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茉莉酸类物质的生理特性及其在园艺作物上的应用

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逆调控作用,盐敏感品种吸胀后正常的萌发过程突然受到盐胁迫,由于体内MeJA水平低,MeJA诱导保护性反应不足,胁迫适应不良,盐伤害较严重(庞延军等,2006)。

但植物的耐盐机制是一个相当复杂的过程,有些机制目前仍不清楚。目前关于MeJA与植物耐盐性关系的研究报道较少。

3.1.2 高温胁迫

在高温逆境下构成生物膜的蛋白质变性、分解和凝聚脂类脱离膜,从而破坏了膜的结构,导致膜丧失选择性与主动性,细胞内部的原生质和电解质外渗被认为是膜损伤的重要标志也是植物伤害的一个主要原因。同时高温下正常蛋白合成受阻,蛋白分解加剧造成膜完整性的破坏。研究表明,高温胁迫下细胞膜的稳定性和可溶性蛋白含量与植物的抗热性密切相关(周人纲等,1995;孟焕文等,2000)。

陈培琴等发现50 μmol/L JA预处理的葡萄幼苗相比CK明其显延长了50℃条件下热致死时间,同时电解质渗透率也明显被降低,高温胁迫 (HS)后期JA处理相对CK能使植株在维持较高的可溶性蛋白含量。由于40℃以上时,基本上只有热激蛋白(HSP)表达。推测JA处理能保持HS较高的可溶性蛋白含量,可能是诱导了HSP合成,但也不排除是不溶性蛋白变成可溶的可能。而大量的热激蛋白富积膜组分中,有可能担当了阻止膜组分变性,防止生物膜破碎的功能,因而降低了HS细胞电解质的大量外渗(Liu et al.,1995)。同时JA处理相比抑制了葡萄叶片内超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)在高温下活性的降低,减轻高温造成的氧化伤害,维持了膜的稳定性,从而提高了葡萄的抗热性(陈培琴等,2006)。

曹冬梅等将红掌幼苗于高温 (30℃和38℃)处理,发现叶片JAs浓度大幅度增加,最高时比对照高出42.83 ng/g,整个过程中JAs浓度始终高于对照,且JAs浓度升高快于抗氧化系统反应的时间,可能是JAs诱导了抗热性或者说红掌幼苗获得的抗热性至少有一部分是由JAs诱导的。高温处理后的叶片抗氧化系统中的POD、SOD活性均有不同程度升高: 30℃高温处理48h后SOD活性比对照高23.11%,38℃下处理24hSOD达到最大,同比对比高22.86%,POD活性处理后6h变为对照的1.8倍。对应38℃高温处理6h叶片O2-含量比对照下9.8%,12h时比对照下降2.4%,此后O2-含量升高到大于对照。30℃高温处理6h时O2-含量比对照下降7.3%,以后随处理时间的延长,含量开始上升且高于对照(曹东梅等,2007)。

3.1.3 低温胁迫

低温可能限制植物的生长并引起植物的伤害和死亡,从而造成农作物的减产,是一种全球性的自然灾害。植物产生冻害和抗冻性有很多种机制.越来越多的证据表明低温胁迫可以使活性氧(reactive oxygen species,ROS)水平升高从而产生伤害(逯明辉等,2005)。活性氧是植物体内代谢活动的副产物,在正常的生理状态下,它们可以被植物本身的抗氧化系统清除,从而在其产生与清除之间建立起一种动态平衡。当植物遇到低温等逆境胁迫时,ROS的产生速度大大提高而清除能力受到抑制,结果这种平衡被打破,造成ROS大量积累(段伟等,2003)。

最近研究发现,茉莉酸甲酯处理可有效延缓木瓜、番石榴等果实冷害症状的发展,并能抑制采后灰霉病的发生(Gonzalez Aguilar et al.,2003;2004)。韩晋等低温敏感的黄瓜‘神农5号’果实为材料,发现黄瓜在4℃贮藏10 d时出现了冷害症状(如水浸斑、表面凹陷),且细胞膜电解质渗出率显著升高,与前人的研究结果一致。MeJA处理后,黄瓜的电解质渗出率在贮藏10d之内显著下降,其中0.01 mmol/L的MeJA效果更明显;脯氨酸含量降低,特别是在贮藏前期(5d时)更为明显,同时黄瓜表面冷害症状发展较慢,说明MeJA能缓解黄瓜冷害症状的发生。MeJA处理还可以有效提高组织中CAT活性,从而直接清除逆境胁迫产生的过剩

过氧化氢(H2O2),减轻氧化胁迫,并抑制H2O2作为第二信使对其他代谢途径的影响,从而缓解了冷害条件下黄瓜的代谢失调。而降低黄瓜组织中POD活性使MeJA可能通过调节酚类物质的代谢减缓黄瓜冷害的发生(韩晋等,2006)。

Ding等人(2002)指出在外源的JA处理,不仅可以诱导一些病原相关蛋白的表达,而且可以增强西红柿对冷害的抵抗力。Gonzalez Aguilar等(2000)发现MeJA处理不仅可以增强芒果对冷害的抵抗力,而且可以提高芒果的采后质量。

吴劲松等发现在克隆TaAOS(JA合成关键酶基因)过程中偶然得到的一个基因片段

TaJIP,Northern结果显示,该基因可被JA诱导表达,且表达模式与TaAOS一样。进一步的结果显示TaJIP亦可在4℃低温条件下被诱导表达。这给了我们一个提示,一些冷诱导的蛋白可被JA所诱导,JA信号途径可能参与了冷驯化过程(吴劲松,2006)。

齐付国等发现100 mol/L MeJA处理的豫麦18,相对电导率比对照降低了18.7%,而在促进次生物质代谢、诱导胁迫相关基因表达和抑制根系生长等方面都与MeJA功能非常相似的Corl(冠菌素)(汪宝卿等,2006)(0.01 μmol/L)处理比对照降低了17.5%,Cor2(冠菌素)(1 μmol/L)处理比对照降低了27.6%。处理后72 h的可溶性蛋白含量,Cor2处理较对照提高了19.2%,MeJA处理提高了15.6%。同时低温(-5℃)胁迫下的SOD、POD和CAT活性均出现某种程度和方式的增加(齐付国等,2006)。说明冠菌素和MeJA处理可以使膜脂过氧化程度减少。这种脂质过氧化的减少可能是由于抗氧化酶防御系统活性增加,清除了低温胁迫时产生的ROS,降低了活性氧自由基等对质膜的伤害和细胞膜相对透性,从而维持细胞质膜的稳定性和完整性,提高小麦植株的抗低温胁迫能力。也证明了冠菌素和MeJA在抗低温胁迫上具有相似的作用,由于其小剂量效果较明显和价格实惠,将大规模应用于农业生产。

3.1.4 干旱胁迫

现已有实验证实植物外施MeJA后会表现出适应干旱的一些形态和生理反应,从而提高对干旱胁迫的忍耐性(Creelman et al.,1995;兰彦平,1999;马崇坚等,2001;Cheong et al.,2003;),这点与脱落酸 (ABA)很相似(刘新等,2002)。JA处理能增加脯氨酸含量(潘瑞炽和古焕庆,1998;姚允聪等,1999),但也有矛盾的结果,即MeJA处理并没有使脯氨酸积累增加,甚至降低了脯氨酸的含量(Bandurska et al.,2003)。Wang研究表明,MeJA处理草莓叶片能降低过氧化物酶(POD)的活性,增加过氧化氢酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)的活性及氨基酸的水平,从而提高了草莓组织的抗旱性。另外有研究表明JA处理还能增加ABA的含量(潘瑞炽和古焕庆,1998;Bandurska et al.,2003)。在干旱条件下生长的梨叶中施加JA能提高梨叶中甜菜碱含量,而甜菜碱是干旱胁迫下所产生的渗透调节物质从而提高了抗旱性,这与ABA的特点很相似。由此我们猜测JA有可能通过增加ABA的含量来提高植物的抗旱性。

兰彦平等将苹果幼苗50 mg/1JA处理4d后用聚乙二醇(PEG-6000)进行干旱胁迫,相同浓度的JA与ABA使受旱植株叶片脯氨酸含量分别提高0.85 mg/gFW~1.30 mg/gFW 和0.64 mg/gFW~ 0.99 mg/gFW,SOD活性分别提高1.08 unit/(mg蛋白·min) ~ 1.78 unit/(mg蛋白·min)和0.89 unit/(mg蛋白·min)~1.56 unit/(mg蛋白·min)。相同浓度的JA的处理效应大于ABA。且ABA预处理没有改变胁迫时叶片的MDA和内源ABA含量,而JA则使MDA含量降低0.01 lmol/gFW~ 4.03 lmol/gFW,ABA含量提高29 ng/gFW~217ng/gFW。推测JA通过促进ABA合成而增强苹果对干旱的适应能力(兰彦平,2001)。

董桃杏等以抗旱性差异很大的两水稻品种丰华占和中二欧六实验,经干旱处理后发现水势显著降低对照相比分别降低80.48%和47.76%;而干旱后喷施MeJA则分别比单纯干旱处理水势增加3.6%和13.64%,其中抗旱性强的品种中二欧六增加幅度达到显著水平。有关研究表明在花生,苹果 (Malus sieversii),复原草(Sporobolus stapfianus),草莓 (Fragaria vesca)

等植物也证实MeJA具有一定的诱导抗旱效果。Ghasempour等研究证实,MeJA处理复原草的鲜叶时可提高原生质干旱忍耐力6Mpa,而ABA处理只能提高1Mpa。喷施茉莉酸甲酯增加了叶片的水势,减缓水稻的干旱胁迫程度,也即使植株抵抗干旱能力加强。同时干旱胁迫后两水稻叶片的抗氧化酶活性,包括SOD、POD及CAT和有机渗透调节物质,包括可溶性糖、脯氨酸及游离氨基酸含量均大幅度上升,而干旱+茉莉酸甲酯处理则能降低了这些物质的含量,两个水稻品种的变化趋势表现一致。进一步表明了外施茉莉酸甲酯在一定程度上能减缓干旱胁迫对水稻幼苗造成的伤害,有效地提高抗旱性,但这这种增强效应在不同水稻品种间存在一定差异(董桃杏等,2007)。

苏金为也发现MeJA能通过缓解受早茶苗体内SOD和CAT等保护酶活性的减弱,增强抵抗氧自由基和过氧化物等的毒害能力,有效地维持氧自由基和过氧化物代谢平衡,减少体内细胞膜脂过氧化作用 同时经MeJA处理的受早茶苗,叶绿素降解较少,叶绿素一蛋白质复合Chl-Pro牢固度与对照接近,而未经处理的茶苗在中、重度干旱胁迫下测得光合速率为负值,施以MeJA处理后光合速率正值。可知MeJA提高了叶绿体膜系结构稳定性,减缓了受旱苗叶绿体超微结构类囊体的损伤,提高了叶片的光合速率(苏金为,2004)。

3.1.5 水分胁迫

由茉莉酸的合成过程得知,胁迫诱导JA积累是一个复杂的信号传导过程,是靠对JA合成中关键酶的调控来实现的,黄质醛的直接前体物亚麻酸形成环亚麻酸,就是一个限速步骤,是JA合成的关键步骤(吴劲松和种康,2002)。环亚麻酸由40碳的类胡萝卜素裂解而来,该40碳的类胡萝卜素是黄质醛新质(Ouarrie et al.,1988),其双键可在光氧化、自由基氧化和酶促氧化下断裂,LOX主要作用在于催化双键的氧化裂解,并能促进环亚麻酸的形成,而黄质醛新质的裂解明显受到多种LOX抑制剂的抑制(Sembdnet et al.,1993)。因此,LOX的作用可能发生在JA合成的关键环节。

宫长荣等研究水分胁迫下离体烟叶中脂氧合酶活性、水杨酸 (SA)与JA积累的关系。结果表明,水分胁迫下茉莉酸积累的同时,LOX活性也上升,两者呈极显著正相关;NDGA(去加愈创木酸)是LOX专一抑制剂,在抑制LOX活性的同时也阻断了水分胁迫下茉莉酸的积累;无细胞体系加入LOX可直接引起茉莉酸的积累。此实验也进一步吻合了细菌二氧合酶 (LOX也是一种二氧合酶)与近来发现的一种不能裂解类胡萝卜素进而导致JA亏缺的突变体的重组蛋白与有同源性,能催化9-顺-环化类胡萝卜素的裂解,并且mRNA的表达能被水分胁迫所诱导(宫长荣等,2003)。

施以JA或MeJA或冠菌素的水分胁迫可以增加烟草初生苗的电导率、可溶性糖含量和POD活性(韩锦峰等,1999)或延缓花生幼苗的CAT、SOD活性和抗坏血酸含量下降,提高抗旱性,抑制气孔开放,减少蒸腾率,增加花生叶片或高粱幼苗含水量(闰芝芬和魏建昆,1999),提高对水分胁迫的抵抗力(潘瑞炽等,1995)。

兰彦平等用气相色谱法测定苹果抗旱种新疆野苹果和较不抗旱种平邑甜茶JA对快速和慢速水分胁迫反应。两个种叶片气孔阻力与根系、木质部汁液中JA含量呈显著对数相关关系,而与叶片中JA含量相关不显著,可知根源JA对干旱反应更敏感,在时空上对气孔行为的调控更快捷。且其在短时间内的急剧升高,反映出JA的产生和积累对干旱胁迫反应的敏感性,具备了作为干旱胁迫信号的首要条件(兰彦平等,2004)。

3.1.6 伤胁迫

近几年利用突变体嫁接等实验证明:JA作为可移动的伤信号分子,在植物的防御反应中有至关重要的作用(Howe et al.,2004;Schilmiller &Howe,2005)。植物可通过气孔的开闭运动对内部和外界刺激如激素、伤刺激等做出快速反应。目前已有大量实验表明,植物体在

受到伤害胁迫时受伤部位的JA水平能够迅速提高。Zhang和Baldwin(1997)认为JA含量增加可能是由两种原因造成:(1)作为伤诱导的次级效应,在受伤部位新合成JA。(2)在伤诱导下JA从存储库或由结合态的JA释放出游离态的JA。此外还有一种可能就是,在伤害条件下JA在植物体内发生重新分布。

杨迪等GC/MS检测了人为机械损伤多年生木本植物复叶槭后损伤叶片、同株未受损伤叶片、邻近健康植株上的叶片中JA含量增加,进一步证明植物体受伤后,在损伤部位产生的某种原初信号分子启动了体内的防御系统。这种防御反应不仅在受损伤的植株体内发挥作用,而且可通过空气中的某种物质传递到邻近的健康植株,引起邻近植物产生抗性(杨迪等,2003)。

刘新等用JA的单克隆抗体,结合免疫荧光技术和免疫胶体金电子显微镜技术分别在蚕豆叶片不同细胞的亚细胞水平上观察了JA分布特点,发现蚕豆叶片受到局部伤胁迫时,表皮细胞壁中JA的含量有所增加;保卫细胞中JA含量有较明显的增多。可以认为,保卫细胞是植物响应伤胁迫的靶细胞之一,伤胁迫下JA的运输和分布发生变化,并与其对气孔运动的调控有关,是胁迫条件下植物体对逆境的快速应答反应之一(刘新等,2007)。

3.2 生物胁迫 3.2.1 抗病作用

茉莉酸类物质不但具有直接的抗菌功效,而且可诱导植物产生防御反应物质而达到防病效果。

3.2.1.1直接抗菌作用

拟南芥的JA在病原物侵入时含量升高。拟南芥突变体fad3-2、fad7-2及fad8缺乏JA的前体亚麻酸,突变体内的MeJA含量很低,极易感染由甘蓝腐霉引起的根腐病,施加外源

JA/MeJA后其抗真菌能力得到恢复(马崇坚,2001;王妮妍和蒋德安,2002;孙清鹏和王小菁,2003)。

从野生稻的叶片中分离得到一种抗菌物质,100 mg/L的浓度可以抑制 10%稻腐霉孢子的萌发,200 mg/L可以抑制86%孢子萌发,250 mg/L则可100%抑制孢子萌发。实验证实这种抗菌物质就是JA。用JA/MeJA处理土豆和番茄,可使土豆和番茄抵御致病菌疫霉的侵染,用0.3mmol/L的JA/MeJA处理产生局部的抗性,用4.8 mmol/L的JA/MeJA处理可获得系统抗性(宾金华和潘瑞炽,1995;李劲等,2002)。

3.2.1.2可诱导许多参与植物防御反应的物质合成

木质素是植物细胞壁的主要成分之一,木质素的增加可以加强伤害部位细胞壁的木质化,形成结构及化学屏障,从而限制病原菌的扩散。实验证实,外源MeJA能诱导木质索合成途径中的关键酶苯丙氨酸裂解酶基因的表达,启动防御系统,促进木质索合成。MeJA处理的烟草幼苗和水稻幼苗叶片中,纤维素和木质素含量明显增加(王瑜等,2000;王妮妍和蒋德安,2002)。

植物凝集素是一类能使细胞凝集的蛋白质。它能识别病原菌细胞壁中的糖蛋白,并将病原菌凝集在一起,同时植物凝集素具有类似外源抗体的作用,可以杀

死病原菌。晚香玉愈伤组织经MeJA处理后,凝集素HA1蛋白及其mRNA量明显提高(马崇坚等,2001;王妮妍和蒋德安,2002)。

几丁质酶能水解几丁质,高等植物不含几丁质,但几丁质是许多危害植物病原菌细胞壁的主要成分。植物通过几丁质酶对病菌菌丝的直接裂解作用而抑制其进一步侵染,从而起到防卫作用。实验证实,MeJA可诱导芸苔中几丁质酶基因的表达(马崇坚等,2001;王妮妍和蒋德安,2002)。

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