馬迪成, 竇道龍, 劉 峰

(1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 植物保護(hù)學(xué)院，北京 100193；2. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 植物保護(hù)學(xué)院，山東 泰安 271018)

植物病害每年造成的作物損失高達(dá)2 200 億美元[1]，嚴(yán)重威脅全球糧食安全。選育抗病品種是田間防治植物病害最經(jīng)濟(jì)有效的策略[2]，但傳統(tǒng)的抗病育種策略通常需要連續(xù)幾代的輪回選擇，且獲得的抗病性很容易被病原菌通過突變而逆轉(zhuǎn)[3]。農(nóng)藥的使用依然是控制植物病害的最常用手段，但殺菌劑的不合理或不科學(xué)使用會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加、抗藥性水平提高并帶來環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)[3]。因此，現(xiàn)階段的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展需要尋找更多新的手段，尤其是尋找可以替代傳統(tǒng)農(nóng)藥的解決方案。

植物揮發(fā)性有機(jī)化合物 (volatile organic compounds, VOCs) 作為氣傳信號(hào)，不僅可以使植物在器官之間快速發(fā)出防御信號(hào)[4]，實(shí)現(xiàn)植物之間的通訊[5]，還可以響應(yīng)生物和非生物脅迫而釋放[6]。植物VOCs 可通過吸引寄生性昆蟲和天敵的方式來抵御食草昆蟲的攻擊[7-8]，能夠有效抑制多種植物病原菌的生長和增殖[9]，或直接誘導(dǎo)植物防御系統(tǒng)的啟動(dòng)來抵抗病原菌的入侵[10]。前人針對(duì)生物脅迫誘導(dǎo)釋放的植物VOCs，主要從生物合成與調(diào)控、信號(hào)傳遞和生態(tài)功能等方面展開了討論[5-6,8]。本文擬綜述植物VOCs 在農(nóng)業(yè)病害防控中的研究進(jìn)展，包括其對(duì)病原微生物的直接抑制活性和植物免疫誘導(dǎo)活性，旨在為進(jìn)一步挖掘植物VOCs 在可持續(xù)病害防控中的潛能，減少傳統(tǒng)化學(xué)農(nóng)藥對(duì)食品和環(huán)境安全帶來的風(fēng)險(xiǎn)提供參考。

1 植物VOCs 的生物合成

植物VOCs 由化學(xué)成分多樣的有機(jī)化合物組成，通常具有沸點(diǎn)低、親脂性、易揮發(fā)和分子質(zhì)量低等特點(diǎn)[11-12]。截至2006 年，已經(jīng)從被子植物和裸子植物的90 個(gè)不同科中鑒定出1 700 多種VOCs[13]。VOCs 的生物合成依賴于植物體初級(jí)代謝提供的碳、氮和硫元素[14]。根據(jù)VOCs 的生物合成來源，主要可分為萜類、苯類/苯丙烷類、脂肪酸衍生物和氨基酸衍生物等。以下分別按萜類VOCs、苯類和苯丙烷類VOCs、脂肪酸衍生物類VOCs、支鏈氨基酸衍生物類VOCs、乙烯 (ethylene,ET) 和一氧化氮的生物合成研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1.1 萜類VOCs 的生物合成

萜類化合物是植物體次生代謝物中數(shù)量最多的一類，含有許多揮發(fā)性成分。它們來源于兩種常見的C5前體，分別為異戊烯焦磷酸 (isopentenyl pyrophosphate, IPP) 及其烯丙基異構(gòu)體二甲烯丙基焦磷酸 (dimethylallyl pyrophosphate, DMAPP)[15]。在植物中，甲羥戊酸 (mevalonic acid, MVA) 和甲基赤蘚糖磷酸 (methylerythritol phosphate, MEP) 兩個(gè)途徑負(fù)責(zé)萜類VOCs 的生物合成。其中，MVA途徑產(chǎn)生揮發(fā)性倍半萜 (C15)，而MEP 途徑則提供揮發(fā)性半萜 (C5) 和單萜 (C10) 的前體。MVA 途徑有6 個(gè)酶促反應(yīng)，而MEP 途徑包括7 個(gè)酶促反應(yīng)。IPP、DMAPP、牻牛兒基焦磷酸 (geranyl pyrophosphate, GPP) 和法尼焦磷酸 (farnesyl pyrophosphate, FPP) 通過連接代謝物促進(jìn)MVA 和MEP 通路之間的串?dāng)_。

1.2 苯類和苯丙烷類VOCs 的合成

植物VOCs 的第二大類是苯類和苯丙烷類化合物[13]，它們來源于芳香族氨基酸苯丙氨酸。7 種莽草酸途徑的酶促反應(yīng)和3 種阿羅酸途徑的酶促反應(yīng)將碳代謝與苯丙氨酸連接起來[16-17]。莽草酸途徑的直接前體磷酸烯醇式丙酮酸 (phosphoenolpyruvate, PEP) 和赤蘚糖-4-磷酸 (erythrose 4-phosphate, E4P) 分別來自糖酵解和磷酸戊糖途徑。大多數(shù)苯類/苯丙烷類化合物生物合成的第1 步是由苯丙氨酸解氨酶催化苯丙氨酸脫氨生成反式肉桂酸[14]。由反式肉桂酸生成苯類化合物需要通過β-氧化或非β-氧化途徑縮短丙基側(cè)鏈的兩個(gè)碳。揮發(fā)性苯丙烯，如丁香酚和異丁香酚，其初始生物合成步驟與木質(zhì)素生物合成途徑有部分重合，需要兩次酶促反應(yīng)來消除C9位置的氧[14]。含氮或硫的VOCs 通過修飾氨基酸或其前體的裂解反應(yīng)合成，如揮發(fā)性吲哚是由鄰氨基苯甲酸產(chǎn)生的。水楊酸 (salicylic acid, SA) 在植物中通過兩種途徑合成：一種是通過反式肉桂酸獲得，另一種是通過異分支酸 (isochorismate, IC) 獲得。在甲基轉(zhuǎn)移酶的催化下，一個(gè)甲基從供體分子S-腺苷甲硫氨酸 (S-adenosylmethionine, SAM) 轉(zhuǎn)移到SA 的羧基上，從而合成了水楊酸甲酯 (methyl salicylate,MeSA)[18]。

1.3 脂肪酸衍生物類VOCs 的合成

1.4 支鏈氨基酸衍生物類VOCs 的合成

許多VOCs，尤其是那些在花香和水果香氣中含量豐富的化合物，來源于氨基酸，如丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸和甲硫氨酸，或其生物合成的中間體[13]。植物中這些氨基酸衍生物類揮發(fā)物的生物合成與在細(xì)菌或酵母中發(fā)現(xiàn)的方式相似[22-24]。在微生物中，氨基酸經(jīng)過氨基轉(zhuǎn)移酶催化的脫氨或轉(zhuǎn)氨作用，形成相應(yīng)的α-酮酸[25]。這些α-酮酸可以進(jìn)一步脫羧，之后經(jīng)還原、氧化和/或酯化形成醛、酸、醇和酯[14]。

1.5 乙烯和一氧化氮的合成

乙烯是一種結(jié)構(gòu)簡單的功能多樣性氣體植物激素，其生物合成路線見圖1a。

圖1 乙烯和一氧化氮的生物合成途徑[26-27]Fig. 1 Biosynthetic pathways of ethylene and nitric oxide [26-27]

植物通過3 個(gè)關(guān)鍵酶促反應(yīng)生成乙烯： 1)S-腺苷甲硫氨酸合成酶 (S-adenosylmethionine synthase) 催化甲硫氨酸生成SAM； 2) ACC 合成酶 (ACC synthase, ACS) 催化SAM 裂解為1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸 (1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid, ACC) 和甲硫腺苷 (5′-methylthioadenosine,MTA)； 3) ACC 氧化酶 (ACC oxidase, ACO) 催化裂解ACC 釋放乙烯[26]。一氧化氮在植物細(xì)胞內(nèi)普遍存在并廣泛參與抗病防御反應(yīng)，其生物合成路線見圖1b。植物中的一氧化氮主要來源于依賴精氨酸的氧化途徑和依賴亞硝酸鹽的還原途徑。一氧化氮合酶 (nitric oxide synthase, NOS) 催化L-精氨酸生成瓜氨酸，并釋放一氧化氮。硝酸還原酶(nitrate reductase, NR) 作為植物氮同化過程中的關(guān)鍵酶，先利用NADPH 作為電子供體催化硝酸鹽生成亞硝酸鹽，后繼續(xù)催化亞硝酸鹽還原成一氧化氮[27]。

2 植物VOCs 的收集及分析

VOCs 通常以混合物的形式在植物周圍的空間中稀釋，因此需要特殊的儀器和方法來收集，并以足夠的分辨率和靈敏度對(duì)其進(jìn)行分析[28]。VOCs在植物生命周期中的重要作用，以及隨著研究者對(duì)這些代謝物在生物化學(xué)、生理學(xué)和生態(tài)學(xué)方面研究興趣的增加，促進(jìn)了頂空取樣和分析方法的發(fā)展[29]。

2.1 植物VOCs 的收集方法

植物VOCs 的收集方法主要包括在吸附劑上進(jìn)行靜態(tài)或動(dòng)態(tài)收集揮發(fā)物，熱解吸或用溶劑解吸后進(jìn)行色譜分離和質(zhì)譜分析[30-31]。根據(jù)特定的試驗(yàn)?zāi)康?，可以從一株完整的植物或其某個(gè)部分 (原位) 收集VOCs，也可以在密封容器中從分離的植物部分 (非原位) 收集[29]。在進(jìn)行靜態(tài)頂空取樣時(shí)，容器內(nèi)沒有空氣循環(huán)；而在進(jìn)行動(dòng)態(tài)頂空取樣時(shí)，空氣被不斷地循環(huán)利用或從外部吸入[31]。溶劑解吸是近10 年來VOCs 研究中最常用的采樣方法之一，其優(yōu)勢在于收集的液體樣品可被長時(shí)間儲(chǔ)存[30]。與溶劑解吸相比，熱解吸可有效避免樣品被稀釋，解吸效率更高。熱解吸還可以減少樣品制備的時(shí)間和有機(jī)溶劑中的雜質(zhì)對(duì)后續(xù)分析的干擾，但該方法對(duì)吸附材料和待檢測VOCs 的熱穩(wěn)定性要求較高[31]。常用于靜態(tài)采樣的固相微萃取 (solid phase microextraction, SPME) 技術(shù)就是通過熱解吸的方法釋放吸附在纖維上附著的VOCs，一般只能對(duì)采集的樣本進(jìn)行一次性分析。相比之下，常用于動(dòng)態(tài)采樣的溶劑解吸可以通過氣相色譜 (GC)、氣相色譜-質(zhì)譜 (GC-MS) 和氣相色譜-觸角電位檢測 (GC-EAD) 對(duì)收集的樣品進(jìn)行多次分析[29]。

2.2 植物VOCs 的分析方法

對(duì)VOCs 進(jìn)行定性和定量分析最常用的技術(shù)包括：1) 基于氣相色譜的技術(shù)，如GC-MS、氣相色譜-火焰離子化檢測器 (GC with flame ionization detector, GC-FID) 和熱解吸-氣相色譜-質(zhì)譜 (thermal desorption-GC-MS, TD-GC-MS)；2) 基于軟電離的質(zhì)譜技術(shù)，如選擇離子流量管-質(zhì)譜 (selected ion flow tube-MS, SIFT-MS) 和質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)-質(zhì)譜(proton transfer reaction-MS, PTR-MS)。氣相色譜法是一種適用于植物VOCs 定性和定量分析的成熟技術(shù)。色譜柱是氣相色譜儀的核心組件，主要分為填料色譜柱和毛細(xì)管色譜柱兩種。利用氣相色譜技術(shù)研究植物VOCs 的主要優(yōu)點(diǎn)包括：1) 樣品儲(chǔ)存時(shí)間長；2) 靈敏度高；3) 特異性強(qiáng)；4) 儀器定制成本低；5) 便攜性強(qiáng)。氣相色譜儀的主要缺點(diǎn)是不能對(duì)樣品進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。SIFT-MS 是一種利用H3O+、NO+和作為前體離子對(duì)VOCs進(jìn)行化學(xué)電離的技術(shù)，其用于植物VOCs 研究的主要優(yōu)點(diǎn)包括：1) 可實(shí)現(xiàn)VOCs 的實(shí)時(shí)測定；2) 可根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪x擇不同的前體離子；3) 可直接進(jìn)行定量分析；4) 不需要用氣體標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行校正。SIFT-MS 的主要缺點(diǎn)是難以鑒定異構(gòu)體。PTRMS 是一種利用H3O+檢測作為前體離子對(duì)VOCs進(jìn)行電離的實(shí)時(shí)檢測技術(shù)，其用于植物VOCs 研究的主要優(yōu)點(diǎn)包括：1) 是靈敏度最高的VOCs 實(shí)時(shí)研究設(shè)備；2) 可搭配不同前體離子增強(qiáng)分析能力；3) 通過改變電極參數(shù)就可以提高儀器分析能力。PTR-MS 的主要缺點(diǎn)是需要被氣體標(biāo)準(zhǔn)校正后才能用于定量分析[32]。

3 植物VOCs 的誘導(dǎo)釋放

當(dāng)植物受到脅迫時(shí)，VOCs 的釋放量和種類會(huì)發(fā)生很大變化[33]。生物脅迫 (如食草動(dòng)物和病原菌的侵襲) 和非生物脅迫 (如機(jī)械損傷和環(huán)境因素變化) 均可觸發(fā)植物VOCs 的誘導(dǎo)釋放[6]。植物監(jiān)控系統(tǒng)可通過對(duì)特定信號(hào)的識(shí)別來檢測這些脅迫，被檢測到的信號(hào)通過轉(zhuǎn)導(dǎo)可促進(jìn)防御化合物的生成[34-36]，這些防御物質(zhì)也包括各種植物VOCs。

Application of nonionic surfactants in leather industry 9 54

3.1 植物VOCs 對(duì)生物脅迫的響應(yīng)

生物脅迫誘導(dǎo)的植物VOCs 主要由GLVs、萜類、MeJA、MeSA、甲醇和乙烯等物質(zhì)組成。植物與食草動(dòng)物之間的相互作用已經(jīng)持續(xù)了數(shù)百萬年。隨著時(shí)間的推移，植物已經(jīng)進(jìn)化出防御食草動(dòng)物攻擊的機(jī)制[36]。昆蟲取食植物后可誘導(dǎo)其釋放VOCs，這在幾種高等植物和蕨類等低等植物中已得到證實(shí)[37]。植物為響應(yīng)昆蟲取食會(huì)產(chǎn)生VOCs以吸引它們的敵人，如昆蟲捕食者和寄生蜂[38]。此外，受食草動(dòng)物損害的植物VOCs 的釋放總量約為未受損植物釋放總量的2.5 倍[39]。食草動(dòng)物可以直接通過取食行為誘導(dǎo)植物釋放VOCs，也可以通過機(jī)械損傷間接影響植物釋放VOCs[32]。與機(jī)械損傷不同的是，食草動(dòng)物對(duì)植物的攻擊是兩個(gè)不同生命系統(tǒng)之間的互作，非常復(fù)雜。利馬豆Phaseolus lunatus和菜豆Phaseolus vulgaris對(duì)棉花葉蟲Spodoptera littoralis的攻擊與機(jī)械損傷的反應(yīng)不同，但在機(jī)械損傷的基礎(chǔ)上加入葉蟲口腔分泌物后誘導(dǎo)釋放的VOCs 更類似于葉蟲攻擊[40]。

病原菌侵染也可誘導(dǎo)植物產(chǎn)生VOCs，以抑制病菌的進(jìn)一步入侵和擴(kuò)散。2-己烯醛、2-壬烯醛、2-蒈烯、β-石竹烯、β-水芹烯、愈創(chuàng)木酚、MeSA、苯甲醇和丁香酚等多種由番茄產(chǎn)生的VOCs 對(duì)番茄灰霉病菌Botrytis cinerea具有較好的抑制作用，其中2-己烯醛和2-壬烯醛的抑制作用最強(qiáng)[41]。

3.2 植物VOCs 對(duì)非生物脅迫的響應(yīng)

除了響應(yīng)生物脅迫外，許多植物會(huì)在光照、溫度變化或受到其他非生物脅迫 (如淹水或干旱)時(shí)釋放VOCs。光照和溫度可以通過調(diào)控化合物合成速率的方式來影響植物VOCs 的釋放[42]。缺水會(huì)限制VOCs 的生物合成，而更嚴(yán)重的干旱則會(huì)減少其釋放[43]。此外，用重金屬處理一些植物會(huì)導(dǎo)致特定VOCs 混合物的釋放[44]。大氣中CO2濃度的升高在導(dǎo)致低層大氣變暖的同時(shí)，也可能導(dǎo)致植物釋放更多的VOCs[45-46]。

盡管臭氧對(duì)植物的毒性作用已得到充分證明，但臭氧對(duì)植物VOCs 釋放的影響卻很少受到關(guān)注。長期暴露于臭氧中的兩個(gè)雜交白楊無性系(Populus tremulaL. ×P. tremuloidesMichx.) 能夠釋放更多的α-蒎烯和β-蒎烯[47]。有研究表明，將利馬豆暴露于臭氧中增加了兩個(gè)萜烯同系物反-4,8-二甲基-1,3,7-壬三烯和反,反-4,8,12-三甲基-1,3,7,11-十三碳四烯的釋放，這與紅蜘蛛Tetranychus urticae取食利馬豆誘導(dǎo)釋放的萜烯種類一致[48]。

4 植物VOCs 對(duì)病原微生物的活性

植物在生長發(fā)育過程中會(huì)面臨各種病原物的侵染，因此，植物進(jìn)化出了VOCs 來保護(hù)自身免受有害細(xì)菌、真菌和線蟲等的侵害[11-12]。多數(shù)VOCs 可同時(shí)抑制多種病原微生物，具有開發(fā)成商業(yè)化殺菌劑的潛能，引起了眾多研究者的關(guān)注。

4.1 植物VOCs 的抗細(xì)菌活性

丁香假單胞菌Pseudomonas syringae接種能夠誘導(dǎo)菜豆釋放兩種典型的抑菌GLVs，反-2-己烯醛和順-3-己烯醇[49]。這些植物VOCs 對(duì)革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌的生長均具有抑制作用[11]。采用GC 和GC-MS 法對(duì)小茴香Foeniculum vulgare和海茴香Crithmum maritimum的揮發(fā)性精油進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)這兩種植物的精油對(duì)植物病原細(xì)菌、動(dòng)物病原細(xì)菌、土壤和水中寄生的細(xì)菌均存在抑制作用[50]。從牛至屬Origanumsp.植物中提取的精油還可對(duì)分離自戰(zhàn)斗傷員身上的多重耐藥細(xì)菌，包括鮑曼不動(dòng)桿菌Acinetobacter baumannii、銅綠假單胞菌P. aeruginosa和金黃色葡萄球菌Staphylococcus aureus，具有明顯的抑制效果[51]。對(duì)耐多藥微生物良好的拮抗活性使植物VOCs 具有用于抗生素抗性治理的潛力。

4.2 植物VOCs 的抗真菌活性

采后病害引起的腐爛會(huì)破壞果蔬品質(zhì)并導(dǎo)致產(chǎn)量損失，而對(duì)環(huán)境和人類健康的迫切關(guān)注要求研究人員開發(fā)出可替代傳統(tǒng)化學(xué)殺菌劑的方法來控制采后病害[9]。人們對(duì)植物VOCs 預(yù)防果蔬病原真菌感染方面的認(rèn)識(shí)在不斷增加。由匍枝根霉Rhizopus stolonifer引起的腐爛病是一種嚴(yán)重的杏Prunus armeniacaL. 采后病害，而果實(shí)成熟過程中釋放的乙醛可以抑制該菌的菌絲生長和孢子萌發(fā)，且用乙醛熏蒸后的果實(shí)腐爛發(fā)病率降低了30%[52]。乙醇作為直鏈醇中毒性最小的一種VOC，用其2 mL/kg 進(jìn)行熏蒸處理，可以有效地阻止鮮食葡萄上由灰霉病菌引起的腐爛擴(kuò)散[9,53]。精油是由萜烯、醇、酯、醛、酚等化合物形成的混合物。從3 種香薄荷屬Saturejasp. 植物中提取的精油對(duì)多種草莓采后真菌病害均具有防治效果[54]。異硫氰酸酯 (isothiocyanates, ITCs) 是一類由硫代葡萄糖苷酶解而來的生物活性化合物，一些ITCs 具有高揮發(fā)性，如烯丙基、丁烯基、芐基、2-苯乙基和4-甲硫丁基-ITC[55]。因此，可在貯存前或氣調(diào)包裝中用作果蔬保鮮處理的氣體，以抑制真菌引起的食物變質(zhì)。

糧食收獲后容易受到真菌侵染而導(dǎo)致變質(zhì)，植物VOCs 可用于防控儲(chǔ)糧病害[56]。唇香草Ziziphora clinopodioides精油可以在離體條件下抑制黃曲霉Aspergillus flavus和寄生曲霉Aspergillus parasiticus的生長，并限制黃曲霉素B1 的產(chǎn)生 (Aflatoxin B1,AFB1)[57]。反-2-己烯醛對(duì)黃曲霉、禾谷鐮刀菌Fusarium graminearum和黑曲霉Aspergillus niger等常見儲(chǔ)糧病原真菌的完全抑制濃度分別為5、10和10 μL/L，已被推薦用于商品糧的生物熏蒸[56]。

4.3 植物VOCs 的抗線蟲活性

植物寄生線蟲是限制作物生長的主要因素之一[58]，而土壤熏蒸仍然是控制土傳病原物的重要手段。近年來，關(guān)于植物VOCs 作為生物熏蒸劑的研究越來越多，這些VOCs 可用于控制包括線蟲在內(nèi)的多種土傳病原物[12]。

十字花科 (Brassicaceae)、山柑科 (Capparaceae)和番木瓜科 (Caricaceae) 的多種植物均能產(chǎn)生硫代葡萄糖苷，其在生物降解過程中釋放出的ITCs 具有殺線蟲活性[12,59]。花椰菜VOCs 中的二甲二硫醚和3-戊醇能夠降低南方根結(jié)線蟲Meloidogyne incognita在離體條件下的移動(dòng)性及其在番茄體內(nèi)的蟲癭和產(chǎn)卵[60]。脫毒蓖麻餅釋放的苯酚、4-甲酚、γ-癸內(nèi)酯和甲基吲哚可抑制南方根結(jié)線蟲的卵孵化和移動(dòng)性，并導(dǎo)致其2 齡幼蟲死亡。此外，暴露于這些VOCs 的南方根結(jié)線蟲2 齡幼蟲對(duì)番茄的侵染性和繁殖能力也會(huì)下降[61]。

5 植物VOCs 誘導(dǎo)的植物免疫

兩種揮發(fā)性植物防御激素類似物MeSA 和MeJA，可以在遠(yuǎn)離植物初始侵染位點(diǎn)的部位誘導(dǎo)植物產(chǎn)生系統(tǒng)性防御反應(yīng)。與不施用和單次施用相比，多次施用MeSA 在本氏煙幼苗中誘導(dǎo)的對(duì)丁香假單胞菌和胡蘿卜軟腐果膠桿菌Pectobacterium carotovorum的免疫反應(yīng)更強(qiáng)[62]。MeJA 被施用后也能誘導(dǎo)植物表現(xiàn)出類似的防御誘導(dǎo)模式[63-64]。如果空間距離足夠近，揮發(fā)性信號(hào)也可以在植物之間進(jìn)行傳播[63,65]。例如，感染煙草花葉病毒 (tobacco mosaic virus, TMV) 的煙草植株會(huì)釋放出MeSA，以減輕鄰近植株的病毒感染癥狀[66]。

除了MeSA 和MeJA 外，其他VOCs 也可以在植物器官或鄰近植物中誘導(dǎo)產(chǎn)生系統(tǒng)獲得性抗性(systemic acquired resistance, SAR)。吲哚是一種從受到蟲害或機(jī)械損傷的植物中釋放出來的VOC，可誘導(dǎo)植物產(chǎn)生對(duì)食草動(dòng)物的防御反應(yīng)。用吲哚處理后的玉米和水稻植株，分別表現(xiàn)出對(duì)死體營養(yǎng)型病原菌禾谷鐮刀菌、串珠鐮刀菌F. moniliforme和稻瘟病菌Magnaporthe oryzae的免疫反應(yīng)。吲哚通過誘導(dǎo)H2O2積累，激活絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK) 信號(hào)通路并提高防御基因表達(dá)的方法來啟動(dòng)植物的免疫反應(yīng)[67]。擬南芥頂空暴露于雙環(huán)單萜α-蒎烯和β-蒎烯的混合物中，能誘導(dǎo)SA 介導(dǎo)的SAR 產(chǎn)生，具體表現(xiàn)為活性氧 (reactive oxygen species, ROS) 的積累增加，SA 和SAR 相關(guān)基因的表達(dá)上調(diào)[68]。菜豆抗病品種釋放的VOCs 可以賦予感病品種對(duì)炭疽病菌Colletotrichum lindemuthianum的抗性[69]。

GLVs 是食草動(dòng)物攻擊過程中植物內(nèi)和植物間通訊的有效信號(hào)[65]，這些VOCs 也可以被植物用來激活自身或鄰近植物的免疫系統(tǒng)。反-2-己烯醛和順-3-己烯醛等C6醛可有效誘導(dǎo)擬南芥對(duì)灰霉病菌的抗性[70-71]。苯并噻二唑 (benzothiadiazole,BTH) 誘導(dǎo)釋放的C9醛 (壬醛) 被鄰近利馬豆植株感知后，可增強(qiáng)其對(duì)丁香假單胞菌的抗性[72]。順-3-己醇酯也可在多種作物中誘導(dǎo)由氣孔閉合介導(dǎo)的對(duì)細(xì)菌侵染的抗性[73]。

6 反-2-己烯醛的作用機(jī)理

鑒于植物VOCs 的廣譜性、復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)多樣性，闡明它們對(duì)微生物中特定靶標(biāo)的作用模式仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。本文以GLVs 的代表化合物反-2-己烯醛為例，從理化性質(zhì)及生物合成等方面出發(fā)，系統(tǒng)總結(jié)其在植物病害防控中的重要作用。

6.1 反-2-己烯醛的理化性質(zhì)和生物合成

反-2-己烯醛 (C6H10O) 為無色油狀液體，又稱青葉醛，可溶于乙醇等有機(jī)溶劑，不溶于水。其在稀釋前具有強(qiáng)烈刺鼻的氣味，稀釋后具有令人愉悅的水果和綠葉清香味[74]。密度比水小 (0.849 g/mL, 25 ℃)，需在0～6 ℃下儲(chǔ)存。

植物受到生物或非生物脅迫時(shí)，磷脂酶催化細(xì)胞膜上的半乳糖脂裂解生成α-亞麻酸 (α-linolenic acid, ALA)；13-脂氧合酶 (13-lipoxygenase, 13-LOX) 催化ALA 發(fā)生加氧反應(yīng)生成13(S)-亞麻酸氫過氧化物；來自JA 途徑的氫過氧化物裂解酶(hydroperoxide lyase, HPL) 催化13(S)-亞麻酸氫過氧化物裂解產(chǎn)生順-3-己烯醛；順-3-己烯醛很不穩(wěn)定，極易被異構(gòu)酶催化生成反-2-己烯醛(圖2)[14]。

圖2 反-2-己烯醛的生物合成途徑[14]Fig. 2 Biosynthetic pathway of trans-2-hexenal[14]

6.2 反-2-己烯醛的抑菌活性及作用機(jī)理

反-2-己烯醛對(duì)病原細(xì)菌、真菌和卵菌均表現(xiàn)出良好的抑制效果。有研究表明：中越石韋Pyrrosia tonkinensis釋放的反-2-己烯醛對(duì)所測定的革蘭氏陽性細(xì)菌和陰性細(xì)菌均具有良好的抑制活性[75]；反-2-己烯醛對(duì)儲(chǔ)糧病原真菌黃曲霉、黑曲霉和禾谷鐮刀菌的生長均有抑制作用[56]；在測定的9 種VOCs 中，反-2-己烯醛對(duì)病原卵菌辣椒疫霉菌Phytophthora capsici和瓜果腐霉菌Pythium aphanidermatum的抑制效果最好[76]。

目前，尚未見反-2-己烯醛的毒性分子靶標(biāo)被鑒定出來，對(duì)其抑制微生物作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)僅限于其影響細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能，可能包括以下幾點(diǎn)：1) 破壞細(xì)胞膜。反-2-己烯醛含有一個(gè)α,β不飽和羰基，作為一種親電試劑，可以與蛋白質(zhì)中的巰基發(fā)生邁克爾加成反應(yīng) (Michael-addition reaction)形成加合物，誘導(dǎo)ROS 的積累并最終導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化反應(yīng) (lipid peroxidation, LPO)[77]。2) 破壞細(xì)胞壁。用反-2-己烯醛處理后的柑橘酸腐病菌菌絲體染色熒光減弱，表明細(xì)胞壁的完整性被破壞[78]。3) 誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。通過磷脂結(jié)合蛋白 (annexin V)和碘化丙啶 (propidium iodide, PI) 雙重染色顯示，反-2-己烯醛處理能夠誘導(dǎo)黃曲霉細(xì)胞的早期凋亡[79]。4) 影響物質(zhì)合成。亞致死劑量的反-2-己烯醛可干擾黃曲霉孢子萌發(fā)初期的丙酮酸代謝，降低胞內(nèi)可溶性蛋白含量[79]。5) 干擾能量代謝。反-2-己烯醛在最小抑制濃度 (minimum inhibitory concentration, MIC) 下可顯著抑制黃曲霉線粒體脫氫酶 (mitochondrial dehydrogenase) 的活性[79]。

6.3 反-2-己烯醛的抗性誘導(dǎo)活性及作用機(jī)理

除了直接抑制病原菌生長外，反-2-己烯醛還可以誘導(dǎo)植物產(chǎn)生對(duì)病原菌的抗性，比如經(jīng)外源反-2-己烯醛處理可以誘導(dǎo)番茄果實(shí)和黃瓜幼苗產(chǎn)生對(duì)灰霉病菌的抗性[80-81]；反-2-己烯醛熏蒸處理可以延緩柑橘葉片因接種鏈格孢菌Alternaria alternata引起的壞死性斑點(diǎn)形成[82]。其抗性誘導(dǎo)機(jī)理可能包括以下幾點(diǎn)：1) 誘導(dǎo)抗病基因的表達(dá)。反-2-己烯醛處理能夠誘導(dǎo)黃瓜上調(diào)PR-3基因的表達(dá)量4.65 倍[81]。2) 提高防御相關(guān)酶的活性。反-2-己烯醛處理黃瓜24 h 后，其過氧化物酶 (peroxidase oxidase, POD)、苯丙氨酸解氨酶 (phenylalaninammonialyase, PAL)、多酚氧化酶 (polyphenol oxidase,PPO) 及LOX 的活性不斷升高，至36 h 時(shí)達(dá)到最強(qiáng)[81]。3) 誘導(dǎo)抗菌物質(zhì)的積累。經(jīng)反-2-己烯醛處理后，植物體內(nèi)的酚類化合物和木質(zhì)素積累顯著增多[80-81]。4) 啟動(dòng)抗病相關(guān)信號(hào)通路。反-2-己烯醛處理番茄幼苗后，植株體內(nèi)ET 和JA 信號(hào)通路基因ETR3、ETR4和LOX的表達(dá)顯著上調(diào)，表明反-2-己烯醛可能啟動(dòng)了依賴于ET/JA 的抗病信號(hào)通路[80]。

7 植物VOCs 在田間應(yīng)用的局限性

盡管許多室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果已充分證明了植物VOCs在抑制病原菌和增強(qiáng)植物抗病性等方面的有效性，但有關(guān)其在田間病害防控中的成功案例少之又少。分析主要有以下3 點(diǎn)原因：

1) 植物VOCs 的開發(fā)和管理成本高昂。多年來，人們一直在研究和推廣可以替代合成農(nóng)藥的生物農(nóng)藥，但由于成本居高不下和防效不夠穩(wěn)定等原因使生物農(nóng)藥通常被劃分為小眾產(chǎn)品[83]。人們可以從植物中提取純化獲得VOCs，也可以通過化學(xué)合成的方法制備，而大規(guī)模的田間應(yīng)用需要開發(fā)出低成本、標(biāo)準(zhǔn)化的制備方法。以VOCs 作為主要成分的產(chǎn)品想要充分發(fā)揮殺菌劑作用，通常需要特殊的儲(chǔ)存設(shè)備[84]。常規(guī)殺菌劑一般為固體或液體，常溫儲(chǔ)存即可，而植物VOCs 易受到環(huán)境因素的影響[11]，常需要低溫、避光密封保存來保持其生物活性。

2) 植物VOCs 的田間應(yīng)用可能會(huì)帶來副作用。植物VOCs 的未知作用靶點(diǎn)較多，除了良好的植物保護(hù)活性外，田間使用還可能會(huì)引起意料之外的結(jié)果，如由受傷煙草葉片釋放的甲醇可以增強(qiáng)鄰近非受傷植株對(duì)青枯病菌Ralstonia solanacearum的防御能力，但也因?yàn)榇龠M(jìn)了煙草細(xì)胞胞間連絲的門控能力而導(dǎo)致TMV 的侵染增強(qiáng)[85]。以20 μL/L的反-2-己烯醛進(jìn)行熏蒸，雖然可阻止核果褐腐病菌Monilinia laxa在李子上引發(fā)腐爛病，但該濃度下的反-2-己烯醛對(duì)杏、毛桃和油桃等水果也會(huì)造成一定程度的藥害，并對(duì)其本身的香氣產(chǎn)生影響[86]。植物受病原菌或害蟲侵染后釋放的乙酸葉醇酯可以增強(qiáng)小麥對(duì)禾谷鐮刀菌的抗性，而植物抗性提高的同時(shí)反過來會(huì)促進(jìn)病原菌產(chǎn)生更多的脫氧雪腐鐮刀菌烯醇 (DON) 毒素來實(shí)現(xiàn)侵染[10]。

3) 植物VOCs 的傳播距離和田間保護(hù)效果受到空氣中其他成分的影響。污染物 (特別是臭氧、氮氧化物和羥基自由基)會(huì)與大氣中的VOCs 發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致VOCs 分解，從而失去特異性，降低了它們在田間的傳播距離和對(duì)作物的總體保護(hù)范圍[87-88]。人們對(duì)不同VOCs 之間以及VOCs 與空氣中的其他組分是否會(huì)發(fā)生反應(yīng)并影響最終的防控效果知之甚少。

8 展望

植物VOCs 可以抑制多種病原微生物的生長或誘導(dǎo)植物抗病反應(yīng)的發(fā)生，具有開發(fā)成商業(yè)化殺菌劑和免疫誘抗劑的潛能。目前，已經(jīng)有很多研究報(bào)道了植物VOCs 的抑菌和抗性誘導(dǎo)活性。毫無疑問，這些工作對(duì)植物VOCs 在農(nóng)業(yè)病害防控中的應(yīng)用提供了極大的參考價(jià)值。但是，距離植物VOCs 投入市場，對(duì)現(xiàn)有的殺菌劑和免疫誘抗劑進(jìn)行一個(gè)有益的補(bǔ)充還有一段很長的路要走。后續(xù)針對(duì)植物VOCs 在農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)中的開發(fā)應(yīng)用，還有以下幾個(gè)問題需要進(jìn)一步明確：

1) 植物VOCs 的抑菌和抗性誘導(dǎo)機(jī)理有待于深入研究。昆蟲通過氣味結(jié)合蛋白 (odorant binding proteins, OBPs) 在分子水平上特異性地識(shí)別和結(jié)合植物VOCs[89]。惡臭假單胞菌P. putida釋放的VOC通過與秀麗隱桿線蟲Caenorhabditis elegans的靶標(biāo)蛋白結(jié)合發(fā)揮作用[90]。植物VOCs 在病原微生物細(xì)胞中的毒性分子靶標(biāo)以及它們在植物中的受體至今尚不清楚[84,91]，今后的研究中應(yīng)該綜合使用藥劑毒理學(xué)、顯微觀察學(xué)、分子生物學(xué)、生物信息學(xué)和遺傳學(xué)等多種手段加快植物VOCs 的作用機(jī)理探究。植物VOCs 對(duì)病原菌的抑制作用具有明顯的濃度依賴性[56]，其使用濃度與抗性誘導(dǎo)效果和植物受體之間的關(guān)系也應(yīng)該是今后研究的一個(gè)重點(diǎn)方向。

2) 降低氣象條件和環(huán)境因子對(duì)植物VOCs 應(yīng)用效果的影響。對(duì)植物VOCs 防病效果的評(píng)價(jià)試驗(yàn)?zāi)壳爸饕窃谑覂?nèi)可控條件下展開，效果比較穩(wěn)定，而氣溫、氣壓、風(fēng)速和濕度等氣象條件對(duì)其大田應(yīng)用效果的具體影響尚不明確。植物VOCs的易揮發(fā)性使其很容易隨著蒸發(fā)消散，并被光、熱或空氣中的某些成分降解[11]。在開放環(huán)境、無外部保護(hù)條件下，植物VOCs 的實(shí)際應(yīng)用效果得不到保障。對(duì)該類化合物進(jìn)行納米粒子包埋是克服其物理局限性，促進(jìn)可控釋放和提高生物利用度的策略之一[11]，值得進(jìn)一步研究。

3) 關(guān)注植物VOCs 的環(huán)境安全性和相容性。目前，關(guān)于植物VOCs 的研究主要聚焦于對(duì)其生物活性的測定以及作用機(jī)理的探究。自然條件下，植物受生物脅迫和非生物脅迫誘導(dǎo)釋放的VOCs 濃度較低，而大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用勢必會(huì)提高特定施藥環(huán)境中的VOCs 濃度。盡管很多植物VOCs 被認(rèn)為對(duì)人類的毒性很低，并允許在食品中添加它們[9]，但大劑量施用條件下植物VOCs 對(duì)環(huán)境非靶標(biāo)生物的毒性以及空氣和水環(huán)境的污染，未見充分研究。