的取食，植物已經(jīng)進(jìn)化出一套成熟的系統(tǒng)應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。當(dāng)植物接收到食草動(dòng)物的物理和化學(xué)信號(hào)，如昆蟲(chóng)唾液分泌物的誘導(dǎo)因子和昆蟲(chóng)產(chǎn)卵后產(chǎn)生的化合物，植物會(huì)迅速調(diào)整其轉(zhuǎn)錄組、蛋白組和代謝組。所有這些食草動(dòng)物取食誘導(dǎo)的變化均通過(guò)復(fù)雜的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)途徑調(diào)節(jié)，如受體/感受器、Ca2+流、激酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)、活性氧和植物激素信號(hào)途徑。食草動(dòng)物誘導(dǎo)的防御反應(yīng)不僅發(fā)生在受損傷的區(qū)域，而且發(fā)生在被攻擊葉片未受損的區(qū)域以及遠(yuǎn)端的其他葉片（系統(tǒng)性葉片）。綜述了植物對(duì)食草動(dòng)物取食和產(chǎn)卵的感知、昆蟲(chóng)取食誘導(dǎo)的早期信號(hào)傳導(dǎo)及其的生物學(xué)功能。

關(guān)鍵詞 植物-食草動(dòng)物互作;誘發(fā)因子;防御;信號(hào);系統(tǒng)性防御

Abstract Plants have evolved elaborated system to cope with the insect herbivores. When plants perceive physical and chemical signals from herbivores， such as insect saliva secretions or compounds in oviposition fluids， plants adjust their transcriptome， proteome and metabolomes dramatically. All of these herbivores changes are regulated by complex signal network pathways such as receptors/sensors， Ca2+ influxes， kinase cascades， reactive oxygen species and plant hormone signaling pathways. Furthermore， the defensive response induced by herbivores occurs not only in the wounding regions， but also in the undamaged regions （systemic leaves）. In this paper， we reviewed the plant's perception of herbivore feeding and spawning， early signal events and their biological functions.

Key words Plantherbivore interaction;Inducer;Defense;Signal;Systemic response

地球上大約有100萬(wàn)種昆蟲(chóng)，約有50%的昆蟲(chóng)取食植物，這種植物昆蟲(chóng)之戰(zhàn)已經(jīng)持續(xù)了3.5億年[1]。昆蟲(chóng)在與植物共進(jìn)化的過(guò)程中，已經(jīng)進(jìn)化得能對(duì)取食的植物進(jìn)行定位并能利用來(lái)自取食植物的物理或化學(xué)信號(hào)進(jìn)行產(chǎn)卵。雜食性植食昆蟲(chóng)可以取食多個(gè)種多個(gè)科的植物，而專食性昆蟲(chóng)則只取食一個(gè)科內(nèi)的一種或者幾種植物。相應(yīng)地，植物也已經(jīng)進(jìn)化出復(fù)雜的防御系統(tǒng)抵抗昆蟲(chóng)的取食，如它們配備有物理的防御工具（如刺狀物、表皮毛和角質(zhì)層），同時(shí)，植物體可以產(chǎn)生許多次生代謝產(chǎn)物作為強(qiáng)大的化學(xué)武器。目前已發(fā)現(xiàn)植物體中大約有500 000種次生代謝產(chǎn)物[2]，這些次生代謝產(chǎn)物在植物與食草動(dòng)物互作中具有強(qiáng)大的作用。

植物的防御分為直接防御和間接防御。直接防御包括glucosinolates、生氰的glucosides、生物堿酚類化合物和蛋白酶抑制劑（proteinase inhibitors，PI），這些化合物作為毒素、驅(qū)蟲(chóng)劑和抗消化劑進(jìn)行直接防御。植物的間接防御包括綠色葉片揮發(fā)物、揮發(fā)器官?gòu)?fù)合物和花蜜等，用來(lái)吸引植食性動(dòng)物的天敵（如parasitoids）。這2種防御系統(tǒng)是植物與植食性動(dòng)物在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中發(fā)展出來(lái)的[3]。植物防御有2種類型：不管是否存在蟲(chóng)咬，植物體內(nèi)均會(huì)產(chǎn)生的物理和化學(xué)的防御特征被稱為組成型防御，植物只有在蟲(chóng)咬后才會(huì)產(chǎn)生的防御稱為誘導(dǎo)性防御。因?yàn)楹铣蛇@些防御化合物需要消耗植物體自身的營(yíng)養(yǎng)和能量[4-5]，所以植物會(huì)利用其成熟的調(diào)節(jié)系統(tǒng)使植物的生長(zhǎng)和防御達(dá)到動(dòng)態(tài)的平衡。因此，誘導(dǎo)型防御調(diào)節(jié)植物的防御系統(tǒng)更靈活、更經(jīng)濟(jì)、更和諧。誘導(dǎo)型防御包括感知識(shí)別信號(hào)、激發(fā)下游的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)、介導(dǎo)防御代謝物的合成3個(gè)過(guò)程。高度復(fù)雜的病原菌識(shí)別機(jī)制已經(jīng)在許多植物中鑒定出來(lái)，但有關(guān)植物如何識(shí)別植食動(dòng)物來(lái)源的信號(hào)知之甚少。最近幾年的研究中對(duì)植物應(yīng)對(duì)植食動(dòng)物取食反應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)體系有了一些進(jìn)展，對(duì)其中的調(diào)節(jié)元件進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，包括Ca2+流、有絲分裂原激活的蛋白激酶（MAPKs）、茉莉酸（JA）、乙烯（ET）和活性氧簇等。

筆者總結(jié)了植物識(shí)別蟲(chóng)咬信號(hào)的最新研究進(jìn)展、蟲(chóng)咬誘導(dǎo)的早期信號(hào)系統(tǒng)、蟲(chóng)咬信號(hào)的短距離和長(zhǎng)距離運(yùn)輸，進(jìn)一步又討論了多種植物對(duì)蟲(chóng)咬反應(yīng)的多樣性及這種多樣性的遺傳基礎(chǔ)、生態(tài)學(xué)和進(jìn)化意義。

1 植物對(duì)于植食動(dòng)物取食的感知

植物用于防御的成本較高，所以在植物與植食昆蟲(chóng)斗爭(zhēng)的過(guò)程中，能感知隨機(jī)的機(jī)械損傷并提高防御化合物的水平是植物的一項(xiàng)重要技能。雖然植物的機(jī)械損傷和蟲(chóng)咬均會(huì)導(dǎo)致組織的損傷和丟失，但是研究表明植物對(duì)兩者的反應(yīng)存在巨大的差異[6]。目前許多種微生物（病原體）相關(guān)的分子模式（MAMPs或PAMPs）可以被特異受體識(shí)別，R-基因介導(dǎo)的防御系統(tǒng)可以感知到病原菌分泌的無(wú)毒的Avr蛋白并引發(fā)超敏反應(yīng)。相似地，植食動(dòng)物的信號(hào)可激活蟲(chóng)咬相關(guān)的分子機(jī)制（HAMPs）[7]，這些HAMPs的功能與植物受到蟲(chóng)咬后自身產(chǎn)生的防御反應(yīng)是一致的[8]。

食草動(dòng)物攻擊植物的種類多樣，但目前對(duì)食草動(dòng)物的激發(fā)子知之甚少，只有少數(shù)幾種激發(fā)子被鑒定出來(lái)，并對(duì)其化學(xué)和生物的特征進(jìn)行描述。脂肪酸-氨基酸結(jié)合體（FACs）是已知的一類研究比較清楚的激發(fā)子。首個(gè)被描述的來(lái)自食草動(dòng)物的激發(fā)子是volicitin，是一種羥基FAC，[N-（17-hydroxylinolenoyl）-L-谷氨酰胺]，是從一種甜菜蠕蟲(chóng)斜紋葉蛾（Spodoptera exigua）的唾液分泌物中鑒定出來(lái)的[9]，隨后，F(xiàn)ACs又陸續(xù)從多種鱗翅類中分離出來(lái)[10]。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)ACs不僅存在于毛毛蟲(chóng)，也存在于蟋蟀（Teleogryllus taiwanemma）和果蠅（Drosophila melanogaster）中[11]。FACs是由兩部分組成的：脂肪酸部分（亞油酸或亞麻酸LA及其衍生物）和氨基酸部分（谷氨酸或谷氨酰胺），這些脂肪酸和氨基酸分別來(lái)源于植物和昆蟲(chóng)，合成于昆蟲(chóng)的中腸[12]。最近的研究發(fā)現(xiàn)FACs在昆蟲(chóng)氮代謝中起非常關(guān)鍵的作用[13]。試驗(yàn)條件下，volicitin的使用可以大大增強(qiáng)玉米幼苗釋放揮發(fā)物來(lái)吸引寄生者取食其幼蟲(chóng)[9]。FACs的生物學(xué)功能已經(jīng)在一種生活在北美西部的野生煙草中得到深入研究，F(xiàn)ACs的幾種形式在煙草天蛾（Manduca sexta）的唾液分泌物中鑒定出來(lái)后，將其噴灑于野生煙草（N.attenuata）受傷的葉片可以誘導(dǎo)信號(hào)MAPKs的激活，JA和ET的合成，并能調(diào)整受傷誘導(dǎo)的葉片的轉(zhuǎn)錄組、蛋白組和代謝組，這些均被認(rèn)為是直接防御和間接防御的功能[6]。昆蟲(chóng)取食受傷部位時(shí)分泌的FACs可以很快被硬脂酸途徑中的脂氧化酶代謝成其他有活性的激發(fā)子。植物解析FACs的分子機(jī)制仍未研究清楚。[3H]-L-volicitin可以快速的、反向的、飽和性的與玉米的細(xì)胞膜結(jié)合，并且MeJA處理后這種結(jié)合能力顯著提高，這表明FAC特異受體參與了此過(guò)程，并且其量的多少依賴于JA信號(hào)。雖然OS可以誘導(dǎo)離子流動(dòng)和膜的去極化，但是FACs自身不能形成穩(wěn)定的通道。對(duì)幾種植物噴灑volicitin對(duì)JA和ET的生成沒(méi)有影響，因此認(rèn)為FACs不具備形成離子通道的功能[14]。那么，植物體中是FACs還是唾液分泌物中其他成分形成離子通道呢？離子流動(dòng)和膜去極化是否轉(zhuǎn)化成細(xì)胞的反應(yīng)呢？是如何進(jìn)行轉(zhuǎn)化的？這一系列問(wèn)題都需要進(jìn)一步研究。

除了FACs，昆蟲(chóng)唾液分泌物中還鑒定出了許多種其他類型的激發(fā)子。Inceptins是植物葉綠素ATP合成酶（cATPC）γ亞基蛋白水解的產(chǎn)物。當(dāng)黏蟲(chóng)（Spodoptera frugiperda）攻擊牛豆植物（Vigna unguiculata）時(shí)，消化后的cATPC在昆蟲(chóng)的中腸里被切割后形成inceptins，即使很少量的inceptins到達(dá)機(jī)械損傷的牛豆葉片也會(huì)明顯地改變JA、ET和SA的水平[15-16]。最近一種新的激發(fā)子——caeliferins在美國(guó)鳥(niǎo)蝗蟲(chóng)（Schistocera americana）中被鑒定出來(lái)，與volicitin一樣，caeliferins也會(huì)刺激玉米的幼苗釋放揮發(fā)性萜類[17]?？紤]到這些蝗蟲(chóng)很大的活動(dòng)性，蝗蟲(chóng)取食玉米后，玉米釋放的揮發(fā)物的生態(tài)意義仍然未知，但是釋放的揮發(fā)物似乎不是一種間接防御。

除了這些小分子的激發(fā)子，大菜粉蝶（Pieris brassicae）唾液分泌物中含有的β-葡糖苷酶（β-glucosidase）可以誘導(dǎo)卷心菜產(chǎn)生誘導(dǎo)天敵的揮發(fā)物[18]。棉鈴蟲(chóng)（Helicoverpa zea）唾液中含有的葡萄糖氧化酶（GOX）可以抑制植物的防御反應(yīng)[19]，并且甜菜夜蛾（S.exigua）唾液中的GOX可以通過(guò)調(diào)節(jié)FACs繼而調(diào)節(jié)SA的產(chǎn)生來(lái)干擾JA信號(hào)的作用。

檢測(cè)不同種屬植物對(duì)激發(fā)子FACs、inceptin和caeliferin的反應(yīng)可以更好地闡明植物解析食草動(dòng)物唾液中含有激發(fā)子的多樣性[14]。自然界中沒(méi)有一種激發(fā)子能誘導(dǎo)所有植物的反應(yīng)，如JA和ET的積累，即使2種植物親緣關(guān)系很近，對(duì)于同一種激發(fā)子也不會(huì)產(chǎn)生相同的反應(yīng)。

2 特定模式的機(jī)械損傷具有蟲(chóng)咬信號(hào)的功能

昆蟲(chóng)幼蟲(chóng)的取食行為具有高度的特異性，食草動(dòng)物取食植物組織后組織受損的模式、速度、頻率可被植物識(shí)別為特異的信號(hào)。Mithofer等[20]用可編程的機(jī)械裝置模仿蟲(chóng)咬的時(shí)速，發(fā)現(xiàn)在立馬豆（Phaseolus lunatus）中計(jì)算機(jī)控制的機(jī)械損傷后釋放的揮發(fā)性香氣的數(shù)量類似于毛毛蟲(chóng)（Spodoptera littoralis）和蝸牛（Cepaea bortensis）取食后的效果。因此，解析機(jī)械損傷的模式可能也是植物識(shí)別食草動(dòng)物能力的重要組成部分。

2.1 感知產(chǎn)卵

許多成熟的雌性食草昆蟲(chóng)會(huì)直接產(chǎn)卵在植物上，有些植物則會(huì)解析昆蟲(chóng)的產(chǎn)卵并能進(jìn)行直接和間接的防御。如當(dāng)豌豆象鼻蟲(chóng)（Bruchus pisorum L.）產(chǎn)卵藻豌豆（Pisum sativum L.）后，豌豆會(huì)在產(chǎn)卵的部位形成贅生物[21]，而后卵會(huì)從葉片表面脫落，如果從被驅(qū)逐出境的蟲(chóng)卵方面考慮，這就是直接防御。水稻中則會(huì)產(chǎn)生一種殺卵的物質(zhì)殺死稻飛虱（Sogatella furcifera）的卵[22-23]?？屏_拉多馬鈴薯甲蟲(chóng)（Leptinotarsa decemlineata）產(chǎn)卵后可導(dǎo)致馬鈴薯植株產(chǎn)生一種類似于壞死的超敏感的反應(yīng)，產(chǎn)卵的位置則變成壞死的區(qū)域，而后蟲(chóng)卵與葉片分離[24]。有些植物上，昆蟲(chóng)產(chǎn)卵也可以誘導(dǎo)植物產(chǎn)生揮發(fā)性信號(hào)吸引昆蟲(chóng)天敵[25]。

產(chǎn)卵流體中有2種物質(zhì)被認(rèn)為可以誘發(fā)特定寄主植物的防御反應(yīng)。Bruchins是豌豆鼻蟲(chóng)的產(chǎn)卵流體中分離出來(lái)的，它是一種長(zhǎng)鏈的α，ω-二醇，其1個(gè)氧或2個(gè)氧與3-乳酸酯化。即使0.5 pg的bruchins施加到葉片也會(huì)導(dǎo)致豌豆莢特定區(qū)域贅生物的生長(zhǎng)[21];另一種化合物稱為苯乙腈，是從卷心菜大白蛾產(chǎn)卵流體中發(fā)現(xiàn)的[26]，1 ng的苯乙腈即可在發(fā)芽的植物抱子甘藍(lán)（Brassica oleracea var.gemmifera cv.Cyrus）上引誘到寄生天敵（Trichogramma brassicae），但是引誘到的寄生天敵能否會(huì)大量寄生在卵內(nèi)仍然未知。

2.2 R基因介導(dǎo)的食草動(dòng)物的抗性

蚜蟲(chóng)和粉虱用它們的刺吸式口器從植物韌皮部吸收養(yǎng)分，雖然它們對(duì)植物不會(huì)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的損傷，但它們也會(huì)引起植物信號(hào)和次生代謝發(fā)生很大的變化[27]?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)一種R基因Mi-1可以抗蚜蟲(chóng)、粉虱和根結(jié)線蟲(chóng)[28];另一種R基因Bph14可以抗水稻的褐飛虱（Nilaparvata lugens Stal），與番茄中的Mi-1基因相似，Bph14編碼一種由卷曲-卷曲、核酸結(jié)合位點(diǎn)和富含亮氨酸重復(fù)的CC-NBS-LRR蛋白[29]。蚜蟲(chóng)和褐飛虱都是吸取韌皮部汁液的昆蟲(chóng)，均誘導(dǎo)SA信號(hào)，但是這些R基因如何參與抗食草動(dòng)物的機(jī)理仍然不清楚。 因?yàn)檫@些韌皮部汁液吸取者是在取食過(guò)程中將他們唾液中的酶引入植物體中，所以研究R基因是否參與了識(shí)別這些激發(fā)子會(huì)有很大的實(shí)踐意義。

3 食草動(dòng)物誘導(dǎo)的早期信號(hào)事件

食草動(dòng)物的攻擊可誘導(dǎo)植物細(xì)胞產(chǎn)生一系列的分子事件，而后引發(fā)報(bào)警信號(hào)，最終導(dǎo)致防御代謝物的積累。雖然目前對(duì)植物如何解讀食草動(dòng)物的取食知之甚少，一些小分子蛋白已經(jīng)被鑒定為復(fù)雜識(shí)別網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)，它們可以讓植物最優(yōu)化的分配能量和資源，進(jìn)行最大限度的防御。

3.1 鈣離子流、膜電勢(shì)和鈣感受器

Ca2+是一種重要的第二信使，參與真核生物多種信號(hào)通路。正常條件下，細(xì)胞質(zhì)中的Ca2+濃度為100～200 nmol/L，是非原生質(zhì)體流體中的10-4，是細(xì)胞器中的10-4～10-5倍。Ca2+流可以改變細(xì)胞質(zhì)中Ca2+濃度，經(jīng)常參與各種脅迫反應(yīng)和發(fā)育調(diào)節(jié)，與其他離子流（如Na+、K+、Cl-）一起，通常會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞膜電勢(shì)暫時(shí)的變化。S.littoralis幼蟲(chóng)取食通常會(huì)導(dǎo)致立馬豆葉片上巨大的膜的去極化，這種去極化不僅發(fā)生在受損傷的葉片附近，甚至?xí)l(fā)生在整個(gè)葉片上[30]。他們用一種Ca2+特異的染料染色，發(fā)現(xiàn)食草動(dòng)物引發(fā)的損傷可以誘導(dǎo)距離損傷30～200 μm的區(qū)域產(chǎn)生很強(qiáng)的Ca2+流，而機(jī)械損傷誘導(dǎo)的Ca2+信號(hào)要比蟲(chóng)咬誘導(dǎo)的信號(hào)弱很多，表明昆蟲(chóng)唾液分泌物識(shí)別機(jī)制在激活Ca2+流中發(fā)揮重要作用[30]。病原體來(lái)源的激發(fā)子很可能是與特異受體結(jié)合誘導(dǎo)細(xì)胞質(zhì)中Ca2+的變化[31-32]，也有可能食草動(dòng)物來(lái)源的激發(fā)子與未被鑒定出來(lái)的受體結(jié)合引發(fā)Ca2+流的變化。

細(xì)胞內(nèi)Ca2+的變化被多種Ca2+感知蛋白感知后引發(fā)下游的反應(yīng)[33]。這些感知蛋白包括鈣調(diào)蛋白、鈣調(diào)蛋白結(jié)合蛋白、依賴鈣的蛋白激酶（CDPKs）、其他含EF-手模體Ca2+結(jié)合蛋白和不含EF-手模體的Ca2+結(jié)合蛋白。在這些感知蛋白中，CDPKs是植物特異的鈣感受器，含有多種基因成員，其中擬南芥中有34個(gè)，擬南芥中有些CDPKs是參與脫落酸信號(hào)來(lái)抵抗干旱和鹽脅迫的[34-35];CDPKs也可被病原體激發(fā)子激活抵抗疾病[36-37]。有研究表明，植物中Ca2+與ROS和NO產(chǎn)物相關(guān)，如馬鈴薯的NADPH氧化酶可以依賴Ca2+的方式被CDPKs磷酸化，而后被激活產(chǎn)生ROS[38]。

3.2 MAPK信號(hào)

MAPK信號(hào)系統(tǒng)是真核生物中公認(rèn)的一種保守代謝系統(tǒng)，調(diào)控多種細(xì)胞過(guò)程。在植物中，特別是煙草和擬南芥中，許多研究表明MAPKs在植物抗脅迫特別是病原體脅迫中發(fā)揮重要的作用。用病毒誘導(dǎo)的基因沉默（VIGS）的方法，Wu等[6]揭示出水楊酸誘導(dǎo)的蛋白激酶（SIPK）和損傷誘導(dǎo)的蛋白激酶（WIPK）在植物對(duì)抗食草動(dòng)物反應(yīng)中起決定作用。食草動(dòng)物的蟲(chóng)咬可以快速引發(fā)MAPK的活性，唾液分泌物引發(fā)的JA、ET和許多防御相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)均依賴于MAPK途徑。番茄植物中也發(fā)現(xiàn)類似的結(jié)果，沉默番茄中SIPK和WIPK的同源物可抑制蟲(chóng)咬后植物體內(nèi)JA的積累和對(duì)煙草天蛾（M.sexta）的防御[39]。在馬鈴薯中，SIPK和WIPK同源物也參與Mi-1介導(dǎo)的對(duì)蚜蟲(chóng)的防御[40]。目前，MAPK家族已經(jīng)比較龐大（擬南芥基因組中有20個(gè)），期望更多的調(diào)控植物對(duì)抗食草動(dòng)物的MAPKs的成員被發(fā)現(xiàn)。

在哺乳動(dòng)物中，MAPKs的主要靶位點(diǎn)是轉(zhuǎn)錄因子，這些轉(zhuǎn)錄因子的磷酸化則會(huì)改變蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性、定位和活性。盡管植物中對(duì)于哪種轉(zhuǎn)錄因子是MAPKs直接磷酸化的靶位點(diǎn)知之甚少，但是植物體中也支持以上觀點(diǎn)[41-42]。已有研究表明MAPKs在調(diào)節(jié)植物轉(zhuǎn)錄組中發(fā)揮重要作用[6]，除了轉(zhuǎn)錄因子，其他蛋白也可以是MAPKs的底物。有研究報(bào)道MPK6（擬南芥SIPK同源物）直接磷酸化2個(gè)ACSs（ACS2和ACS6），使得這2個(gè)蛋白可以提高病原體激發(fā)子誘導(dǎo)的ET水平[43]。煙草中SIPK也會(huì)以相同的方式調(diào)節(jié)蟲(chóng)咬誘導(dǎo)的ET的合成[6]。但是目前沒(méi)有證據(jù)證明激酶是如何調(diào)控蟲(chóng)咬誘導(dǎo)的JA的積累和轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控等問(wèn)題。

蛋白磷酸化似乎也與Ca2+流相關(guān)。水稻中過(guò)表達(dá)一個(gè)電壓門控性Ca2+通道可增強(qiáng)激發(fā)子誘導(dǎo)的MAPK活性[44]。煙草細(xì)胞懸浮液培養(yǎng)時(shí)，加入氯化鑭和鈣調(diào)蛋白拮抗劑W7可抑制病原菌誘導(dǎo)子誘導(dǎo)的MAPK的激活[45]。也有證據(jù)表明Ca2+流可以調(diào)節(jié)磷酸化下游的事件，如一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白酶抑制劑——星孢菌素可以抑制培養(yǎng)的皺葉煙草細(xì)胞中激發(fā)子隱地蛋白誘導(dǎo)的胞質(zhì)Ca2+濃度的上升[32]。然而，關(guān)于食草動(dòng)物誘導(dǎo)的激酶信號(hào)特別是MAPK信號(hào)與Ca2+流之間的相互關(guān)系仍然未知。Ca2+特異的熒光染料、Ca2+檢測(cè)發(fā)光蛋白和GFP的應(yīng)用都是潛在的探索Ca2+流調(diào)控的有效工具。

在擬南芥中，完整的MAPK途徑包括MEKK1、MEKK4/MEKK5、MPK3/MPK6和WRKY22/WRKY29轉(zhuǎn)錄因子已經(jīng)被鑒定出來(lái)，調(diào)節(jié)下游的FLS2（鞭毛蛋白受體）[46]。越來(lái)越多的研究揭示出更多的MAPK途徑的作用元件，尤其是參與植物-病原菌相互作用的元件。目前仍然有許多關(guān)于植物與食草動(dòng)物互作過(guò)程中MAPK信號(hào)的問(wèn)題需要解決，除了SIPK和WIPK，哪一種MAPKs參與植物防御食草動(dòng)物？哪一種MAPKKKs和MAPKKs是它們上游的激酶？哪一種蛋白或者轉(zhuǎn)錄因子是MAPKs的直接底物？磷酸化事件怎樣改變它們的活性或定位，進(jìn)而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄組的變化呢？這一系列問(wèn)題都有待于進(jìn)一步的研究。

48卷8期 秦 燕等 植物對(duì)食草動(dòng)物取食響應(yīng)的研究進(jìn)展

3.3 活性氧

超氧化物陰離子（O2-），過(guò)氧化氫（H2O2）、單個(gè)氧（O2）和OH-統(tǒng)稱為活性氧?；钚匝醍a(chǎn)生于線粒體、質(zhì)體、過(guò)氧化物酶體及質(zhì)膜的外表面。ROS的產(chǎn)生是植物應(yīng)對(duì)脅迫的重要組成部分，尤其是在研究植物-病原體相互作用時(shí)，ROS的生物學(xué)功能研究的較多[47]。有研究表明，ROS在食草動(dòng)物誘導(dǎo)的植物反映中發(fā)揮作用，用大豆喂養(yǎng)棉鈴蟲(chóng)（Helicoverpa zea）可產(chǎn)生大量的ROS[48];單純損傷不能誘導(dǎo)蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）產(chǎn)生可檢測(cè)到的ROS的量，單純食草動(dòng)物的取食則可以[49];一種H2O2敏感染料的研究也表明灰翅夜蛾（Spodoptera littoralis）取食立馬豆都可導(dǎo)致ROS水平的升高[50]。

病原菌誘導(dǎo)的ROS的產(chǎn)生主要依賴于與質(zhì)膜結(jié)合的NAPDH氧化酶。在擬南芥中，有2個(gè)RBOH基因（AtrbobD和AtrbobF）編碼NADPH氧化酶的重要亞基，對(duì)病原菌誘導(dǎo)的ROS的產(chǎn)生是必需的[51]，這2個(gè)基因?qū)γ撀渌崽幚須饪缀驲OS的產(chǎn)生也有重要作用[52]。藥理學(xué)的證據(jù)表明NADpH氧化酶參與番茄中損傷誘導(dǎo)的ROS的產(chǎn)生[53-54]。番茄中相似的結(jié)果也表明在反義鏈方向表達(dá)部分RBOH序列[55]，食草動(dòng)物誘導(dǎo)的ROS水平的提高可能來(lái)自NADPH氧化酶的激活，這一點(diǎn)仍需進(jìn)一步證明。

在所有植物的RBOH蛋白中存在鈣離子結(jié)合的EF手模體的結(jié)構(gòu)域，表明脅迫誘導(dǎo)的鈣離子流調(diào)控NADPH氧化酶的活性[56]，他們的體外試驗(yàn)表明植物的NADPH氧化酶可直接被Ca2+激活[56]。然而ROS與鈣離子流之間的關(guān)系非常復(fù)雜，Ca2+似乎可以上調(diào)也可以下調(diào)ROS，二者之間的關(guān)系依賴于細(xì)胞類型和信號(hào)途徑[57]。食草動(dòng)物誘導(dǎo)的Ca2+流對(duì)ROS的產(chǎn)生是否是必需的目前仍然未知。顯然，ROS的產(chǎn)生還受到其他很多層面的調(diào)控。 在馬鈴薯中，StCDPK4和StCDPK5可以將StRBOHB的N端磷酸化，從而增強(qiáng)NADPH氧化酶的活性，進(jìn)而提高ROS[38]。在本生煙草中，SIPK可以從轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控RBOHB[58]。

盡管ROS在植物-病原菌互作中的功能已經(jīng)研究的比較清楚，但是ROS在植物抗食草動(dòng)物中的生物學(xué)意義仍然很模糊。在番茄中，藥理上抑制NADPH氧化酶的活性可以降低防御相關(guān)基因如PIs和多酚氧化酶的轉(zhuǎn)錄水平[54]。番茄中反義表達(dá)RBOH基因可以降低損傷誘導(dǎo)的PIs轉(zhuǎn)錄[55]。如果想進(jìn)一步研究這些活性分子是如何參與植物與食草動(dòng)物之戰(zhàn)的，則需要鑒定參與ROS合成和調(diào)控的基因，研究ROS在調(diào)控下游反應(yīng)中的功能以及對(duì)改變ROS水平的轉(zhuǎn)基因植物進(jìn)行生物測(cè)定等方面的工作。

3.4 茉莉酸（JA）

JA在植物發(fā)育和抵抗生物脅迫中的作用已經(jīng)有許多文獻(xiàn)報(bào)道[59]。JA似乎對(duì)植物的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)沒(méi)有那么重要，但是JA合成受阻的植物可能因?yàn)樾廴锊荒艹墒旎蛘呋ǚ蹧](méi)有功能而雄性不育。作為植物的免疫系統(tǒng)，JA對(duì)壞死營(yíng)養(yǎng)型病原菌有抗性[60]。JA是一種重要的激素，可以控制植物抵御食草動(dòng)物的取食。如果植物JA的合成受阻，則這種防御會(huì)大大降低，這些植物中對(duì)應(yīng)的防御化合物的合成也大大降低[61]。轉(zhuǎn)錄組和微矩陣的分析也表明許多損傷誘導(dǎo)和食草動(dòng)物誘導(dǎo)的反應(yīng)都是由JA途徑介導(dǎo)的[62]。

JA的合成是通過(guò)脂肪酸途徑完成的，先后在葉綠體和過(guò)氧化物酶體中合成。JA合成相關(guān)的所有酶已經(jīng)在擬南芥中鑒定出來(lái)。磷脂酶A催化葉綠體膜脂的水解從而釋放出游離的LA[63]，LA再經(jīng)過(guò)一系列葉綠體定位酶（如脂氧合酶LOX、丙二烯氧化物合成酶AOS）的催化和丙二烯環(huán)化氧化酶（AOC）轉(zhuǎn)化成OPDA，然后OPDA被運(yùn)輸?shù)竭^(guò)氧化物酶體，OPDA在OPDA還原酶（OPR）的催化下，經(jīng)過(guò)三步β-氧化，形成了JA[59]。盡管13-LOXs可以將LA轉(zhuǎn)化成13-過(guò)氧化氫LA，但是不同的LOXs酶可以將這些過(guò)氧化氫脂肪酸催化成綠色葉片揮發(fā)物或者進(jìn)入JA合成途徑。遺傳學(xué)上也已經(jīng)鑒定出JA-Ile分子，此分子是由JAZ酶催化JA和Ile合成的，它可以激活大部分JA誘導(dǎo)的分子反應(yīng)[64]。COI1是一種F盒蛋白，作為JA-Ile的受體在JA信號(hào)中發(fā)揮重要作用。JAZ蛋白（茉莉酮酸酯ZIM結(jié)構(gòu)域）是最近鑒定出來(lái)的，可以抑制JA誘導(dǎo)的反應(yīng)，COI1是JA-Ile的受體，這些都增加了對(duì)JA信號(hào)的理解[65]。JA-Ile特異性與COI1蛋白結(jié)合并能促進(jìn)COI1與JAZs的相互作用，這種結(jié)合促進(jìn)了SCFCOI1E3泛素連接酶對(duì)JAZs的泛素化，隨之引起核糖體上JAZs的降解。與JAZs結(jié)合的JA反應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子如MYC2和由蟲(chóng)咬、損傷、病原體感染引起的JAZs水平的下降，引起JA反應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子的釋放，從而激活了JA-Ile誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄反應(yīng)。這種JA反應(yīng)的方式與生長(zhǎng)素、赤霉素非常相似，生長(zhǎng)素和赤霉素分別先與其受體（F盒蛋白TIR1和GID1）結(jié)合，激活了轉(zhuǎn)錄抑制因子Aux/IAA和DELLA的泛素化和隨后的降解。

JA可以與很多氨基酸（如亮氨酸、纈氨酸和苯丙氨酸）結(jié)合，也可以與乙烯的前身ACC結(jié)合[64]，但是目前這些復(fù)合體的生物功能仍然未知。有些證據(jù)表明JA-Ile只參與了JA誘導(dǎo)反應(yīng)的很小的一部分，如在擬南芥中，受損傷后的jar1突變體可以高效地誘導(dǎo)依賴茉莉酸的損傷誘導(dǎo)的基因的表達(dá)[66]，而對(duì)JA合成突變（LOX3）的植物施加JA-Ile并不能完全恢復(fù)JA介導(dǎo)的防御性狀[61]。與此類似的，OPDA除了作為JA的前身，還認(rèn)為是一種信號(hào)分子可以激活損傷和蟲(chóng)咬引起的反應(yīng)[67]。

植物受傷或者蟲(chóng)咬后JA的產(chǎn)生和信號(hào)傳導(dǎo)的調(diào)控對(duì)于植物及時(shí)的開(kāi)啟防御反應(yīng)是非常重要的。JA的合成一般認(rèn)為受到底物的限制，目前仍然未知什么信號(hào)能觸發(fā)損傷和蟲(chóng)咬后葉綠體和過(guò)氧化物酶體中的合成反應(yīng)。纖維素合成酶基因的突變體AtCeSA3可以導(dǎo)致JA和ET水平的升高，這表明在擬南芥中，植物細(xì)胞壁的合成與JA合成的調(diào)控是有聯(lián)系的[68]。在煙草和番茄中過(guò)表達(dá)原系統(tǒng)素基因可以將SIPK和WIPK沉默，也可以減少損傷和蟲(chóng)咬引起的JA的積累[39，6]，但是通過(guò)瞬時(shí)過(guò)表達(dá)其上游的MAPK激酶MEK2并不能誘導(dǎo)JA的積累[69]。因此，除了激活MAPK以外，由損傷和蟲(chóng)咬引發(fā)的其他分子，對(duì)于誘導(dǎo)JA的產(chǎn)生也是必需的。

在JA積累的過(guò)程中，MAPKs的參與機(jī)制不太明確。植物中通過(guò)化學(xué)分析的方法分析JA的前體如SIPK和WIPK缺陷型，發(fā)現(xiàn)這2種激酶都能以不同的方式介導(dǎo)損傷或FAC誘導(dǎo)的JA的積累[63]。目前有關(guān)SA和JA積累的抑制效應(yīng)已有很多研究，在擬南芥中，NPR1基因是SA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中的關(guān)鍵因子，是SA的防御功能必需的[70];生物化學(xué)和遺傳學(xué)方面的研究表明，生物或者非生物脅迫誘發(fā)的高ET水平可以消除依賴于NPR1的SA對(duì)JA的拮抗[71-72];在煙草中，NPR1也可以調(diào)整蟲(chóng)咬誘導(dǎo)的JA的積累水平，雖然機(jī)制未知[63，73]。JA信號(hào)對(duì)于JA的積累有反饋調(diào)節(jié)的作用，如在COI1沉默的植物中，可檢測(cè)到明顯的JA水平的下降[74]。

3.5 乙烯（EA）

雖然乙烯分子的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是乙烯在植物發(fā)育和抗脅迫方面可以調(diào)控許多生理過(guò)程。ET的生物合成過(guò)程已經(jīng)研究的比較清楚：甲硫氨酸在SAM的催化下形成S-Ado甲硫氨酸，繼而ACSs催化生成ACC，ACos再將ACC氧化成乙烯、二氧化碳和氰化物。在這些合成步驟中，ACC的合成被認(rèn)為是限速步驟。蟲(chóng)咬后，植物快速激活乙烯的合成，與單純的機(jī)械損傷的植物相比，受傷的野生煙草的葉片涂抹M.sexta的唾液或FACs發(fā)現(xiàn)可誘導(dǎo)植物體內(nèi)的乙烯指數(shù)增長(zhǎng)[75]。在其他幾種植物中也鑒定出昆蟲(chóng)取食唾液中的誘導(dǎo)子，并能誘導(dǎo)乙烯的快速增長(zhǎng)[14]。在擬南芥中，MPK6催化的ACS2和ACS6的磷酸化可增加這些蛋白的穩(wěn)定性，從而大大增強(qiáng)乙烯的產(chǎn)生速率[43]。MPK6-ACS2/6這個(gè)途徑可以介導(dǎo)大約50%的病原微生物誘發(fā)子——鞭毛蛋白誘發(fā)的乙烯的產(chǎn)生。Wu等[6]用反向遺傳學(xué)的方法研究發(fā)現(xiàn)，將SIPK沉默但是不沉默WIPK能減少50%蟲(chóng)咬引發(fā)的ET的產(chǎn)生。 另有證據(jù)表明一種未鑒定的CDPK催化的ACSs的磷酸化可能負(fù)責(zé)另外50%的乙烯的產(chǎn)生[76]。由其他蟲(chóng)咬誘發(fā)子（如含硫脂肪酸caeliferins和inceptins）誘導(dǎo)的乙烯的產(chǎn)生是否是部分的依賴于MAPK信號(hào)是值得探索的問(wèn)題。

擬南芥中5種乙烯的受體蛋白（ETR1、ETR2、ERS1、ERS2和EIN4）與細(xì)菌2個(gè)組蛋白組分激酶是同源的，參與感知環(huán)境的變化[77]。遺傳學(xué)證據(jù)表明CTR1是直接作用于下游的乙烯受體，它反向調(diào)節(jié)下游的信號(hào)反應(yīng)[78]。CTR1編碼一種類似于Raf的MAPKKK，但其在乙烯信號(hào)中確切的作用模式仍然未知。EIN2和核定位EIN3及其他轉(zhuǎn)錄因子依次位于CTR1的下游[79-80]。SCF-E3泛素連接酶復(fù)合物介導(dǎo)的蛋白質(zhì)的降解也是乙烯信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的重要部分，2個(gè)F盒蛋白（AtEBF1和AtEBF2）與EIN3相互作用來(lái)協(xié)助將26s蛋白酶體移走[81-82]。因此，EIN3可能是通過(guò)快速降解，增強(qiáng)乙烯的水平。最近，擬南芥中一個(gè)MAPKK稱為MKK9被發(fā)現(xiàn)可以調(diào)控EIN3的穩(wěn)定性[83]。EIN3和其他EIN3類似轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合在轉(zhuǎn)錄因子的啟動(dòng)子上，如ERF1[84];這些轉(zhuǎn)錄因子作為乙烯反應(yīng)基因進(jìn)一步的轉(zhuǎn)錄激活子和抑制子。

乙烯在植物對(duì)抗蟲(chóng)咬中的功能被認(rèn)為是JA誘導(dǎo)反應(yīng)的主要反應(yīng)。在番茄中，乙烯促進(jìn)JA誘導(dǎo)PIs的積累[85];用一種合成的乙烯ethephon處理擬南芥，可短時(shí)提高JA和AOS的轉(zhuǎn)錄水平[86];用1-MCP抑制乙烯可降低蟲(chóng)咬誘導(dǎo)的揮發(fā)物的釋放，這主要是受JA的調(diào)控[87]。Von dahl等[75]在植物中敲出ETR基因后，乙烯信號(hào)可降低尼古丁的水平，但是可以增強(qiáng)蟲(chóng)咬后的可誘導(dǎo)性。乙烯對(duì)JA誘導(dǎo)反應(yīng)的拮抗作用也有報(bào)道，在煙草N.attenuata和N.sylvestris中，乙烯可抑制煙草合成基因PMT的轉(zhuǎn)錄水平從而負(fù)調(diào)控JA誘導(dǎo)尼古丁的合成，擬南芥中乙烯信號(hào)也可以負(fù)調(diào)控植物對(duì)昆蟲(chóng)S.littoralis的抗性[88-89]。

3.6 水楊酸（SA）

SA也是植物防御中的重要激素。PAL和ICS是SA合成中的2個(gè)關(guān)鍵酶。有些刺吸式昆蟲(chóng)如蚜蟲(chóng)和煙粉虱取食后，植物產(chǎn)生的反應(yīng)類似于對(duì)植物施加SA或受到病原菌體侵染[90]所產(chǎn)生的效應(yīng)。然而，SA在防御取食韌皮部昆蟲(chóng)方面具有種屬特異性，煙草植物在防御馬鈴薯蚜蟲(chóng)方面依賴于SA;蚜蟲(chóng)在表達(dá)NahG基因的番茄上比在野生型番茄上存活時(shí)間長(zhǎng)[40]。與此比較，蚜蟲(chóng)在野生型擬南芥上比在npr1突變體上生長(zhǎng)的更好，npr1突變體中SA的誘導(dǎo)反應(yīng)降低[91]。 咀嚼式昆蟲(chóng)的取食是否會(huì)改變植物的SA這取決于植物和昆蟲(chóng)的種類以及誘導(dǎo)所產(chǎn)生的乙烯的數(shù)量[71]。SA在植物防御咀嚼式昆蟲(chóng)中的功能仍然許多未知。

4 小結(jié)與展望

目前有關(guān)昆蟲(chóng)與植物互作的信號(hào)傳導(dǎo)方面的研究已經(jīng)有了諸多的報(bào)道，如昆蟲(chóng)對(duì)植物的取食和產(chǎn)卵可以引起植物防御水平的升高，包括直接防御和間接防御;植物感知到昆蟲(chóng)的取食信號(hào)后會(huì)啟動(dòng)一系列的信號(hào)途徑如Ca2+流、膜的去極化、JA的積累等，這些成熟的信號(hào)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)取食昆蟲(chóng)的種類使植物產(chǎn)生相應(yīng)的防御反應(yīng)，其中JA途徑是所有植物中最保守和最重要的防御反應(yīng);植物體內(nèi)的移動(dòng)信號(hào)可以短距離運(yùn)輸，也可以長(zhǎng)距離運(yùn)輸從植物受損傷區(qū)域傳遞到未受損傷的較遠(yuǎn)區(qū)域。然而目前仍然有許多問(wèn)題需要深入的研究，如植物解析昆蟲(chóng)取食和產(chǎn)卵的機(jī)制、組成完整MAPK級(jí)聯(lián)反應(yīng)的蛋白、昆蟲(chóng)取食植物后激活了植物轉(zhuǎn)錄因子種類、調(diào)節(jié)JA信號(hào)積累的調(diào)控因子、昆蟲(chóng)唾液中可能抑制植物防御的成分等，對(duì)這些問(wèn)題的深入研究將是未來(lái)的研究方向。

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