馮 振 ,鄭春燕 ,薄玉琨 ,李燁華 ,朱 峰**

(1.河北省土壤生態(tài)學重點實驗室/中國科學院農業(yè)水資源重點實驗室/中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農業(yè)資源研究中心石家莊 050022;2.中國科學院大學 北京 100049;3.江蘇省農業(yè)科學院 南京 210014)

近年來,多種復雜環(huán)境的不斷變化使植物生長面臨嚴峻挑戰(zhàn),制約著全球范圍內的農業(yè)發(fā)展。環(huán)境中不利于植物生長,導致植物體內生理結構遭到破壞、功能改變甚至喪失的因素被稱為脅迫[1]。植物在生長過程中面臨的脅迫包括生物脅迫(植食性昆蟲取食、病原體侵染等)與非生物脅迫(干旱、高低溫、鹽堿等)[2]。研究植物應答逆境脅迫的響應及其內在機制,可以為培育逆境耐受品種提供理論指導。近年來因生物入侵以及不合理利用資源等因素的影響,蟲害逐漸成為草原上發(fā)生頻次最高、危害最為嚴重的生物災害之一,嚴重影響到我國農牧業(yè)的發(fā)展[3]。干旱是一種世界性的農業(yè)災害,世界上大約1/3 的陸地面積都處于干旱和半干旱,而其他大多數陸地地區(qū)也經常發(fā)生周期性干旱[4],干旱災害造成的經濟損失占全部氣象災害造成的經濟損失的半數以上。

在逆境脅迫下,植物必須根據所處的環(huán)境對體內基因的表達以及代謝物的水平做出相應的調整,以適應這種不利環(huán)境。植物通過改變基因的表達模式造成蛋白質定性和定量的變化,進而影響到體內代謝和防御途徑的調節(jié)。目前,轉錄組和代謝組已經被廣泛應用到植物的抗逆基因以及代謝物的挖掘中。轉錄組揭示了暴露于各種環(huán)境脅迫下植物基因的表達水平的變化[5]。代謝組可以定性和定量分析生物體、組織或者細胞在一定時間內的所有小分子代謝[6]。轉錄組和代謝組為植物適應環(huán)境脅迫提供了完整的信息,這些信息可以用來改善一些經濟作物的適應性,更加快速地推進植物育種,從而有利于培育具有更強抗性的新一代作物。因此,加強植物響應生物與非生物脅迫的機制研究以及抗逆基因與代謝物的挖掘,對提升作物環(huán)境適應性和提高作物產量具有重要意義。

1 植物對干旱的響應

干旱脅迫對植物的傷害直接體現在植物的形態(tài)上,形成不可逆的損傷,而形態(tài)上的損傷往往滯后于植物體內生理生化反應的變化。當受到干旱脅迫時,植物細胞通過G 蛋白偶聯受體、蛋白激酶類受體等感知并接收信號,產生細胞內第二信使如Ca2+、活性氧(ROS)以及磷酸鹽等來調控蛋白激酶的活性,然后調控下游蛋白磷酸化并激活一系列轉錄因子進而調控相關基因的表達,最終促進體內相關代謝物的產生,提高植物在干旱環(huán)境下的適應性[7-8]。干旱信號通過ROS 在植物中進行傳導,然而ROS 的產生和去除之間的不平衡會導致植物在干旱脅迫下的氧化應激,過多的ROS 會使植物核酸、蛋白質以及脂質遭到破壞,從而改變膜的固有特性,最終導致細胞死亡[9]。植物激素是植物響應環(huán)境脅迫的重要調節(jié)因子,其中脫落酸(ABA)被認為是植物適應干旱的關鍵激素,ABA 相關基因的激活會促進植物葉片氣孔閉合,從而減少水分流失[10]。干旱脅迫還會影響植物的能量代謝,對植物的呼吸作用和光合作用造成消極影響,導致植物生長減緩和產量降低。

ROS 是植物代謝過程中產生的,高濃度的ROS對細胞有害,為了維持細胞的穩(wěn)定性,植物體會產生一些抗氧化劑來及時清除多余的ROS[11]。干旱脅迫下,大豆(Glycine max)幼苗中的差異基因和代謝物主要涉及苯丙烷類以及類黃酮和木質素合成,其體內編碼黃烷酮3-羥化酶(F3H)以及類黃酮糖基轉移酶的基因顯著上調。黃酮類化合物的酚羥基和甲氧基的官能團賦予了黃酮及其同源物很強的抗氧化活性[12],可以幫助植物去除體內多余的ROS[13]。干旱脅迫下的大麥(Hordeum vulgare)也積累了大量的類黃酮物質,比如奈酚、兒茶素和染料木黃酮,幫助大麥抵御干旱脅迫[14]。由于干旱條件下ROS 的累積會破壞植物葉片細胞膜滲透性并顯著降低葉片含水量,進而影響植物體內的滲透調節(jié),所以植物通過調控滲透保護劑的生物合成來維持體內的水分變化,例如碳水化合物和脯氨酸(Pro)。Pro 作為植物體內一種重要的滲透調節(jié)物,主要與保護植物體內生物大分子和滲透調節(jié)相關[15]。Δ1-吡咯啉-5-羧酸合成酶(P5CS)是Pro 生物合成中的限速酶[16-17]。干旱條件下紫花苜蓿(Medicago sativa)通過上調編碼Pro 合成關鍵酶(P5CS)基因并同時抑制編碼脯氨酸降解酶(脯氨酸脫氫酶)基因來控制Pro 的產生和積累,紫花苜蓿在葉和根中積累Pro、葡萄糖以及一些水溶性小分子來響應干旱[18]。干旱脅迫下的油菜(Brassica napus)葉片中的差異基因主要作用于滲透應激、氧化應激和碳水化合物的合成,在干旱后,棉子糖和Pro 含量都顯著增加,同時,研究發(fā)現合成Pro 前體的關鍵基因P5C顯著上調[19]。植物通過提高黃酮類物質以及Pro 的生物合成清除過多的ROS 來保護細胞膜系統(tǒng),調節(jié)細胞內外的滲透勢來維持細胞正常的吸水能力進而緩解干旱對植株的傷害。

ABA 是一種重要的促進信號轉導的有機物和抑制性生長激素,可調節(jié)植物的生長發(fā)育以響應干旱脅迫。干旱前后的白刺花(Sophora davidii)葉片中的差異基因主要作用于ABA 信號傳導、苯丙氨酸代謝和類胡蘿卜素生物合成,從而導致ABA 以及苯丙氨酸含量上調[20]。在ABA 信號通路中,參與合成ABA 的9-順式-環(huán)氧類胡蘿卜素雙加氧酶(NCED)的基因在干旱下顯著上調,NCED 是ABA 合成的主要限速因子,其表達通常是在植物處于不利的條件下上調以用來加速ABA 的合成[21]。ABA 的傳導過程首先被包含Pyrabactin (PYR)、蛋白磷酸酶2C(PP2C)和蔗糖非發(fā)酵-1-相關蛋白激酶2 (SnRK2)的受體復合物所感知。相關研究發(fā)現,植物體內編碼ABA 受體的PYR 家族基因和PP2C 的基因在干旱脅迫下調,表明PP2C 負調節(jié)ABA 信號轉導[22](圖1)。除此之外,芝麻(Linum usitatissimum)在干旱處理后,其葉片中編碼NCED 的基因以及參與ABA 依賴途徑的應答元件結合因子(ABF)和脫水響應元件結合蛋白2 (DREB2s)顯著上調,當ABF 被磷酸化以后可以結合ABA 響應的順式作用元件,進而激活下游抗旱基因的表達[23]。因此,ABA 在植物干旱脅迫響應中發(fā)揮著重要作用,通過大幅度增加植物體內ABA含量,促使植物發(fā)生生理生化反應以適應干旱環(huán)境。

圖1 植物對干旱和植食性昆蟲的響應模型Fig.1 Model of plant responses to drought and phytophagous insect

干旱脅迫會影響植物的能量代謝,通過對稷(Panicum miliaceum)進行干旱處理分析發(fā)現,其葉片中差異基因富集在淀粉和蔗糖代謝以及丙酮酸代謝,差異代謝物主要與檸檬酸循環(huán)、氧化磷酸化和乙醛酸代謝相關[24]。己糖激酶(HK)和6-磷酸果糖激酶(PFK)是糖酵解的限速酶,其含量在干旱下出現顯著上調,而作為三羧酸(TCA)的關鍵酶的異檸檬酸脫氫酶(IDH)和蘋果酸脫氫酶(MDH)下調表達,表明稷在干旱脅迫下糖酵解增強,TCA 受到抑制。同樣,在受到干旱脅迫的芝麻葉片中也發(fā)現TCA 循環(huán)中間體(檸檬酸、蘋果酸和延胡索酸等)含量顯著減少,說明TCA 循環(huán)過程受到了抑制[23]。玉米(Zea mays)在干旱脅迫下產生大量的花青素,花青素的積累可以維持葉片更高的抗氧化水平,并在玉米光捕獲和能量利用之間提供較好的平衡[25]。在高粱(Sorghum bicolor)中,許多關于葉綠素生物合成的基因顯著下調進而導致光反應和碳固定減弱,其中捕光復合體Ⅰ和Ⅱ的多肽亞基的基因表達下調,導致光合產物的減少[26]。蔗糖作為植物中能量轉導的關鍵分子和細胞代謝調節(jié)劑,在植物抗旱中發(fā)揮著重要作用,淀粉和蔗糖的代謝可以通過編碼淀粉降解酶的基因使淀粉酶水解淀粉轉化為葡萄糖、麥芽糖和其他低聚糖,從而使葉片在干旱脅迫下維持較高膨脹壓力和含水量。

由此可見,植物應對干旱脅迫是一個復雜的過程,主要是通過上調編碼類黃酮合成相關基因來增加植物體內類黃酮物質的含量,進而降低干旱引起的過多的ROS 造成的損傷;通過上調P5CS 等相關基因的表達提高Pro 的含量,以此調節(jié)細胞滲透平衡;通過增加ABA 含量來調節(jié)氣孔的關閉減少水分蒸發(fā);降低光合作用以及增加淀粉和蔗糖分解代謝等來幫助植物抵御干旱。

2 植物對植食性昆蟲的響應

植物對植食性昆蟲的防御一般分為組成性防御和誘導性防御[27]。組成性防御是指植物在被植食性昆蟲取食前就存在的、能夠阻礙昆蟲取食的物理和化學因子,如植物表面的蠟質、腺體和刺等形成機械屏障來阻止植食性昆蟲的取食,以及體內的化學因子(如多酚、芥子油苷等)來影響植食性昆蟲的取食和生長發(fā)育。誘導性防御是植物在被植食性昆蟲攻擊后激活的一種防御機制,植物通過產生有毒的次生化合物來殺死昆蟲,或產生防御性蛋白來降低植食性昆蟲取食植物后的消化能力,或者改變自身的營養(yǎng)狀況從而減輕植食性昆蟲對植物的傷害[28]。在物質基礎上,兩種防御機制具有一致性,都涉及到植物的形態(tài)、營養(yǎng)質量以及次級代謝物的改變。許多研究表明,雖然機械損傷和昆蟲取食都會導致植物組織損傷,但植物仍舊可以區(qū)分昆蟲取食和機械損傷,從而迅速部署相關的防御化合物。植物誘導性防御部分是由對來自昆蟲激發(fā)子的直接感知引發(fā)的,然而目前已知的與昆蟲取食相關的激發(fā)子很少,脂肪酸-氨基酸綴合物(FAC)是目前已知的研究最多的一類激發(fā)子。玉米和煙草(Nicotiana attenuata)通過直接感知昆蟲口腔分泌物(oral secretion,OS)中存在的FAC 來響應昆蟲的攻擊[29-31]。除了FAC 之外,昆蟲OS 中還發(fā)現了其他幾種類型的激發(fā)子,例如Inception 來源于葉綠體ATP 合酶γ 亞基的蛋白水解產物,通過誘導揮發(fā)性苯丙烷和蛋白酶抑制劑防御來介導植物對食草動物的感知。草地貪夜蛾(Spodoptera frugiperda)取食豇豆(Vigna unguiculata)后,誘導豇豆葉片中葉綠體ATP 合酶γ 亞基蛋白并產生Inception,隨 后激活了豇豆體內乙 烯(ethylene,ET)、茉莉酸(jasmonic acid,JA)和水楊酸(salicylic acid,SA)等防御通路,進而啟動植物對昆蟲的響應[32];蚱蜢取食玉米幼苗后釋放的Caeliferins 可以誘導玉米幼苗中揮發(fā)性萜烯的產生,從而引起植物的直接防御[33]。β-糖苷酶(β-glucosidase)是在大菜粉蝶(Pieris brassicae)口腔中鑒定出的一種植物揮發(fā)物誘導因子,能夠誘導結球甘藍(Brassica oleracea)釋放出吸引寄生蟲的揮發(fā)物,從而起到保護自身的作用[34]。植物的防御反應可能是對植食性昆蟲取食所造成的機械損傷和產生的OS 進行綜合識別的結果。植物防御植食性昆蟲的攻擊是一個動態(tài)的、多維的過程,首先觸發(fā)信號轉導途徑,這些信號傳導途徑主要包括膜電位去極化、鈣信號傳導、ROS 產生和蛋白質磷酸化;其次在動態(tài)的防御過程中,植物激素信號網絡將感知早期信號事件與轉錄重組以及誘導防御聯合起來,經過信號處理后,植物產生特殊的形態(tài)結構和次生代謝物,對植食性昆蟲具有抗營養(yǎng)趨避作用或毒性作用[35]。

ROS 是植物脅迫應答反應的重要部分,也參與植食性昆蟲誘導的植物防御應答。在植物被植食性昆蟲取食后,特別是韌皮部被取食的情況下,ROS 代謝系統(tǒng)會被激活。擬南芥(Arabidopsis thaliana)被銀葉粉虱(Bemisia argentifoliiBellows &Perring)取 食后,其體內參與編碼氧化應激反應相關蛋白的基因顯著上調[36]。同樣,當蚜蟲(Aphidoidea)取食擬南芥后,擬南芥葉片中有關氧化應激反應的基因顯著上調[37]。褐飛虱(Nilaparvata lugens)取食水稻(Oryza sativa)后,葉片中有關木質素和類黃酮生物合成相關的基因顯著上調,如編碼羥基肉桂?；D移酶(HCT)、4-香豆酸輔酶A 連接酶(4CL)、查爾酮合酶(CHS)和花青素還原酶(ANR)等的基因,水稻被取食后通過上調HCT 等相關基因進而增加木質素的合成,木質素的增加導致細胞壁的加厚進而助于抵抗植食性昆蟲的取食[38]。植物通過上調類黃酮生物合成途徑中CHS 等基因的表達增加黃酮類化合物(如查爾酮和花青素)的生成來去除植物體內的多余ROS,并且抑制植食性昆蟲的生長發(fā)育。茶樹(Camellia sinensis)被茶尺蠖(Ectropis obliqua hypulina)取食后的葉片中的差異基因主要富集在苯丙烷類、萜類生物合成和氨基酸代謝相關途徑,差異代謝物主要有表兒茶素、兒茶素和花青素[39]。然而當茶樹被茶小綠葉蟬(Empoasca pirisuga)取食后也明顯增加了茶葉中苯丙烷和類黃酮途徑中代謝物的產生,而且關于編碼苯丙烷和類黃酮生物合成有關的關鍵代謝酶苯丙氨酸解氨酶(PAL)、4CL、黃烷酮3-羥化酶(F3H)和黃酮醇合酶(FLS)的基因顯著上調[40]。植物通過增加抗氧化防御相關代謝物來減輕植食性昆蟲取食所帶來的氧化損傷。

茉莉素包括JA 及其環(huán)戊烷酮類衍生物,是一類調控植物抗蟲反應的重要植物激素[41]。當茶樹被茶尺蠖取食后,參與JA 合成的基因如ω-3 脂肪酸去飽和酶基因(FAD7A-1)、亞油酸13S-脂氧合酶2-1 基因(LOX2)以及茉莉酸-甲基轉移酶基因(JMT)的表達量顯著上調[39]。JA 在茉莉酸羧基轉甲基酶的作用下生成 茉莉酸甲酯(methyl jasmonate,MeJA),其 中MeJA 誘導植物產生的揮發(fā)性有機化合物可以引誘寄生性天敵[42]。研究發(fā)現,綠盲蝽(Apolygus lucorμm)取食棉花(Gossypium)后,與編碼JA 生物合成的相關基因顯著上調、JA 和茉莉酸-異亮氨酸(JA-Ile)的含量顯著增加(圖1)。JA 可誘導植物產生相關的生物堿、總酚、蛋白酶抑制劑(PI)和多酚氧化酶等植物次生物質,進而影響昆蟲的生長發(fā)育[43]。植物對植食性昆蟲的防御主要是通過JA 途徑,但取食韌皮部汁液的刺吸式口器昆蟲也可以激活SA 途徑[44]。二化螟蟲(Chilo suppressalis)取食水稻后的差異基因主要富集在SA 和苯丙烷的生物合成途徑,部分編碼SA的關鍵基因都顯著上調,包括NPR1、TGA和PR-1[45]。同樣,在被蚜蟲取食后的擬南芥中也發(fā)現SA 的含量顯著升高,并且絕大多數SA 相關基因都顯著上調[46]。SA 可以抑制過氧化氫酶的活性,使得植物體內的過氧化氫(H2O2)含量升高,高含量的H2O2會對昆蟲腸道造成損害,影響昆蟲的消化以及吸收[47]。水楊酸甲酯(methyl salicylate,MeSA)是水楊酸的一種衍生物,可以趨避某些害蟲,引誘天敵,進而保護植物免受昆蟲的取食。擬南芥受菜青蟲(Pieris rapae)取食后,釋放MeSA 吸引絨繭蜂(Cotesia rubecula),從而減少菜青蟲的取食,起到保護自身的作用[48]。

植食性昆蟲取食會影響植物體內的能量代謝,當受到植食性昆蟲取食時,植物會下調參與生長和光合作用相關基因的表達,以及優(yōu)先分配碳氮資源生產防御化合物[49]。光合作用的降低是植物對植食性昆蟲取食的常見響應,光合作用在植物與植食性昆蟲的相互作用中起到關鍵作用,因為它是新陳代謝的主要驅動力,而且是光、碳和氮信號通路之間所固有的[50]。當植物受到植食性昆蟲攻擊后,光合作用降低,而植物需要能量和碳來產生防御相關的代謝物質,許多植物通過促進儲能物質的分解代謝來應對這種損傷。擬南芥被蚜蟲取食后,其體內與光合作用有關的基因顯著下調[46],光合作用的下調可以保護植物免受氧化損傷。此外,光合作用的降低也會釋放資源,尤其是富含氮的化合物,其中氨基酸是氮的主要來源,許多植物的防御性化合物都來源于氨基酸前體,如一些次生代謝物和硫代葡萄糖苷。當苜蓿被薊馬(Thysanoptera: Thripidae)取食后,苜蓿植株體內23 種氨基酸及其衍生物發(fā)生了顯著變化,部分上調的氨基酸及其衍生物主要涉及有毒氨基酸或含硫氨基酸,如苯乙酰谷氨酰胺、半胱氨酸、高半胱氨酸和N-乙酰甘氨酸[51]。玫瑰(Rosassp.)被月季長管蚜(Macrosiphum rosirvorum)取食后,體內硫代葡萄糖苷生物合成途徑的15 種代謝物表現出不同的水平,其中丙酮酸、3-甲基-2-氧代丁酸和異丙基蘋果酸等物質含量增加[52]。此外,研究發(fā)現擬南芥通過CCA1 相關基因過表達來提高硫代葡萄糖苷的含量進而增強對桃蚜(Myzus persicae)的抗性[53]。鱗翅目幼蟲的生長發(fā)育受到寄主植物硫代葡萄糖苷含量的影響,然而硫代葡萄糖苷含量又受到植物激素JA 的調控[54],因此植物響應植食性昆蟲取食是一個復雜的多方面調控的機制。

由此可見,植物響應植食性昆蟲取食的途徑主要包括: 通過上調黃酮類合成基因來產生更多的類黃酮去清除植食性昆蟲取食帶來的氧化性損傷,上調JA 以及SA 合成的基因來增加JA 和SA 的含量,降低光合作用以及增加防御型化合物的產生等來抵御植食性昆蟲的取食。

3 植物對干旱和植食性昆蟲的響應

在室內條件下,研究者已經對植物在單獨的生物或者非生物脅迫下的響應進行了廣泛研究,然而在田間條件下,植物可能會暴露在多種脅迫環(huán)境中,植物對這些脅迫的綜合反應是未知的。在多種多樣的脅迫環(huán)境中,干旱和植食性昆蟲取食是造成其減產的兩種重要環(huán)境因素[55]。近年來,研究主要集中在植物對單一脅迫反應,然而對多重脅迫的反應必然會導致更復雜的情況,當植物必須面臨多種脅迫時,它們似乎會以特定的方式做出響應,并且無法根據植物對單個脅迫的響應來預測[56]。相關研究發(fā)現,植物在響應多重脅迫時有一些明顯的防御基因同時參與其中,植物在應對多重脅迫時,會進行體內的轉錄重構,并表現出一種獨特的轉錄反應,與單一脅迫下的響應不盡相同[57-58]。根據植物的生長狀況以及脅迫的強度,植物可以表現出不同程度的敏感性,但是目前尚不清楚面臨兩種脅迫應激是拮抗、協同還是相加。值得注意的是,非生物脅迫可能會對生物脅迫的抗性產生影響,導致植物的抗性發(fā)生改變[59]。兩種脅迫因素的結合會對植物產生負面加和效應;另一方面,脅迫的組合也可能導致植物的拮抗反應[60-61]。植物對干旱和食草動物在內的幾種脅迫的反應是通過引發(fā)部分重疊的生化途徑而發(fā)生的,因此暴露于一個脅迫因素下可能會促使植物對另一個脅迫因素做出響應[62]。

在考慮非生物和生物脅迫相互作用時,非生物脅迫通常會嚴重損害植物生長,如何有效地分配有限資源增加非生物脅迫耐受性或保護有價值的組織免受食草動物的危害,對植物而言是一個很大的難題。植物在暴露于非生物和生物脅迫后,特定的離子通道被激活,ROS 以及植物激素如ABA、SA、JA 和ET 積累,遺傳機制的重組導致植物進行充分的防御反應并提高植物的耐受性,以盡量減少脅迫造成的生物損害。植物主要通過協同或拮抗作用調節(jié)其對生物和非生物脅迫的響應,這稱為信號串擾[63]。此外,ROS 的產生已經被認為是生物和非生物脅迫反應之間共享的關鍵過程[64],植物對脅迫組合耐受性的關鍵途徑之一是抗氧化防御機制,較高的抗氧化能力或較低的ROS 積累與植物對組合脅迫的耐受性有關[2]。植物應對生物和非生物脅迫的調節(jié)機制雖然不同,但是具有相同的重疊基因的表達。相關研究表明ROS 是觸發(fā)下游脅迫反應的常見信號,ROS清除劑被認為可以在各種脅迫條件下減輕ROS 的細胞毒性作用。在非生物和生物脅迫條件下,植物誘導了大量編碼ROS 清除酶的基因[65-66],ROS 可能是介導非生物和生物脅迫響應網絡之間交叉耐受性的中心過程,并且是植物局部和系統(tǒng)信號通路中重要的次級信使,通過與植物激素的相互作用觸發(fā)對生物和非生物脅迫的適應反應。

由于植食性昆蟲取食和干旱激活的激素途徑部分重疊,當這些脅迫同時發(fā)生時,將會導致植物體內出現大量的串擾,可能會改變植物防御的分子網絡,從而影響植物對脅迫的響應。植物對干旱和植食性昆蟲的反應涉及ABA、JA 以及SA 途徑,干旱脅迫會引發(fā)ABA 的積累,ABA 會誘發(fā)氣孔閉合并減少蒸騰作用以提高用水效率。ABA 信號通路與其他植物激素如JA、SA 以及細胞分裂素發(fā)生串擾,這種串擾可以改變植物與植食性昆蟲相互作用的方式[67],ABA 信號通路的激活可以調節(jié)干旱脅迫下的防御性植物激素SA 和JA (圖2)。蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)在干旱脅迫下SA 信號通路基因表達以及SA 含量顯著降低,從而降低了其抗蟲性,之后在ABA 不敏感的突變株中發(fā)現干旱并未對SA 通路有影響[68]。在ABA 缺陷突變體的擬南芥中發(fā)現,ABA 信號通路的缺乏增加了擬南芥對桃蚜的抗性,并降低了桃蚜的種群密度[69]。ABA 可以增強JA 的生物合成和信號轉導,從而提高植物的抗蟲性[70]。ABA 水平的升高對JA 信號轉導的協同作用,可最大限度地保護干旱脅迫后植物葉片免受食草動物的危害。ABA 參與誘導全身組織中的JA依賴性防御信號的轉導過程,其通過調節(jié)食草動物反應基因,例如營養(yǎng)儲藏蛋白(VSPs)、脂氧合酶(LOXS)和硫代葡萄糖苷生物合成基因等來誘導植物對植食性昆蟲的抗性[71]。SA 和JA 之間存在著相互拮抗的作用,JA 通路的激活抑制了SA 的產生,JA 受體COI1 和MYC 轉錄因子的缺失導致SA 水平的增加,從而增強植物對丁香假單胞菌(Pseudomonas syringae)的抗性[72]。當擬南芥被銀葉粉虱(Bemisia tabacitype B)取食后,葉片中SA 相關防御基因顯著增加,然而JA 相關基因卻受到了抑制[73]。植物在響應脅迫時通常是多個激素信號路徑間相互作用,其中ABA 對JA 存在促進作用,對SA 則產生了拮抗作用,通過不同激素之間的信號串擾來影響干旱脅迫下植物的抗蟲性。

圖2 植物對干旱和植食性昆蟲雙重脅迫的響應模型Fig.2 Model of plant responses to dual stresses of drought and phytophagous insects

水分有效性差異會改變植物代謝物的組成水平及其對食草動物的誘導防御反應[74]。植物可以通過減小氣孔孔徑來避免過多的水分流失,但減小氣孔孔徑會抑制光合作用并導致碳饑餓。干旱引起的碳饑餓可能導致初級代謝物重新分配到次級代謝物中,進而改變植物的營養(yǎng)、適口性以及對植食性昆蟲的抗性。馬鈴薯(Solanum tuberosum)在干旱脅迫下葉片含水量降低,進而降低適口性來減少蚜蟲的取食[75]。當植物處于干旱脅迫時,部分食草動物誘導的反應達到了更高的水平,例如單帖類以及PI 的合成,從而抑制昆蟲腸道消化酶的增加,導致昆蟲生長減緩[76]。此外,一些防御性代謝物的生物合成也會因干旱而增加,如生物堿和萜類,可能會加強PI 的效果,揮發(fā)性萜類化合物的排放受到氣孔的調節(jié),因此干旱引起的氣孔閉合限制了它們的釋放和植物非揮發(fā)性萜烯和萜烯化合物的增加(圖2)。干旱脅迫導致植物中與細胞壁和碳水化合物以及次級代謝相關的轉錄反應增強,其中纖維素和木質素等細胞壁成分的增加降低了植物的適口性。然而,海灰翅夜蛾(Spodoptera littoralis)更喜歡取食干旱脅迫下的蔥芥(Alliaria petiolata),因為蔥芥體內硫代葡萄糖苷和異牡荊素吡喃糖水平隨干旱脅迫而降低,使得其適口性增加[77]。干旱引起擬南芥中大量氨基酸的積累,增強其韌皮部汁液的品質,從而降低對蚜蟲的抗性[78]。在發(fā)生干旱和植食性昆蟲脅迫期間,植物表現出復雜的響應,導致植物對植食性昆蟲的抗性發(fā)生改變。

4 結論與展望

植物在面臨外界脅迫時會通過調控相關抗逆基因以及代謝物進行防御。在面臨干旱脅迫時,植物會調控類黃酮和脯氨酸等物質的產生來清除體內過多的ROS,調控PP2C、NCED、SnRK2 等相關基因來產生ABA,抑制三羧酸循環(huán)和光合作用來抵御干旱;當面臨植食性昆蟲脅迫時,植物會調控相關基因產生苯丙烷與木質素等黃酮類物質來改變其適口性,調控FAD7A-1、NPR1和TGA相關基因來產生SA和JA,降低光合、釋放含氮化合物來抵御植食性昆蟲脅迫;植物在遭受到干旱和植食性昆蟲雙重脅迫時,其體內的ABA、SA 和JA 會產生復雜的相互作用從而影響到植物的抗蟲性,干旱脅迫后植物會產生一些生物堿和萜類以提高其抗蟲性,或者產生一些氨基酸增強植物適口性進而降低其抗蟲性?；诋斍把芯?本文針對應用轉錄組學和代謝組學深入挖掘植物響應非生物和生物脅迫機制,提出以下展望:

1)干旱與植食性昆蟲雙重脅迫對植物的影響是復雜的,植物對這種脅迫組合的影響可能取決于所涉及的植物和植食性昆蟲的種類、發(fā)育階段以及每種脅迫的強度和持續(xù)時間。因此,需要在植物特定的生長階段精確施加脅迫,以更好地解析多重脅迫效應。盡管在植物的某個階段,遭受到干旱和植食性昆蟲取食,但是這兩者脅迫是連續(xù)的,而不是同時發(fā)生的。研究表明很難做到同時施加干旱和植食性昆蟲取食這兩種脅迫,在以后的研究中可使用ABA模擬干旱和OS 來模擬植食性昆蟲取食,同樣外源性JA 或者SA 可用于植食性昆蟲取食相關的一些防御反應,進而準確地探討植物對同時發(fā)生的組合脅迫的響應[79]。

2)植物對生物和非生物脅迫組合的響應是復雜的,涉及各種信號通路的相互作用,解析植物個體響應多重脅迫的前提是闡明植物對個體脅迫的生理和分子機制。本文解析了植物對干旱脅迫、植食性昆蟲脅迫以及雙重脅迫的響應機制以及各種信號之間的相互作用,考慮到全球環(huán)境極端條件變化的加劇,未來應在干旱脅迫以及植食性昆蟲脅迫的基礎上去探究更多的脅迫組合對植物的影響,進一步研究解決多因素脅迫組合對植物生長過程和產量的影響。由于大規(guī)模測序、代謝組學、機器學習軟件和CRISPR-Cas 技術的發(fā)展,基因表達和代謝途徑的調控研究也大大增加,能夠更好地了解植物應對各種脅迫組合所涉及的生理、代謝以及信號機制,以及不同脅迫之間的相互作用以及信號串擾,為挖掘出具有多重抗性的基因和代謝物提供了便利。利用分子遺傳技術對作物進行基因改良,挖掘某些基因參與的分子調控網絡,并尋找其上下游調控通路,明確基因的分子調控機制,或者利用化學方法合成相關抗逆代謝物并對作物進行外源添加,從而提高作物的抗逆能力。

3)植物的生長資源是有限的,必須在生長和抵御脅迫之間取得平衡,因此,不僅僅要開發(fā)能夠在極端脅迫中存活的作物,還應該加強對逆境耐受性強的作物的研究。擬南芥的C24 基因型表現出SA 誘導的防御性組成,對丁香假單胞菌具有高水平的抗性,但是與具有組成性SA 反應的突變株不同,C24不會存在產量損失,而且它還具有更高的水分利用效率[80]。這一發(fā)現表明,有可能在不影響產量的情況下通過提高光合作用效率,改變氣孔調節(jié),平衡有效地利用養(yǎng)分和水,培育出具有耐受脅迫的植物,進而緩解全球糧食危機。

4)植物在抵御逆境脅迫時不僅能夠調動自身抗性系統(tǒng),而且可調節(jié)植物微生物群落以進行共同響應,因此還應當進一步結合微生物組學,揭示與抗逆相關的有益微生物。如根際促植物生長細菌(plant growth-promoting rhizobacteria,PGPR)可以通過改變植物體內激素的平衡,激活或者抑制相關通路,促進植物生長以及誘導植物產生抗性。通過增強根際的植物-微生物相互作用增加水肥利用效率,對植物和微生物進行全基因組學分析以及微生物組學分析,進而對抗逆性關鍵微生物進行挖掘,以這些微生物為有效成分制備新型微生物菌劑或構建抗逆微生物群落,激發(fā)有益菌群,增強植物抗逆能力。

未來應該從整體上研究生物系統(tǒng)對逆境變化做出的響應,加深對植物應答逆境脅迫機制的了解?？梢詫⒉煌M學技術整合到一起,不斷完善組學數據,挖掘更多的抗逆基因、代謝物以及微生物,進而全面揭示植物對多脅迫的抗逆本質,促進生態(tài)學科的發(fā)展,為培育優(yōu)質種質資源提供支撐。