6种防御酶调控植物体应答虫害胁迫机制的研究进展

发布时间：2019-12-06

　　摘 要 植物防御体系应对虫害胁迫产生一系列防御性生理生化反应，其中防御酶活性呈现显著变化.本文综述了超氧化物歧化酶( SOD) 、过氧化氢酶( CAT) 、过氧化物酶( POD) 、多酚氧化酶( PPO) 、脂氧合酶( LOX) 和苯丙氨酸解氨酶( PAL) 6 种常见防御酶应对虫害胁迫的机制，解析了 6 种防御酶的作用机理及其异同.梳理了 6 种防御酶应对虫害胁迫而相互协调的程序，总结了植物体遭虫害胁迫之后防御酶活性的变化及其与防御酶基因的关联，提出了植物体防御酶机制研究中的重要问题并展望前景.

　　关键词 防御酶; ROS 系统; JA 途径; SA 途径; 防御酶基因

　　植物体生长过程遭遇多种胁迫因子，非生物胁迫因子有极端高温和低温、光照、射线、旱涝、盐碱、重金属和植物生长调节剂等[1]，生物胁迫因子有昆虫、细菌、真菌、病毒和线虫的侵袭等[2].每种胁迫因子都能影响植物体的正常生理代谢活动，严重时则威胁植物的正常生长以致死亡，其中虫害又是最大的胁迫因子之一.在植物与昆虫的协同进化过程中，昆虫体型小，生活周期短，繁殖率高，具翅，灵活地觅食和迁移，能较快地适应环境的变化; 而植物生活周期长，不能移动，缺乏主动反击力，处于不利地位.然而植物依旧郁郁葱葱，覆盖了大部分陆地表面.其中的原因是什么?

　　在长期进化过程中，植物虽然不能像动物一样，面对昆虫的取食和侵扰做出逃跑反应，但植物也演化出了一系统有效的防御策略，以抵御虫害[3].通常将植物体抵御虫害的机制分为组成型抗性和诱导型抗性[4-5].组成型抗性指植物体在虫害胁迫前就存在的抗虫理化因子，例如脂质层、树脂、植株体毛、蜡质、角质层和木质化的硬表皮等植物特有的结构组织和抗虫物质，一定程度上抵御一些昆虫的取食.诱导型抗性是指植物在虫害胁迫诱导下激活防御基因，产生并激活防御酶活性，生成防御物质，而产生的防御效应又可分为直接作用和间接作用[6].前者是植物体内累积的有毒次生化合物被释放出来，如有毒有害化合物、防御蛋白、生物碱、类黄酮、单宁和酚类等，直接毒杀昆虫或削弱昆虫生长发育能力，或忌避昆虫进一步取食; 后者是植物改变自身的代谢方式以拒虫害，产生某些驱避植食性昆虫的气味或者改变挥发性次生化合物的组成和比例，以招引害虫的天敌前来捕食或寄生[7]，植物体防御酶系及其活性都会改变.

　　对植物体防御酶的研究始于 20 世纪初[8]，近些年来国内外已对多种植物防御酶应对虫害胁迫的调控机制展开试验[9]. 主要酶类有超氧化物歧化酶 ( superoxide dismutase，SOD) 、过氧化氢酶( catalase， CAT) 、过氧化物酶( peroxisome，POD) 、多酚氧化酶 ( polyphenol oxidase，PPO) 、脂氧合酶( lipoxygenase， LOX) 以及苯丙氨酸解氨酶( phenylalanine ammonialyase，PAL) 等.虫害胁迫诱导植物体防御酶活性的改变，生成防御相关物质[3，10].这 6 种常见防御酶在虫害作为胁迫因子的条件下调控机制的研究已成为热点问题.6 种防御酶的作用机理有相似点也有明显区别，在植物体内按照一定作用程序相互协调甚至还有相互阻抑效应，防御酶的产生及其作用主要源自于抗虫基因.本文将对此进行扼要解析并提出进一步的研究方向.

　　1 6 种植物防御酶特性及其作用机理

　　1. 1 活性氧系统关键酶 SOD、CAT 和 POD

　　植物体活性氧系统 ( reactive oxygen species， ROS) 的研究揭示，在生物体内氧通常作为植物体的电子受体，捕获到电子之后，生成超氧化物阴离子 O2 - · 及其衍生物 H2O2·OH-、分子氧等自由基[11].正常情况下细胞代谢产生的活性氧对植物体不会造成危害，但在植物体遭受虫害胁迫后，体内产生大量活性氧毒害物质，则会造成 ROS 系统失衡[12].

　　超氧化物歧化酶( SOD，E.C.1.15.1.1) 是一种可将超氧化物歧化反应为过氧化氢和氧气的金属酶.按其金属辅基成分，包含 4 种同工酶，即铁超氧化物歧化酶( Fe-SOD) 、锰超氧化物歧化酶( Mn-SOD) 、铜锌超氧化物歧化酶( Cu /Zn-SOD) 和镍超氧化物歧化酶( Ni-SOD) [13].在众多保护酶中，SOD 由于其反应特性，在清除活性氧的过程中第一个发挥作用，通过歧化反应( 2O2 - +2H+ = H2O2 +O2 ) 生成的过氧化氢 ( H2O2 ) ，为后续其他保护酶共同参与的活性氧解毒过程提供反应底物，被称为活性氧代谢的第一道防线[14].

　　过氧化氢酶( CAT，E.C.1.11.1.6) 是一种植物体内常见的以铁卟啉为辅基的酶类清除剂.CAT 在植物体中的主要功能是促使 H2O2 分解为分子氧和水，专一清除体内的 H2O2，避免其在体内积累，缓解细胞遭受 H2O2 毒害作用，维护细胞膜的稳定性[15].

　　过氧化物酶( POD，E.C.1.11.1.x) 是很大的一族酶，普遍存在于植物体中，与呼吸作用、光合作用以及生长素的氧化等都有关系.POD 作用底物是 H2O2 以及有机过氧化物如过氧化脂类，促进 H2O2 的反应，减少 H2O2 的积累.POD 还能将组织中的碳水化合物转化为木质素，使植物体的木质化程度增加，对害虫的胁迫形成阻抑屏障，进而提高植物抵抗外界压力的能力.

　　因此，SOD、CAT、POD 作为 ROS 系统调控的 3 种关键保护酶，通过彼此协调作用，有效抑制了活性氧自由基对机体的伤害，维持了细胞内自由基的正常水平及活性氧系统平衡[16]，在植物体应对逆境胁迫应答等方面扮演重要角色，在植物防御酶系中发挥重要作用[11].

　　1. 2 防御酶系统关键酶 PPO、LOX 和 PAL

　　多酚氧化酶( PPO，E.C.1.10.3.1) 是六大类酶中的第一大类氧化还原酶.Keilin 和 Mann 于 1938 年对蘑菇多酚氧化酶进行提取和纯化首次得到 PPO. PPO 广泛存在于植物体中，是最早研究的防御酶之一[17].植物遭受虫害时，其组织的腔室结构释放出 PPO，而 PPO 是酚类代谢系统中的关键酶，昆虫食物蛋白经 PPO 催化生成木质素及醌类化合物，构成保护性屏蔽阻碍昆虫取食[18]，醌类物质有一定毒性，能够对虫害形成有力的防御作用[19].

　　脂氧合酶( LOX，E.C.1.13.11.12) 是一种广泛存在于植物体内含有非血红素离子的双加氧酶[20]. LOX 有多种同工酶，是一个多基因家族，不同发育阶段和不同胁迫因子都可能诱导相应基因的表达. LOX 可以催化亚麻酸、亚油酸等多元不饱和酸生成 13( S) 氢过氧-亚麻酸，生成物经一系列氧化反应最终生成茉莉酸( jasmonic acid，JA) ，参与到体内 JA 途径.由 LOX 启动合成的一系列环状或脂肪族化合物称为 LOX 途径或十八碳酸途径，该途径生成的化合物在植物应对逆境胁迫过程中发挥重要的作用，因此 LOX 是植物体应对虫害胁迫调控的关键酶之一[21].

　　苯 丙 氨 酸 解 氨 酶 ( PAL，E. C. 4. 3. 1. 5 ) 是Koukol [22]于 1961 年首次在大麦中发现的，近年来报道 PAL 广泛存在于绿色植物中，是植物体内次生代谢反应的关键酶和限速酶，可以把苯丙氨酸催化合成酚类化合物.而植物体内通过苯丙烷类途径的中间产物( 酚类物质) 以及后续的水杨酸( salicylic acid，SA) 代谢途径转化生成许多有毒次生代谢产物，包 括 植 保 素、木 质 素、黄 酮、异 黄 酮、生 物 碱等[23]，因此 PAL 在植物抗病虫害的过程中发挥着重要独特的作用.

　　1. 3 6 种防御酶应对虫害胁迫的协调作用

　　已明确植物体 6 种防御酶对虫害胁迫的响应时间不同，应对虫害胁迫响应的机制有异( 图 1) .虫害胁迫植物体产生的 H2O2 可作为第二信使诱导相关防御基因合成防御酶[24]，也能诱导 PAL、PPO 的产生.其中 PAL 作为苯丙氨酸代谢途径的关键酶，参与到植物体 SA 途径中，该途径能够提高 ROS 系统中的 SOD、POD 活性[25].植物体被虫害胁迫时，激发体内 LOX 作为关键酶参与 JA 途径，JA 涉及诱导损伤基因的表达，可以诱导 PPO、LOX 和蛋白酶抑制剂( PI) 等的产生，促使昆虫食用蛋白的氨基酸烷基化并且刺激昆虫消化酶过度分泌，由此造成昆虫厌食反应进而抵抗昆虫取食[26]; 同时，JA 可以加强 ROS 系统中 SOD、CAT、POD 的活性，诱导植物产生尼古丁、苜蓿碱、异类黄酮等生物碱和酚酸类物质等以响应昆虫的取食胁迫.普遍认为，植物体遭受虫害胁迫，SA 途径与 JA 途径对抗虫信号响应均能发挥积极防御作用，不过 SA 与 JA 循环代谢途径间也存在着复杂的交互作用[27]，或拮抗或协同[2].因此植物防御酶应对虫害胁迫的调控机制甚是复杂，通常是多种防御信号途径间相互作用，交叉影响，共同抵御昆虫的取食侵扰.

　　2 6 种植物防御酶对虫害胁迫的应答机制

　　2. 1 6 种防御酶对虫害胁迫的应答特征

　　诸多研究揭示 SOD、CAT、POD、PPO、LOX 和 PAL 等防御酶活性与植物抗虫性存在着关联，可作为植物抗虫研究及抗虫品种筛选的参照指标.但不同防御酶在体内代谢的生理生化机制不同，故而每种酶对虫害胁迫的应答反应展示出各自的独特性.表 1 归纳了近几年防御酶类在虫害胁迫下的调控变化典型案例.

　　对于 ROS 系统的 SOD、CAT 和 POD 3 种保护酶，虫害胁迫通常诱导其酶活性上升，随着虫害的持续，酶活升到最高值再下降或维持一段时间，已在许多植物中得到验证[32，43].SOD 和 POD 活性表现为先升后降的趋势[28，36，39]，而 CAT 活性则表现为交替的升降[28，44].CAT 活性波动变化的原因可能是植物体对虫害做出了积极的应对，也可能与 CAT 独特的清除活性氧机制有关.植物体内的 H2O2 有着双重作用功能，作为信号物质能够诱导植物体后续的防御反应; 过量积累则会对植物体造成过氧化而损伤，CAT 活性因此表现为上下波动的态势.

　　在 JA 和 SA 循环代谢途径中，虫害胁迫常会造成植物体内 PPO、LOX 和 PAL 活性的升高[45].相比较而言，PPO 活性变化快，酶活达到峰值时间短，并在峰值维持一段时间，再呈下降趋势[29，32].LOX 活性的上升速度快，达到峰值后呈下降趋势.如棉铃虫取食棉花 2 h 后，LOX 活性显著升高，24 h 就有极显著变化[46].而植物体遭受虫害胁迫的前期，PAL 活性缓慢升高或轻微下降，后期快速升到某一峰值，并在此较高水平上维持一段时间[47-48].受虫害的不同种类植物体后期的 PAL 活性水平普遍高于初期，可能归因于 PAL 独特的防御机制，植株在虫害后期破坏严重，PAL 大量合成修复细胞损伤以及参与酚酸类等植物次生物质的合成，由此 PAL 活性变化缓慢且稳定[32].

　　应答虫害胁迫，抗性品种的防御酶比感性品种的反应速度更快，酶活水平更高.害虫密度愈大，胁迫愈严重，活性升高越迅速[49]，但植物体面对昆虫胁迫的防御程度存在阈值.麦长管蚜( Sitobion avenae) 取食诱导山羊草( Aegilops) 保护酶的研究[50]显示，感蚜前不同品种的 SOD、CAT 活性差异不显著，感蚜后 CAT 活性差异不显著，而 SOD 活性差异显著，提高倍数与蚜量比值、酶活性水平呈显著负相关.程璐等[51]对苜蓿斑蚜( Therioaphis maculata) 为害 5 个苜蓿品种的研究发现，PPO 活性随蚜虫为害时间的延长而呈下降趋势.防御酶出现此种现象的原因为: 昆虫危害时间久、力度大，胁迫严重致使植物体生理生化防御系统严重破坏，无法有效抵制害虫侵扰，造成酶活性调控系统濒临失衡; 植物体应对虫害反应存在时空差异，昆虫的持续取食，激发植株的其他防御途径参与，如 SA 途径、JA 途径、乙烯 ( ethylene，ET) 途径等协同作用，产生大量的次生代谢物来抵御害虫进一步取食危害.

　　姜伊娜等[47]发现，大豆( Glycine max) 抗蚜品种的 PAL 活性高水平表达，与感性品种的显著差异; 蚜害之后 PAL 活性升高，抗蚜品系的活性表现稳定，一直维持在较高水平上.常金华等[48]对不同基因型高粱( Sorghum bicolor) 的抗蚜性研究发现，蚜害诱导各个品种的 PAL 活性均上升，而抗蚜品系河农 16 和杂交种 PAL 活性都有高水平表达，与其他感蚜品种的差异显著，抗蚜品系表现稳定，PAL 活性与高粱抗蚜性存在明显的相关性，与蚜虫的诱导存在相关性.张丽等[52]报道，感蚜前、后 5 个高粱品种的 PAL 活性皆上升，但是高抗品种的酶活性始终保持在较高水平，其他感性品种最初值比较低，感蚜后 PAL 活性迅速升高，归因于 PAL 稳定性的组成表达机制. 但程红等[35] 发现，丁香受柳蛎盾蚧( Lepidosaphes salicina) 为害后，PAL 活性在高抗、高感品种均显著升高，中抗、易感品种酶活性显著降低或持平，未能反映品种间的抗感性差异.

　　2. 2 6 种防御酶在虫害与其他胁迫因子互作中的应答变化

　　近年研究揭示，虫害与其他因子互作会加剧防御酶活性的改变，生物胁迫与非生物胁迫在信号传导方面的交叉交流对植物体防御酶响应胁迫的意义重大[53].万东石等[54]对不同水分条件下胡杨( Populus euphratica) 披针形叶片的研究显示，仅受水分或者虫害一种单因子胁迫时，胡杨叶片活性差异不显著，但当土壤水分亏缺时遭遇虫害，两种胁迫因子互作使 CAT、SOD 活性显著提升; 结果是胡杨披针形叶在仅遭受单因子胁迫时，或许能够依靠自身的活性氧调节机制，将酶活性水平控制在合理范围之内，而水分缺失与虫害互作迫使 ROS 系统调节超过阈值，引起 ROS 系统失衡致使酶活性波动较大.蔡晓明等[55]在松突圆蚧( Hemiberlesia pitysophila) 危害马尾松( Pinus massoniana) 林的试验中，测得马尾松叶片 POD 活性升高 3.72 倍，而在枯斑拟盘多毛孢菌 ( Porphyritic trichomycetes) 与松突圆蚧共同胁迫下， POD 活性升高 5.10 倍，即虫害与菌害两种胁迫因子共同诱导了马尾松 PPO 活性上升到更高水平.

　　植物防御酶的变化与植物体自身的生理代谢特征以及能量分配息息相关.有研究表明，蚜虫为害后，高 钾 小 麦 ( Triticum aestivum) 叶 片 LOX、PAL、 PPO 和 POD 活性被显著提高，而低钾小麦叶片的这 4 种防御酶活性在虫害调查期间无显著变化[56].分析认为，在充足供钾的小麦体内茉莉酸含量受到蚜虫胁迫后显著提高，由此激活了小麦体内的 JA 信号传导途径，促进防御酶活性的提高，从而提高植株的抗蚜性.邵旭平等[57] 对不同生态型胡杨的研究发现，虫害造成叶片 CAT、POD 和 SOD 的活性均有增加，但是圆形叶的酶活性水平显著高于披针形叶，尤以 PPO 最为强烈，认为圆形叶比披针形叶抗虫性能更好，表明同种植株不同形态的叶片抗虫性能存在差异.

　　2. 3 防御酶活性变化与害虫选择寄主的关联

　　虫害胁迫引起植株防御酶活性的动态变化，可考虑将此作为昆虫对寄主偏嗜性的研究指标之一.

　　昆虫对寄主的选择与植物体的营养成分、次生代谢物种类和含量密切相关[47].通常认为，能够满足昆虫营养需求且抗性表现较弱的寄主更易招致昆虫取食“青睐”.不过高勇等[58]对 4 种果树遭受绿盲蝽 ( Lygus lucorum) 危害研究发现，在枣( Ziziphus jujuba) 、桃( Prunus persica) 和葡萄( Vitis) 树 3 种叶片中 SOD 活性均增加，其中绿盲蝽偏好程度最大的枣树叶片酶活性增长率最显著.魏书艳等[46]对绿盲蝽偏好程度不同的 5 种寄主危害试验表明，5 种寄主叶片保护酶 POD 活性均增加，其中活性在偏好程度较高的 苜 蓿 ( Medicago ) 、Bt 棉 ( Gossypium) 和 绿 豆 ( Vigna radiata ) 明 显 升 高，增 幅 分 别 达 133%、 81.2%、65.2%; 寄主受害后 SOD 活性的增幅次序为: Bt 棉>苜蓿>绿豆>甜叶菊( Stevia rebaudiana) ，仅在大豆中下降; 在受害后 Bt 棉与绿豆植株体内 CAT 活性明显增加，而苜蓿、大豆、甜叶菊的 CAT 活性却有不同程度的下降.虫害造成植株防御酶活性增减不一的原因在于: 昆虫对寄主的偏好性不同，口针刺入不同寄主植物体内所用时间不同，对于偏好性物种细胞的破碎、取食以及唾液分泌的持续时间较长，损伤严重，反而造成酶活性显著升高.酶活性升高能在一定程度上抵御昆虫取食，这种现象在对水稻、大豆、棉花等的研究中也有类似报道[46].对于昆虫选择抗性较强的寄主来摄取所需营养，表现出植物与昆虫在斗争中的相互适应、协同进化，因此防御酶活性调控与寄主适合度具有一定的相关性，可以基于防御酶的变化规律研究对昆虫的寄主选择机理进行补充解释.

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