茉莉酸类诱导子对植物次生代谢的影响
摘要：茉莉酸及其衍生物茉莉酸甲酯统称为茉莉酸盐，是广泛存在于植物中的一种生长调节物质，在植物体内起着重要的作用。本文主要就茉莉酸和茉莉酸甲酯的生物合成、茉莉酸甲酯的生理生化作用、植物的次生代谢、茉莉酸类物质对植物次生代谢以及基因的表达调控方面的作用进行了综述。
关键词：茉莉酸；茉莉酸甲酯；次生代谢；诱导子
早在1971 年人们就已分离出了茉莉酸,但直到1980 年Ueda 等[1 ]才开始注意到这类化合物具有生长物质活性。 植物胚的分化、种子萌发、生根和开花、气孔运动、色素合成、叶片衰老与脱落等生长发育过程以及植物在机械伤害、病虫害、干旱、盐胁迫等条件下的抗逆反应都与茉莉酸类化合物的作用密切相关[2] 。茉莉酸（jasmonic acid ,JA）及其甲酯（methyl jasmonate,MeJA）作为重要的信号转导分子备受人们关注。JA、MeJA及其他JA衍生物统称为茉莉酸类，它们普遍存在于植物界，具有广泛的生理作用[3,4]。大量的研究表明,茉莉酸类化合物具有广谱的生理效应,它不仅调节植物的生长和发育,如萌发、衰老、果实成熟、根的生长、花粉发育和球茎的形成、卷须的缠绕等[5 ,6 ] ,而且还参与植物对机械伤害、病害、虫害等环境的胁迫做出防御响应,和经典植物激素或植物生长调节剂相似[7] 。因此，近年来茉莉酸类化合物引起了植物学家广泛的关注。
1 茉莉酸及其茉莉酸甲酯
1.1 茉莉酸及其茉莉酸甲酯的生物合成
茉莉酸类化合物(JAs) 包括茉莉酸(JA) 、茉莉酸甲酯(MJA) 以及与其他物质形成的复合物。其中,JA 是亚麻酸(linolenic acid) 氧化的产物[8]（图1），存在4种立体异构体。游离的JA 可与甲基形成MJA或与葡萄糖、氨基酸形成结合态[8]。结合态的JA 既能直接发挥生理作用,又可以在植物组织内降解释放出游离态的JA 而发挥生理作用。
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图1 植物体内茉莉酸类化合物的代谢途径
因此茉莉酸（JA）及其挥发性茉莉酸甲酯（MeJA）是通过硬脂酸途径（octadecanoid pathway）产生的脂肪酸衍生物，是环戊酮衍生物（cyclopentanone derivatives）之一。
1.2 茉莉酸甲酯的生理生化作用
经过多年的研究，人类不仅已经能够合成茉莉酸，而且对其生理生化功能的了解逐步加深。茉莉酸甲酯在植物生长发育过程中的作用和脱落酸有很多相似的地方。当对植物、原生质体和愈伤组织施用茉莉酸甲酯,将会调节基因表达而合成一系列的蛋白质,如蛋白质抑制剂、硫蛋白、植物抗毒素等。这些蛋白统称为茉莉酸酯诱导蛋白（Jasmonate induce proteins,简称JIPS）。JIPS分子大小不等，在细胞质的定位不同，合成时受亚胺环已酮抑制，不受氯霉素的影响，可见JIPS的合成石在细胞质中进行，与叶绿体和线粒体无关[9]。
2 植物次生代谢
2.1 植物次生代谢的相关概念
植物中化学物质根据代谢的产生过程分为初级代谢产物(primary metabolic products)，就是植物生命过程中，获得能量的代谢过程所产生的最基本的、共有的一些成分，这些成分一般是植物的营养物质，也是产生次生成分的基础。次生代谢产物(secondary metabolic products)，就是初级代谢产物进一步代谢后产生的物质，是代谢的末端产物，通过降解或合成产生的不再对代谢过程起作用的化合物。还有一类次生代谢产物，则是受外界刺激或伤害的情况下，植物体本身应激产生的物质，这些物质一般情况下在植物体正常的代谢过程中不产生，或虽有生成，也是数量极微，这类化合物被称为植物防卫素(phytoalexin)。
植物次生代谢（secondary metabolism）在植物自身防御、植物间化感作用、传粉和种子传播等方面具有重要的生理生态学意义，是植物在长期进化过程中获得的生态适应的重要手段[10]。植物通过次生代谢能合成大量被称为次生代谢物（secondary metabolite）的低分子量有机化合物。植物次生代谢物在工农业生产和人们日常生活中具有多方面应用价值，如用作杀虫剂、调味剂、染料、香料及植物药药效成分等。
2.2 植物次生代谢的途径及其主要产物
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图2 植物代谢产物生源合成途径示意图
植物次生代谢物在植物体内主要通过三大次生代谢途径产生，即苯丙烷途径、异戊二烯途径和生物碱途径[11]。而植物次生代谢产物则主要包括：生物碱、糖和甙、醌类化合物、黄酮类化合物、苯丙素酚类、萜类化合物、甾族化合物等等。
3 茉莉酸甲酯作为诱导子对植物代谢的影响
3.1 诱导子的概念及其作用
在遭受外界不良因素如微生物入侵、创伤、无机化合物、有机化合物等刺激时,植物细胞便会趋向于向次生代谢产物合成的方向转变，产生植保素（phytoalexin）。这种能引起植物产生植保素的胁迫因子被统称为诱导子（elicitor）[12]。
非生物诱导子应用比较多的是有机化合物中的茉莉酸类（JAs）和水杨酸（SA）等。梅兴国等研究证明，水杨酸可提高过氧化物酶及苯丙氨酸解氨酶的活性，促进胞内H2O2含量增加，发现20 mg/L SA 对紫杉醇含量的促进效果最明显，此时紫杉醇含量是对照的13倍[13]。
研究证明诱导子能诱导植物体内生物碱、萜类和黄酮类化合物等植物次生代谢物产量的增加[14]。Eilert 等报道,使用诱导子处理长春花（Catharanthus roseus）悬浮细胞，12～24 h 内生物碱含量上升，但对生物碱的组成类型没有影响[15]。Park 等研究发现，以酵母提取物作为诱导子，处理野葛根（Pueraria lobata）悬浮细胞，24 h 内异黄酮类化合物的含量显著提高,说明了合成异黄酮类化合物所需的酶能被酵母提取物所诱导[16]。Goossens 等利用茉莉酮酸甲酯作为诱导子， 研究烟草BY-2 细胞中尼古丁的代谢途径，经过茉莉酮酸甲酯处理后烟草悬浮细胞中的尼古丁含量升高[17]。
3.2 茉莉酸及其衍生物作为诱导子的简介
茉莉酸类广泛存在于各类植物中，目前在150属206 种植物（包括真菌、苔藓和蕨类）中都有发现。茉莉酸结构类似物大约有20种，统称为茉莉酸（Jasmonic acid，JA）。JA、MeJA 及其他衍生物统称为茉莉酸类（jasmonates，JAs）[14]。研究表明，植物体内的茉莉酸及其衍生物是植物受外界刺激后反应最快的信号分子，JA 或其衍生物是伤信号转导途径中长距离运输的信号分子[18]。依赖于茉莉酸类作为调节信号的重要的防御应答也是植物次生代谢物积累的前提。茉莉酸类通过开启一系列生物合成基因的协调表达从而在转录水平上影响植物次生代谢[19]。
目前，茉莉酸及其衍生物作为诱导子的研究越来越受人们关注。 国内外已经有许多关于茉莉酸及其衍生物作为诱导子应用于植物次生代谢的报道，这些研究多数是结合基因工程、功能基因组等分子生物学技术进行研究。
3.3 茉莉酸及其衍生物对植物的诱导作用
3.3.1 诱导某些蛋白质及其蛋白质抑制剂的产生
JA 或MJA 诱导植物合成的蛋白质称为JAs 诱导蛋白(JIPs)。这些蛋白质有的是贮藏蛋白,有的具有酶活性,有的生理功能还不清楚[20]。
JA 或MJA 处理小麦根部, 诱导产生一种Asp45 的45 kDa 酸溶性蛋白,能与小麦细菌凝集素抗体产生交叉反应. 线虫的侵染也可以诱导这种蛋白的产生[21 ]。 Asp45 蛋白的生理功能还不清楚,在白杨树和拟南芥的几丁质酶中,发现有与Asp45 相似的氨基酸序列,但Asp45 没有几丁质酶的活性.
JA 及MJA 能诱导植物体内产生某些特殊的蛋白酶抑制剂,这是一种多肽物质,在病虫害侵染植物或植物处于逆境胁迫条件下产生作用。30 ℃连续光照条件下,以气态的MJA 处理番茄叶片18～24 d ,叶片中可溶性木瓜蛋白酶抑制蛋白含量升高,其相对分子量为80～90 kDa ,与土豆的半胱氨酸和天冬氨酸蛋白酶的抑制物非常相似。土豆经MJA 气体处理后,叶片中诱导产生大量的半胱氨酸和天冬氨酸蛋白酶的抑制物,可使土豆甲虫幼虫中的一种蛋白酶活性降低42 %[22] ,而对抑制物不敏感的蛋白酶活性增加1 倍. 此外,MJA 还可以诱导番茄产生蛋白酶抑制物。
3.3.2 激活某些酶的活性
在内源或外源JAs 的作用下, 植物体内的SOD,POD, PPO ,CAT 等保护酶系活性升高。这些酶的激活提高了植物抗病虫害和抗逆境的能力。花生幼苗经MJA 后,体内的SOD和CAT活性升高,抗坏血酸含量升高,MDA 含量降低,处理2d后出现SOD 同工酶[23]。JA 处理番茄能诱导氧化酶活性升高,提高番茄的抗虫能力。以1 mmol/ L 的JA 处理番茄4～8周,叶片POD , PPO 活性升高,所接种的食叶幼虫的相对生长速率降低,而且发现JA 对幼叶的作用比对老叶的作用更明显[24]。
3.3.3 调节某些活性物质的代谢
低浓度的MJA能增加类固醇的糖配基生物碱(SGA) 的积累, 而高浓度的MJA抑制SGA积累[25]。MJA处理烟草后,鸟氨酸脱羟酶(ODC) 、S-腺苷甲硫氨酸合成酶(SAMS) 和丁二胺N-甲基转移酶(PMT) 的基因表达增加。这些酶活性升高增加了烟碱的生物合成[26]。MJA 和JA 处理白菜后,色氨酸氧化酶, 腈水解酶( NIT) 的活性增加, 芥子酶(MYR) 的mRNA 增加[27] ,这三种酶是合成植物激素(如IAA) 的主要酶。MJA 还能够增加水稻离体叶中酸性磷酸酶的活性,0.25 mmol/ L的JA能降低水稻叶片中的叶绿素a ,b 的含量[28] ,同时降低光合作用速率和Rubisco 的活性,从而使水稻表现出类似衰老的特征。
3.3.4 诱导目标次生代谢产物的增加
茉莉酸类作为诱导子能诱导植物细胞生产更多的次生代谢产物，关于此方面研究的报道很多。Laskaris 等报道了在T.baccata 悬浮细胞中加入100μmol/L 甲基茉莉酮酸酯，处理7 d，紫杉醇合成途径中的牻牛儿牻牛儿基二磷酸合成酶（GGPP）活力迅速上升，5d后达到最高，并且相应伴随着细胞合成紫杉烷能力的提高[29]。董浩迪等以甲基茉莉酮酸酯或二氢甲基茉莉酮酸酯（HMJA）为诱导子，有效增强了中国红豆杉悬浮细胞中云南紫杉烷（taxuyunnanine C，Tc）的积累，并发现处理后紫杉二烯合成酶的活力是对照的2倍多[30]。罗建平等报道，用MeJA、SA和NO 三种诱导子同时处理怀槐悬浮细胞，与对照比较，处理9 d后发现200μmol/L MeJA 处理后的怀槐悬浮细胞异黄酮含量增加最多，说明MeJA 的诱导效果明显高于SA和NO的诱导效果，同时观察到细胞结构发生相应变化，三种处理变化趋势相同，可见细胞内膨胀很大的液泡和很多粗面内质网，推测可能诱导子能使植物细胞结构发生变化从而影响次生代谢产物的合成[31]。
杨英等以不同浓度的茉莉酸甲酯对胀果甘草悬浮培养细胞进行了实验处理，结果表明：一定浓度(10～200μmol/L) 的茉莉酸甲酯对胀果甘草细胞的生长有抑制作用, 但是能够促进甘草总黄酮产量的增加。茉莉酸甲酯的添加还导致了细胞中过氧化氢含量升高, 引起细胞中苯丙氨酸裂解酶、过氧化氢酶、过氧化物酶活性的增强和丙二醛含量升高, 说明茉莉酸甲酯能够引起细胞产生防御反应, 并提高防御反应的关键酶的活性, 同时细胞膜在一定程度上仍发生过氧化, 但最终促进了甘草总黄酮的合成, 其最大产量达到对照的3.39倍[32]。
茉莉酸类诱导植物次生代谢物含量的增加，主要是以信号分子的形式参与到植物次生代谢过程中，调控相关关键酶基因的表达，影响关键酶活性，从而对次生代谢物的生产进行调控。
3.3.5 对其他代谢的调节功能
MJA 可以增加膜的透性，使底物和酶更易于接近，加快代谢反应速度。以0. 5μmol/ L 的MJA 处理灰果越桔，可使其花色苷增加2～3 倍[33]。以10 - 5～10 - 4 mol/ L 的MJA 处理小麦的剑叶和麦穗，叶绿素发生降解，气孔关闭，呼吸和光合作用速率降低，小麦成熟衰老的周期缩短[34] 。MJA 蒸汽能使苹果皮中β2胡萝卜素的合成增加，叶绿素a ,b 以及叶黄素的降解加速。
4 茉莉酸类化合物对基因表达的调控
JA 作为信号分子，一方面调控植物体内有关酶的活性，另一方面通过影响启动子的活性调节植物中各种伤害反应或防御反应基因的诱导表达，对基因的调控是JAs 的一个重要生理功能。
番茄经分离出9种苯丙氨酸转氨酶基因克隆, 可分为gPAL A 和gPAL B两组。gPAL A可以被MJA 或其他诱导物所诱导表达, 但gPAL B不能被诱导表达[35] 。烟草mRNA 中的Ttol 结构是一个活跃的顺反子[36] , TtolRNA在胁迫条件下产生表达。TtolL TR 启动子受MJA 或伤害的调控,LTR 中有一个13 bp模块( TGGTAGGTGAGAT) 具有顺式调节功能。
拟南芥DNA中调控植保素合成的基因可以被JA 或活性氧强烈地诱导表达,这个基因片段分别含有1个1184 bp 和1个1232 bp 的上游转录和翻译的启动位点[37]，杨酸及其类似物不能诱导这个基因表达。这说明拟南芥中存在着受JA 而不受水杨酸调控的防卫基因[38]。近年来发现受JAs调控的基因很多,最近,戴良英[39]离出ASK1 等一系列与COI1 存在强互作的基因。
5 小结
茉莉酸类物质在植物界中普遍存在并具有广泛的生理功能,与ABA的关系极为密切,同时还可以调节一系列基因的表达。例如:植物在受伤、干旱、病虫害、低温等条件下，会产生一系列相适应的生理生化反应。茉莉酸类物质既具有类似植物生长调节物质的特点,又是一种植物防御体系的内源信号分子。这类物质不仅可以在植物体内运输,而且具有很强的挥发性,由它们“通知”未受伤部位和邻近植株,使其进入“警戒状态”,从而获得对病原菌和昆虫的免疫防卫能力。全面分析茉莉酸类物质对植物的生理效应,将有助于理解其在植物生命活动中作用的过程和机理。同时从生理生化和分子生物学角度进行研究，弄清茉莉酸类作用的分子机制，这将有利于研究错综复杂的植物次生代谢途径。
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