甲醇介導(dǎo)昆蟲與植物的防衛(wèi)反應(yīng)

慕莉莉，李國清

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院農(nóng)業(yè)部病蟲害監(jiān)測與治理重點(diǎn)開放實(shí)驗室，南京 210095)

甲醇主要由新鮮和腐爛植物釋放或由人工合成，廣泛存在于自然界和人類生活環(huán)境中，是非常重要的工業(yè)原料。隨著能源危機(jī)的加深，甲醇在很多國家已經(jīng)作為石油的替代燃料而被廣泛應(yīng)用?？梢?，甲醇污染已成為不可忽視的環(huán)境問題，值得深入研究(Schrader et al.，2009)。

甲醇可改變植物基因表達(dá)組和蛋白質(zhì)組，影響植物的防御能力，介導(dǎo)植食性昆蟲與植物的互作(von Dahl et al.，2006;K?rner et al.，2009)。因此，探明甲醇對昆蟲與植物互作關(guān)系的影響，具有重要的理論意義和潛在的應(yīng)用價值。本文綜述這一領(lǐng)域的最新進(jìn)展。

1 植物產(chǎn)生與釋放大量甲醇

植物在生長發(fā)育過程中，主動產(chǎn)生和釋放大量甲醇(Schrader et al.，2009)。據(jù)不完全統(tǒng)計，世界上所有植物釋放甲醇的量每年大于1016g(Schrader et al.，2009)。所有植物組織均產(chǎn)生和釋放甲醇(Schrader et al.，2009)。其中植物葉片釋放量最大(MacDonald and Fall，1993;Nemecek-Marshall et al.，1995)。葉齡不同，甲醇釋放量也不同:正在生長的葉片釋放量大，成熟葉片較小(Nemecek-Marshall et al.，1995)。

植物主要通過果膠脫甲基途徑產(chǎn)生甲醇。果膠是α-D-半乳糖醛酸及其甲酯聚合而成的多聚體，約占植物細(xì)胞壁質(zhì)量的35%。在植物幼嫩葉片中，α-D-半乳糖醛酸甲酯化的比例很高，細(xì)胞壁柔軟，有利于細(xì)胞的分化和伸長。葉片生長過程中，α-D-半乳糖醛酸甲酯在果膠甲基酯酶(pectin metylesterase，PMEs)的作用下，脫甲基形成α-D-半乳糖醛酸和甲醇。α-D-半乳糖醛酸則通過Ca2+離子與另一個α-D-半乳糖醛酸交聯(lián)，從而增加細(xì)胞壁的機(jī)械強(qiáng)度(Vorwerk et al.，2004)。生成的甲醇則與蒸騰液流一道逸散到空氣中(Galbally and Kirstine，2002)。

2 昆蟲取食進(jìn)一步激發(fā)寄主植物釋放甲醇

害蟲為害進(jìn)一步激發(fā)植物釋放甲醇(Ramírez et al.，2006;von Dahl et al.，2006)。如金堇蛺蝶幼蟲取食Succisa pratensis葉片，1 h 內(nèi)即可激發(fā)大量甲醇的釋放，且這種激發(fā)效應(yīng)至少可持續(xù)24 h(Pe?uelas et al.，2005)。

煙草天蛾5頭初孵幼蟲取食煙草葉片24 h 后，從煙草中釋放的甲醇大幅增加(von Dahl et al.，2006;K?rner et al.，2009)。這不由取食造成的傷口引起。實(shí)際上，5頭初孵幼蟲為害24 h 后，取食面積不超過1 cm2，即不到整株煙草葉片面積的1%(Schmidt et al.，2005)。而取食后甲醇釋放量增加了30%?？梢?，甲醇釋放量的增加由系統(tǒng)性的誘導(dǎo)機(jī)制引發(fā)。

煙草天蛾取食及用煙草天蛾唾液處理，還能瞬時誘導(dǎo)煙草植株釋放大量甲醇，峰值在取食開始后15 至30 min(von Dahl et al.，2006)。

3 甲醇大量釋放由果膠甲基酯酶活性增強(qiáng)和數(shù)量增加引起

煙草天蛾唾液處理煙草葉片30 min 后，果膠的脫甲基程度增大，果膠甲基酯酶的活性也增高?？梢?，煙草天蛾唾液進(jìn)入葉片后，立即激活了果膠甲基酯酶，水解果膠而即時釋放出大量甲醇(von Dahl et al.，2006)。

煙草天蛾唾液處理煙草葉片4 h 后，果膠甲基酯酶mRNA 表達(dá)量明顯提高，至處理后9 h 達(dá)到峰值。被煙草天蛾取食的葉片具有相似的誘導(dǎo)作用，因而可持續(xù)釋放較多的甲醇(von Dahl et al.，2006)。

煙草野生品系中果膠甲基酯酶PME1 基因NaPME1 恒常表達(dá)，若將煙草天蛾唾液施用于葉片傷口，NaPME1 的表達(dá)進(jìn)一步上調(diào)。而果膠甲基酯酶沉默品系ir-pme 中NaPME1 不表達(dá)，煙草天蛾唾液處理也不上調(diào)NaPME1。這使ir-pme 品系的果膠甲基酯酶活性顯著低于野生品系;ir-pme 品系的甲醇釋放量也較低，只有野生品系的1/3(K?rner et al.，2009)。

4 誘導(dǎo)甲醇釋放量增加的因子

與對照相比，煙草天蛾幼蟲唾液處理的葉片甲醇釋放增加了1倍以上;將唾液煮沸或用蛋白酶K 處理，誘導(dǎo)活性不變。相反，唾液中的誘導(dǎo)子N-亞麻?；?L-谷氨酰胺、N-亞麻?；?L-谷氨酸、殼聚糖、多半乳糖醛酸，植物激素茉莉酸、水楊酸和乙烯，信號物質(zhì)過氧化氫和葡萄糖氧化酶均無誘導(dǎo)活性(von Dahl et al.，2006)。因此，煙草天蛾幼蟲唾液堿性pH 值也許是誘導(dǎo)煙草釋放大量甲醇的因子。用0.1M 2-嗎啉乙磺酸和三羧甲基氨基甲烷組成的堿性有機(jī)緩沖劑及磷酸鈉鹽組成的堿性無機(jī)緩沖劑處理煙草葉片，誘導(dǎo)甲醇釋放。將緩沖液稀釋到0.05M 時，雖然誘導(dǎo)甲醇釋放的趨勢相同，但誘導(dǎo)幅度顯著下降?？梢?，昆蟲唾液的堿性pH 值是誘導(dǎo)煙草葉片釋放大量甲醇的因子(von Dahl et al.，2006)。

5 植食性昆蟲唾液和腸液的堿性性質(zhì)

鱗翅目、鞘翅目、雙翅目和膜翅目等植食性昆蟲幼蟲腸液為強(qiáng)堿性(Harrison，2001)。如舞毒蛾即使取食了大量酸性植物葉片，其腸液仍維持堿性(Schultz and Lechowicz，1986)。這是對植物防御的適應(yīng)。腸道中的強(qiáng)堿性環(huán)境可改變植物中多酚和其他次生代謝產(chǎn)物的氧化狀態(tài)，從而降低這些化合物的毒性及抗?fàn)I養(yǎng)作用，增加植物的營養(yǎng)價值。此外，在堿性條件下，從攝食葉片中獲取的蛋白質(zhì)的質(zhì)量有所改善，數(shù)量有所增加(Harrison，2001)。

昆蟲中，腸液逆流形成的反胃液是唾液的主要組成部分(Harrison，2001)。因此，鱗翅目、鞘翅目、雙翅目和膜翅目等植食性昆蟲都具有堿性唾液，它們的取食也應(yīng)像煙草天蛾和金堇蛺蝶幼蟲的取食(Pe?uelas et al.，2005;von Dahl et al.，2006)一樣，誘導(dǎo)植物釋放大量甲醇?？梢?，由甲醇介導(dǎo)的植食性昆蟲與植物的互作關(guān)系具有普遍意義。

6 果膠甲基酯酶與植物抗逆性

果膠甲基酯酶的活性決定果膠甲基化程度，與植物抗多種病原菌有關(guān)。例如，馬鈴薯抗軟腐歐氏桿菌的基因型果膠甲基化程度高，而敏感基因型則低(Marty et al.，1997)。果膠甲基酯酶活性較低的擬南芥果膠甲基化程度高，對灰霉菌的抗性也強(qiáng)(Lionetti et al.，2007)。果膠甲基酯酶還協(xié)助煙草花葉病毒在植物組織中擴(kuò)散(Chen and Citovsky，2003)。

幾種植物被害蟲為害時，果膠甲基酯酶mRNA上調(diào)(Divol et al.，2005;Schmidt et al.，2005;Giri et al.，2006;von Dahl et al.，2006)。推測果膠甲基酯酶可能通過三條途徑參與植物防衛(wèi)反應(yīng)。其一是生成甲醇，直接毒害植食性昆蟲或引誘天敵。其二是甲醇作為信號分子，激發(fā)植物防御;其三是果膠甲基酯酶直接作用于細(xì)胞壁，改變細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)特性，激發(fā)植物防衛(wèi)反應(yīng)。

7 昆蟲對甲醇的耐受能力

植食性昆蟲取食寄主時，攝入了大量甲醇。如平均體重為0.945 mg 的煙草天蛾初孵幼蟲(Woods and Singer，2001)取食第一天即攝入甲醇0.24 μg，這相當(dāng)于體重50 kg 的人每天攝入甲醇12 g，這一劑量可嚴(yán)重毒害人或其它靈長動物(Jacobsen and McMartin，1986)。植食性昆蟲是否受到寄主釋放的甲醇的毒害呢?

我們的研究結(jié)果回答了這個問題。甲醇對亞洲玉米螟3齡幼蟲的LC50值為28 mg/g 飼料(Guo et al.，2010);而在一般植物幼嫩組織中，甲醇濃度平均為26.8 μg/g 鮮重。兩者相差上千倍。這表明植食性昆蟲在長期的進(jìn)化過程中，獲得了高效代謝甲醇的途徑，從而避免被寄主植物釋放的甲醇毒害(Guo et al.，2010)。

8 甲醇作為信號分子

煙草天蛾初孵幼蟲生長于野生和果膠甲基酯酶沉默ir-pme1 煙草品系1 d 后，前者體重顯著小于后者。人工噴施甲醇于ir-pme 品系并不改變幼蟲生長狀況。野生和ir-pme 品系葉片中蛋白質(zhì)含量也無差異(K?rner et al.，2009)。可見，既不是甲醇本身也不是營養(yǎng)差異影響幼蟲在野生煙草上的生長。

進(jìn)一步噴施甲醇于野生煙草以提高其中的甲醇濃度，使其上的煙草天蛾幼蟲9 d 后體重是對照的2倍，同時胰蛋白酶抑制劑含量比對照降低了30%(von Dahl et al.，2006)。表明大量甲醇的存在抑制了胰蛋白酶和其它防御物質(zhì)的產(chǎn)生，從而提高了煙草天蛾幼蟲的適應(yīng)性。

甲醇是否也像植物的其他揮發(fā)物如綠葉性氣味物質(zhì)、萜烯類物質(zhì)一樣，影響植食性昆蟲的定向以及招募害蟲天敵呢?迄今為止，僅有零星研究。如有報道表明，至少有幾種甲蟲可被乙醇和甲醇引誘，從而找到寄主植物(Byers，1992)。

9 果膠甲基酯酶改變細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)特性而激發(fā)防衛(wèi)反應(yīng)

用煙草天蛾唾液處理煙草葉片，1 h 后，野生和果膠甲基酯酶沉默品系ir-pme 的茉莉酸和茉莉酸-異亮氨酸均大幅上升。隨后，ir-pme 品系的茉莉酸和茉莉酸-異亮氨酸均陡降，到施用后1.5 h，兩者的含量均約為野生煙草的40%。處理2 h 后，野生煙草中水楊酸濃度顯著提高，而ir-pme 品系水楊酸濃度無明顯變化。用煙草天蛾唾液處理煙草葉片，10 min 后蛋白激酶(SIPK)(Wu et al.，2007)活性大幅上升，但在野生和ir-pme品系中無差異(K?rner et al.，2009)。

擬南芥中，沉默纖維素合成酶，可破壞細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成，下調(diào)茉莉酸生物合成，從而影響植物的防衛(wèi)反應(yīng)(Ellis et al.，2002;Ko et al.，2006)?？梢姡脽煵萏於晖僖禾幚硪吧蚷r-pme 品系煙草葉片引起植物激素的變化不同，可能是由于ir-pme 品系中果膠甲基酯酶的沉默影響了細(xì)胞壁物理特性，進(jìn)而改變了抗逆信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和接受。

煙草被害或害蟲唾液處理，幾天之后胰蛋白酶抑制劑在野生和ir-pme 品系中均增加，但ir-pme品系的增加緩慢，到處理6 d 后，含量只有野生的60%。人工補(bǔ)充ir-pme 品系中甲醇含量，并不能恢復(fù)胰蛋白酶抑制劑的活性(K?rner et al.，2009)。

果膠甲基酯酶還可提高細(xì)胞壁水解酶如內(nèi)切多聚半乳糖醛酸酶的活性(Micheli，2001;Willats et al.，2001)，促進(jìn)寡聚半乳糖醛酸的生成而激發(fā)植物對病原菌的防衛(wèi)反應(yīng)及誘導(dǎo)產(chǎn)生蛋白酶抑制劑(Shibuya and Minami，2001)。ir-pme 品系中果膠甲基酯酶活性降低，寡聚半乳糖醛酸對植物防衛(wèi)的誘導(dǎo)能力可能減弱。

此外，果膠甲基酯酶活性決定了果膠中游離羧基的數(shù)量，進(jìn)而決定細(xì)胞壁結(jié)合Ca2+離子的量(Pilling et al.，2004)。由于Ca2+離子內(nèi)流至細(xì)胞質(zhì)是植物受害蟲侵襲時的早期信號(Maffei et al.，2004)，故ir-pme 品系中與細(xì)胞壁結(jié)合的Ca2+離子量的減少可能影響煙草對害蟲為害的早期信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，進(jìn)而影響防衛(wèi)反應(yīng)。

我們的研究結(jié)果表明，甲醇處理蘿卜苗后，寡食性害蟲小菜蛾和黃條跳甲的為害加重，種群密度增大(慕莉莉和李國清，2010);而甲醇處理蘿卜苗對多食性害蟲桃蚜和美洲斑潛蠅的作用則相反，減少了這兩種害蟲的定殖，降低了它們的為害。暗示甲醇處理啟動了蘿卜苗防御相關(guān)途徑，增加了異硫氰酸酯類合成，而這類物質(zhì)可引誘小菜蛾和黃條跳甲，而驅(qū)避桃蚜和美洲斑潛蠅(慕莉莉和李國清，2013)。

綜上所述，甲醇介導(dǎo)昆蟲與植物的互作關(guān)系，其可能的分子機(jī)理如圖1。

圖1 甲醇介導(dǎo)的昆蟲與植物互作關(guān)系的分子機(jī)理Fig.1 Molecular mechanism of the interactions between plant and herbivore mediated by methanol

References)

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