茉莉酸調控植物應對逆境脅迫作用的研究進展

毛佳昊，熊曉輝，盧一辰

(南京工業(yè)大學 食品與輕工學院，江蘇 南京 211800)

植物的生長發(fā)育離不開外界環(huán)境，承陽光雨露之恩澤，受風雷禽蟲之折損。在自然環(huán)境下，凡是對植物生存或生長不利的環(huán)境因子統(tǒng)稱為逆境或脅迫。在長期的進化過程中，植物對不利環(huán)境發(fā)展出了適應性和抵抗力，稱之為耐逆性或抗逆性。植物遭受機械損傷、植食性動物的攻擊或處于極端條件(干旱、高鹽、極端天氣、重金屬、農藥等)下時，一些植物激素作為信號分子大量累積，并誘導機體發(fā)生復雜的生物化學反應來激活自身免疫系統(tǒng)，以應對環(huán)境的生物或非生物脅迫。

茉莉酸(jasmonic acid,JA)作為其中一種重要的“脅迫激素”，是一種已被公認的新型植物生長調節(jié)劑。目前已有研究表明，茉莉酸類化合物與植物抗逆性密切相關，能調控與抗逆有關的基因表達，從而緩解植物受到生物或非生物脅迫[1]。至此，茉莉酸受到了逆境生物學家的廣泛關注和研究。

本文中，筆者綜述了茉莉酸的發(fā)現(xiàn)過程、生物功能、合成路徑以及對病蟲害、鹽、干旱、重金屬、農藥脅迫等生物及非生物脅迫的作用。

1 茉莉酸簡介

茉莉酸是一類脂肪酸的衍生物(圖1)，是包括游離態(tài)的茉莉酸及其衍生物和活性前體物質12-氧-植物二烯酸(12-oxo-phytodienoci acid,OPDA)等的總稱。其衍生物主要有2種，分別為茉莉酸-氨基酸(如JA-Ile)和茉莉酸甲酯(MeJA)。Wasternack等[1]發(fā)現(xiàn)，茉莉酸及其衍生物在植物發(fā)育和對生物及非生物脅迫反應過程中發(fā)揮重要的作用。然而，與生長素、細胞分裂素、赤霉素、乙烯和脫落酸五大經(jīng)典的傳統(tǒng)類植物激素相比，茉莉酸及其衍生物是一類較新步入研究者視野的植物激素[2]。

圖1 茉莉酸的結構Fig.1 The structure of JA

1962年，Demole等[3]從素馨花的香精油中發(fā)現(xiàn)并分離得到了具有芳香味的物質茉莉酸甲酯。1971年，Aldridge等[4]從龍眼焦腐病菌培養(yǎng)基中分離出了茉莉酸，并發(fā)現(xiàn)龍眼焦腐病菌產生的這種游離態(tài)茉莉酸能夠抑制植物生長。隨后，科學家陸續(xù)從蕓豆未成熟的種子中、日本板栗新鮮葉片、蟲癭和葫蘆果種子中分離得到游離態(tài)的茉莉酸[5]。直到1980年茉莉酸類化合物的生物活性才慢慢被揭開。Ueda等[6]從苦艾中分離出(-)-methyl jasmonate并在艾草體內證明其可以促進衰老，進一步比較了(-)-methyl jasmonate和(+/-)-methyl jasmonate2種異構形式的茉莉酸甲酯生物活性，發(fā)現(xiàn)只有(-)-methyl jasmonate是具有促衰老的生物活性。次年，Dathe等[7]分離了(-)-methyl jasmonate異構體并發(fā)現(xiàn)其能抑制蠶豆種皮的發(fā)育，該研究結果首次報道了茉莉酸能抑制植物生長發(fā)育。同年，Yamane等[8]通過化學合成得到JA以及JA類似物，并發(fā)現(xiàn)其可以抑制水稻生長。茉莉酸類化合物的生物學功能不斷得到挖掘，目前已發(fā)現(xiàn)其參與調控了植物生長發(fā)育的各個方面，如：花粉成熟，根生長，花青素累積，表皮毛的發(fā)生，植物的育性，氣孔開閉、開花時間、根長抑制、塊莖形成、種子萌發(fā)、果實成熟和植物的衰老等[9-15]。

2 植物體內茉莉酸的生物合成

經(jīng)Wasternack等[1]研究發(fā)現(xiàn)，大部分植物體內合成茉莉酸的途徑都比較相似，其合成可以分為2個階段(圖2)。第1個階段發(fā)生在質體中，JA生物合成的脂肪酸底物是從葉綠體膜的半乳糖脂釋放的α-亞麻酸(α-LeA)。α-LeA的氧合作用是JA生物合成的最初步驟，氧原子必須通過脂氧合酶(LOX)插入C13位置；之后在丙二烯氧化合酶(AOS)及丙二烯氧化物環(huán)化酶(AOC)的作用下生成12-氧-植物二烯酸(OPDA)。第2個階段發(fā)生在過氧化物酶體中，OPDA在OPDA還原酶(OPR3)及3次β-氧化作用下，形成(+)-7-iso-JA，最終通過異構化作用，(+)-7-iso-JA很容易轉化成(-)-JA，其合成過程如圖2所示，其中AOS、AOC、OPR3為茉莉酸合成限速酶[1]。

圖2 茉莉酸合成途徑[1]Fig.2 Jasmonic acid synthesis pathway[1]

3 茉莉酸的抗逆機制及信號傳導

植物不斷整合環(huán)境信號，以優(yōu)化繁殖成功的方式調節(jié)其生長、發(fā)育和新陳代謝。除了可以預測諸如光照和溫度之類的晝夜線索外，植物還能夠感知和應對不可預測的環(huán)境影響，如缺水、感染、寄生等。這些選擇性壓力塑造了信號網(wǎng)絡的出現(xiàn)，在這種網(wǎng)絡中，小分子激素在將脅迫感知與復雜的轉錄反應相關的中心作用中發(fā)揮了重要作用，從而促進了植物在不利環(huán)境中的適應能力[16]。

許多研究表明，茉莉酸、茉莉酸甲酯和其他茉莉酸鹽是阻止植物天敵專門的代謝物和蛋白質的有效激發(fā)因子。JA-Ile核心信號通路中的模塊可以將各種環(huán)境影響與多種生理表現(xiàn)聯(lián)系起來(圖3)[17]。誘導信號包括微生物、草食動物和與損害相關的分子模式(分別為MAMP、HAMP和DAMP)，它們來自生物攻擊、受損的植物細胞和其他環(huán)境脅迫。這些信號被細胞表面的模式識別受體識別，從而觸發(fā)JA-Ile的合成。JA-Ile通過E3泛素連接酶SCFCOI1和26S蛋白酶體的作用促進多種JAZ蛋白的降解(以JAZx-z為例)。JAZ的降解減輕了與JAZ相互作用的轉錄因子(以TFa-c為例)的抑制，該轉錄因子控制著涉及生長、發(fā)育以及對生物和非生物脅迫耐受性的各種生理輸出響應。保守的核心途徑可以通過進化來重新利用，以將其他輸入信號與特定的轉錄反應聯(lián)系起來[17]。

圖3 核心JA-Ile信號傳導與抗逆過程[17]Fig.3 The stress resistance and core JA-Ilesignal pathway[17]

4 茉莉酸對植物逆境脅迫的影響

茉莉酸還在植物對生物和非生物脅迫的抗性反應中起重要作用，其作為內源信號分子參與包括力學損傷、昆蟲侵害、腐蝕性病原菌侵襲等生物脅迫和低溫、干旱、鹽脅迫以及重金屬脅迫的抗性反應過程[1]。

4.1 生物脅迫

4.1.1 茉莉酸與植物的抗蟲性

JA對植物抗蟲性的研究主要集中在以下4個方面。

1)外源JA誘導植物產生行為干擾物質。Lawrence等[18]利用外源JA處理落葉松(Larixgmelinii)，結果發(fā)現(xiàn)松針體內單寧含量顯著增加。單寧可以通過與昆蟲的唾液蛋白和消化酶結合，導致昆蟲消化酶失活，從而干擾昆蟲對植物蛋白的消化吸收；van Dam等[19]用JA處理番茄3 d后，番茄葉片中的尼古丁比對照組含量增加了2倍，取食其葉片的煙草天蛾幼蟲發(fā)育減緩，死亡率顯著升高。

2)外源JA誘導植物引誘寄生性天敵。植物在損傷或被植食動物攻擊后會釋放出大量的揮發(fā)性物質，而且所釋放的揮發(fā)物無論是在種類還是在數(shù)量方面都發(fā)生了明顯變化，這些變化會成為植食性動物的天敵實現(xiàn)寄主定位的指示物。有研究發(fā)現(xiàn)外源茉莉酸處理可誘導產生類似的揮發(fā)物，主要包括萜烯類、含有6個碳原子的醇、酮和酯類[20]。Meiners等[21]用1 μmol/L JA處理榆樹(Ulmusminor)，誘導產生的揮發(fā)性化合物吸引了榆葉甲(Xanthogalerucaluteola)的寄生性天敵嚙小蜂(Oomyzusgallerucae)，結果發(fā)現(xiàn)JA誘導處理的榆樹上天敵數(shù)量顯著比對照多。

3)外源JA誘導植物產生防御蛋白。茉莉酸類化合物誘導植物產生防御性蛋白，可刺激消化酶的過量分泌，經(jīng)神經(jīng)系統(tǒng)傳遞使昆蟲產生厭食、拒食反應，導致昆蟲發(fā)育不良；還調節(jié)植物蛋白酶抑制劑基因的表達，誘導蛋白酶抑制劑的合成。激酶、磷酸酶及調節(jié)蛋白酶等酶類在昆蟲的生長發(fā)育過程中起著重要的調節(jié)作用，對植物噴施JA后會產生一些抑制這些酶活性的化學物質，進而抑制昆蟲的生長發(fā)育，甚至導致植食性昆蟲的死亡[22]。多酚氧化酶(PPO)是植物體內廣泛存在的一種抗營養(yǎng)酶類，能夠催化多酚化合物次生代謝，降低植物的營養(yǎng)價值，作為一種重要的防御性酶，能夠被外源茉莉酸和茉莉酸甲酯誘導產生，阻止昆蟲取食、抑制昆蟲生長發(fā)育[23]。黑楊(Populusdeltoids)葉片經(jīng)茉莉酸甲酯熏蒸后，酚類物質含量顯著增加，體內PPO活性也顯著升高，將MeJA處理過的葉片飼喂楊扇舟蛾(Closteraanachoreta)的幼蟲，發(fā)現(xiàn)幼蟲的生長發(fā)育明顯被抑制[24]。Constabel等[25]應用25 μmol/L MeJA處理18種植物，誘導其PPO活性，結果表明，被誘導的煙草(Nicotianatabacum)和楊樹(Populustrichocarpa)與未處理的相比，PPO活性分別上調了22.9倍和5.4倍。Thaler 等[26]應用1.5 mmol/L外源JA處理番茄，結果番茄PPO活性顯著提高，減少了鱗翅目幼蟲、甲蟲、蚜蟲和薊馬等4類昆蟲的危害。Chen等[27]用JA噴施菊花幼苗不同部位，觀察各部位對西花薊馬的抗性，結果表明在葉尖上局部施用JA提高了葉片PPO活性，且植物營養(yǎng)成分含量下降，取食葉片的西花薊馬的體質量明顯低于對照組。

4)外源JA誘導行為干擾物質。Kessler等[28]利用外源MeJA誘導煙草對番茄天蛾(Manducaquinquemaculata)的抗性。結果表明，用200 μg/L MeJA誘導的每一株煙草揮發(fā)出的有機化合物，對番茄天蛾成蟲產卵行為驅避作用極強，處理過的煙草上著卵量比未處理的低90%，但這種起驅避作用的化合物并未鑒定出。劉勇等[29]用5 mmol/L外源茉莉酸誘導小麥對麥長管蚜(Sitobionavenae)和禾谷縊管蚜(Rhopalosiphumpadi)的取食防御機制，應用電穿透(electrical penetration graph)技術測定發(fā)現(xiàn)，JA誘導后，2種蚜蟲的非取食波次數(shù)和歷時顯著增加，說明JA誘導使小麥產生了防御反應，顯著降低了蚜蟲的取食程度。這與小麥被誘導產生維管液營養(yǎng)成分發(fā)生改變有關，驅避了蚜蟲的取食。

4.1.2 茉莉酸與植物的抗病性

在誘導植物產生抗病性方面，向妙蓮等[30]發(fā)現(xiàn)，MeJA可作為信號分子，參與植物對病原菌作出的應答并進行信息傳遞，激活植物體內活性狀態(tài)的防御系統(tǒng)，誘導植物的抗性反應，進而提高植株抵抗病原菌侵害的能力。有研究利用JA合成途徑的基因缺陷突變體aos、def1以及jar1證實了JA合成突變植株對番茄灰霉病菌、香蕉枯萎病菌和棉花黃萎病菌都表現(xiàn)出高易感性[31]。

Jia等[32]測定了葡萄果實發(fā)育過程中JA含量及其生物合成和信號相關基因的表達水平；進一步研究了MeJA在葡萄果實上的應用，表明MeJA能促進葡萄果實著色、軟化和香氣傳播，特別是莢果、幾丁質酶、β-1,3-葡聚糖酶和苯丙氨酸解氨酶等抗性物質的積累，并且在體外觀察到MeJA抑制了番茄灰霉病菌的孢子萌發(fā)、胚芽管生長和菌絲延伸，提示MeJA保護果實免受霉菌感染。

4.2 非生物脅迫

4.2.1 茉莉酸與植物抗旱

干旱問題是影響作物生長并導致產量降低最為普遍的非生物脅迫因子之一。干旱脅迫影響植物的代謝和發(fā)育過程、損害膜系統(tǒng)、降低植物的光合作用，甚至造成植物死亡。植物本身對干旱脅迫有一定的承受能力，但對于超過一定范圍的干旱脅迫，植物就失去了自身的調節(jié)能力。目前茉莉酸類化合物對植物的抗旱影響已有大量研究報道，其主要通過以下幾個方面調節(jié)植物對干旱的脅迫：①調控植物氣孔開閉和光合作用強度；②促使植物體內滲透調節(jié)物質含量升高；③調節(jié)植物抗氧化酶體系。

韓瑞宏等[33]對紫花苜蓿研究發(fā)現(xiàn)，缺水環(huán)境能夠抑制植株的氣體交換，使葉綠素含量降低，甚至破壞其結構。MeJA在調節(jié)氣孔運動、維持葉綠素含量方面起到了關鍵作用。外源MeJA可減輕干旱脅迫下烤煙葉片葉綠素的分解[34]；馬超等[35]發(fā)現(xiàn)在干旱脅迫下噴施MeJA可有效促進β-胡蘿卜素的積累，保護其他質體色素免受氧化降解，并通過調節(jié)氣孔開閉度避免植株水分的散失，從而緩解了干旱脅迫對小麥葉片光合同化能力的不良影響，增強小麥的抗旱性。

脯氨酸和可溶性糖作為植物體影響巨大的滲透調節(jié)物質，在逆境條件下，可以通過降低細胞滲透勢的方法來達到提高細胞吸水性的目的，使植物減輕不良環(huán)境帶來的影響。李兆舉等[36]研究發(fā)現(xiàn)，采用低濃度(0.25 μmol/L)外源MeJA浸種能夠促進干旱脅迫下玉米種子的萌發(fā)以及幼苗正常生長，促進植物幼苗的脯氨酸含量升高，高濃度MeJA浸種則對種子萌發(fā)和幼苗生長產生明顯的不良影響。在缺水狀況下，植物會產生大量活性氧，細胞膜發(fā)生脂質過氧化，膜系統(tǒng)受到氧化傷害，導致植物組織損傷。Alam等[37]觀察到干旱對油菜產生的氧化損傷，表現(xiàn)為脂氧合酶的活性和氧化應激、丙二醛和H2O2的水平升高，用0.5 mmol/L MeJA噴施油菜，提高了油菜體內的抗氧化酶體系活力，并且提高了作物的鮮質量和葉綠素含量。

4.2.2 茉莉酸與植物抗鹽

鹽害是目前制約農作物生產的主要逆境因素之一，土壤中較高的鹽離子濃度可以改變土壤結構，降低土壤透氣性和導水性，對植物造成滲透壓脅迫，打破植物體內的離子和水勢平衡，引起植物毒害，抑制植物生長發(fā)育，嚴重時甚至導致植物死亡。它對植物造成的損傷主要包括滲透脅迫帶來的生理干旱和鹽離子本身對植物的毒害。大量研究表明，JA通過影響氣孔行為和調控蒸騰來調節(jié)植物對鹽脅迫的反應。

Tani等[38]研究發(fā)現(xiàn)：鹽脅迫誘導脅迫相關蛋白及茉莉酸合成基因的表達，水稻葉片與根中茉莉酸含量增加[38]，耐鹽品種茉莉酸含量高于鹽敏感品種。Dombrowski等[39]研究發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫能夠促進番茄中蛋白酶抑制劑的積累，而JA合成過程缺陷突變體def-1，在鹽脅迫環(huán)境下，蛋白酶抑制劑的含量顯著降低，表明JA參與鹽脅迫下蛋白酶抑制劑積累的過程。MeJA預處理豌豆后也能夠降低鹽脅迫對CO2固定率、核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶含量及活性、蛋白含量的抑制作用[40]。

近年來，對茉莉酸及衍生物誘導植物抗鹽性的分子機制開展了不少探究。有研究發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫誘導多個物種的OPR1基因的表達，例如，水稻OsOPR1[41]、玉米OPR1和小麥TaAOC1基因[42]。在擬南芥中過表達玉米ZmOPR1基因發(fā)現(xiàn)，該過表達株系對滲透脅迫以及高鹽脅迫的忍耐性相對于野生型而言有顯著提高。Zhao等[43]在小麥中過表達TaAOC1基因后發(fā)現(xiàn)，植株內源性JA含量增加，耐鹽性有顯著提高。

4.2.3 茉莉酸與植物抗重金屬

一些重金屬元素，如，鐵(Fe)元素是植物所必需的微量元素，對植物的生長起著很重要的作用。而大多數(shù)來自工業(yè)廢料的重金屬元素，如：鎘(Cd)、汞(Hg)、鉛(Pb)等，在機體內積累在一定閾值時，就會對植物的生長發(fā)育產生毒害作用。重金屬主要通過以下幾種途徑對植物起到毒害作用：①抑制光合作用相關酶活性，降低光合效率；②取代植物必須營養(yǎng)元素和部分酶活性位點，導致酶喪失生理功能；③干擾其他離子的運輸；④激發(fā)活性氧產生，造成植物細胞氧化損傷，繼而影響植物生理代謝活動[44]。

有研究指出，外源茉莉酸甲酯可以誘導植物細胞防衛(wèi)基因的表達，緩解重金屬對植物的損害。陳俊[45]以秋燕幼苗為研究對象，對Cd脅迫下的秋茄幼苗使用MeJA并分時間段采樣，測量葉綠素含量、丙二醛和抗氧化物質含量等指標，結果顯示低濃度的MeJA可以有效緩解重金屬鎘對秋茄生長的抑制。Chen等[46]研究發(fā)現(xiàn)施加10 μmol/L MeJA和100 μmol/L JA，可以有效降低植物組織內金屬硫蛋白(MT2)的表達，減少重金屬向地上部位的運輸，從而有效地緩解重金屬的毒害作用，但當激素濃度過高時，本身也能夠對植物產生傷害。

4.2.4 茉莉酸與植物抗農藥

農藥是一類用于防治農作物及農副產品的病蟲草害及其他有害生物的化學試劑的總稱，其中有些還廣泛用于衛(wèi)生、畜牧、水產、森林等方面病蟲害的防治。雖然農藥的使用防止了多種病蟲害的發(fā)生，使農作物的產量有了極大的提高，但是目前過量、不規(guī)范的使用農藥使人類健康面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。

農藥還通過產生有害的活性氧(ROS)對植物產生負面影響，從而導致植物細胞中的氧化脅迫[47]，最終導致植物生長抑制，同時光合作用效率下降[48]。為了最大程度減少農藥造成的氧化損傷，植物內部具有的防御系統(tǒng)(酶和非酶抗氧化防御系統(tǒng))可在脅迫條件下被激活[49]。植物還可以通過酶介導的解毒系統(tǒng)對異種生物進行解毒，該系統(tǒng)包括諸如細胞色素P450酶、過氧化物酶、單加氧酶、羧酸酯酶和谷胱甘肽-S-轉移酶等[50]。

茉莉酸可以通過調節(jié)植物的抗氧化防御系統(tǒng)，從而減少非生物脅迫條件下的氧化應激。Sharma等[51]用10 μmol/L的JA浸泡油菜種子，在受到吡蟲啉(IMI)脅迫后，油菜幼苗酶促和非酶促抗氧化能力顯著提高，并且JA的浸泡使油菜幼苗的IMI積累量顯著降低。張書浩[52]以小麥為研究對象，研究異丙隆對小麥的毒性作用，表明外源添加茉莉酸甲酯可以有效緩解異丙隆對小麥的毒害作用，提高異丙隆脅迫下葉綠素的含量，緩解異丙隆對光合反應的抑制作用，同時茉莉酸甲酯降低了異丙隆對小麥的氧化脅迫以及在小麥體內的積累，并且外源添加MeJA可以促進土壤中農藥異丙隆的降解。Kaya等[53]用45 μmol/L MeJA處理除草劑甲咪唑煙酸脅迫的煙葉，與對照組相比，施用JA的煙草葉片色素含量、抗氧化活性和植物激素水平增加，而丙二醛含量和除草劑殘留量減少。

5 總結與展望

茉莉酸作為高等植物體內的一種內源生長調節(jié)物質，參與調控了植物大多數(shù)的生理生長過程，在植物的生長發(fā)育過程中起到了積極的作用。此外，茉莉酸又作為重要的逆境信號物質在調控多種植物逆境脅迫中起著重要作用。遺憾的是，學界目前對于茉莉酸如何調控某些具體的抗脅迫分子機制的了解不夠詳細。目前茉莉酸的成本較高，其對植物的抗逆研究多見于實驗室，尚未有應用于大田的報道，了解茉莉酸的抗逆機制或可為綠色農業(yè)的發(fā)展提供依據(jù)。