貴州大學(xué)董曉慶副教授等:褪黑素誘導(dǎo)果實(shí)采后抗病性研究進(jìn)展

2023-08-18作者:來源:責(zé)任編輯:食品界 字體A+AA-

褪黑素屬吲哚類激素,是一種廣泛存在于動植物體內(nèi)的多效小分子物質(zhì),作為一種微量、高效的天然植物信號分子,在植物生長發(fā)育、非生物脅迫、采后保鮮等方面已被廣泛報(bào)道。近年來研究發(fā)現(xiàn)褪黑素在誘導(dǎo)果實(shí)抗病性方面發(fā)揮著積極作用。

貴州大學(xué)彭俊森、林欣和董曉慶*等人總結(jié)近年來褪黑素對病原菌的離體和果實(shí)活體影響,綜述其對病原菌脅迫下的抗病作用以及誘導(dǎo)果實(shí)抗侵染性病害的機(jī)制,以期為褪黑素在果實(shí)抗病性研究提供理論依據(jù)。

01 褪黑素處理對果實(shí)侵染性病害及病原菌生長的影響

褪黑素對侵染性病害的影響

褪黑素在果實(shí)體內(nèi)對侵染性病原菌的影響實(shí)驗(yàn)?zāi)茌^為直觀地模擬其在真實(shí)生長環(huán)境下的抑制作用,目前褪黑素已在蘋果、葡萄和番茄等果實(shí)上進(jìn)行了誘導(dǎo)抗性研究。研究發(fā)現(xiàn),褪黑素在果實(shí)上對于防治侵染性病害具有較好效果。
褪黑素對侵染病原菌生長的影響
研究表明,褪黑素處理并不能抑制病菌菌絲的生長。雖有部分研究證實(shí)褪黑素可以抑制菌絲生長,但其往往是高濃度抑制作用。結(jié)合電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn),其抑制效果體現(xiàn)在高濃度下會引起致病菌菌絲尖端扭曲,破壞其細(xì)胞器,使得細(xì)胞質(zhì)大量空隙生成,從而導(dǎo)致菌絲的生長缺陷。因?yàn)橥屎谒嘏c生長素具有共同前體物質(zhì)色氨酸,其存在與生長素類似的濃度梯度作用。以上研究表明褪黑素應(yīng)用于不同侵染病害致病菌的體外防治效果各有差異,差異主要體現(xiàn)在褪黑素使用濃度以及病原菌的種類等。
影響褪黑素處理效果的因素

分析上述研究得出影響褪黑素誘導(dǎo)果實(shí)抗性效果的因素主要有以下三點(diǎn):有效濃度、施用方法和處理時(shí)間。通過表1可知,褪黑素對果實(shí)的有效濃度范圍大致在0.05~0.10 mmol/L;其施用方法主要分為浸泡、注射和噴施。而處理時(shí)間作為一個(gè)重要的引用參數(shù),存在較大差異,這是因?yàn)槠涮幚頃r(shí)間因果實(shí)種類、組織結(jié)構(gòu)而異。

02 褪黑素誘導(dǎo)果實(shí)抗侵染性病害的機(jī)制

褪黑素誘導(dǎo)植物防御反應(yīng)的快速表達(dá)可以有效減少病害的發(fā)生,目前已得到了諸多研究的證實(shí)。褪黑素協(xié)助果實(shí)抵抗侵染性病原物的研究總結(jié)其誘導(dǎo)的抗病機(jī)制如圖1所示。

誘導(dǎo)果實(shí)細(xì)胞結(jié)構(gòu)抗性
細(xì)胞壁與膜脂代謝

由圖1可知,果實(shí)固有的物理結(jié)構(gòu)包括角質(zhì)層和細(xì)胞壁是抵御真菌入侵的第一道物理屏障。外源褪黑素被證實(shí)可以穿過植物細(xì)胞壁,通過強(qiáng)化果實(shí)細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)以及減輕膜脂受損程度以抵抗病原體侵染。

與細(xì)胞壁緊鄰的細(xì)胞膜是由磷脂構(gòu)成的半透性膜,其結(jié)構(gòu)完整性以及流動性是保證胞內(nèi)環(huán)境各種防御反應(yīng)能有效進(jìn)行的先決條件。如圖1所示,褪黑素作為一種親水又親脂的吲哚類化合物能在細(xì)胞間自由穿梭,其能抑制番石榴中上述膜脂降解相關(guān)酶活性來提升抗病性,還能延緩冬棗接種黑斑病后的相對電導(dǎo)率以及丙二醛含量的上升。

角質(zhì)的生物合成也與脂質(zhì)轉(zhuǎn)移蛋白有關(guān),因?yàn)楹笳哓?fù)責(zé)磷脂和其他脂肪酸基團(tuán)在細(xì)胞膜之間的穿梭。以上研究表明褪黑素通過強(qiáng)化果實(shí)細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)以及減輕膜脂受損程度以抵抗病原體侵染。

苯丙烷代謝
植物體內(nèi)形成具有抗菌作用的次生代謝產(chǎn)物主要包括酚類、類黃酮、木質(zhì)素、生物堿等,與細(xì)胞壁共同抵御病原物侵染。這些化合物主要是由苯丙烷代謝途徑所合成,通過誘導(dǎo)膜脂過氧化來抑制病原體,從而破壞真菌細(xì)胞膜通透性和線粒體功能(圖1)。PAL位于苯丙烷代謝的最上游,而C4H、4CL是苯丙烷合成途徑中的相關(guān)限速酶。PAL、C4H和4CL負(fù)責(zé)合成廣義酚類物質(zhì)的一般合成前體,即對香豆酰輔酶A。近來人們發(fā)現(xiàn)外源褪黑素處理增加蘋果、櫻桃番茄和荔枝果實(shí)中PAL、C4H和4CL活性,提高番石榴、李、冬棗中總酚、類黃酮和木質(zhì)素含量來誘導(dǎo)果實(shí)抗性。
誘導(dǎo)抗性信號傳遞
植物體內(nèi)有復(fù)雜的免疫系統(tǒng)來抵御生物脅迫。當(dāng)真菌通過釋放幾丁質(zhì)或分泌植物細(xì)胞壁降解酶來改變或降解宿主細(xì)胞壁時(shí),這些病原體相關(guān)分子模式被位于植物細(xì)胞質(zhì)膜上的PRR識別后激活病原物相關(guān)分子模式激發(fā)免疫系統(tǒng),從而啟動植物的基礎(chǔ)防衛(wèi)反應(yīng)(圖1)。而啟動防衛(wèi)反應(yīng)則需要激活包括ROS、NO、植物激素和MAPK級聯(lián)等信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑來實(shí)現(xiàn)。
ROS信號
ROS的產(chǎn)生是植物與病原體相互作用過程中最早的信號傳導(dǎo)途徑之一,其在侵染部位快速而短暫積累被稱為氧化爆發(fā),從而抵御病原體入侵。而褪黑素作為防御信號分子也受到ROS的調(diào)控。如圖1所示,ROS中如過氧化氫能促進(jìn)植物褪黑素生物合成基因和內(nèi)源性植物褪黑素的表達(dá),以響應(yīng)生物脅迫,同樣褪黑素也能誘導(dǎo)ROS生成。
褪黑素與ROS在誘導(dǎo)果實(shí)抗性上有較為復(fù)雜的關(guān)系,但可以證實(shí)的是ROS在果實(shí)中發(fā)揮著抗病的關(guān)鍵作用。研究表明,在NADPH氧化酶突變體rbohD/F擬南芥中褪黑素在ROS爆發(fā)的下游起作用,且認(rèn)為當(dāng)生物體從無氧代謝向有氧代謝轉(zhuǎn)變時(shí),ROS和褪黑素是同時(shí)進(jìn)化的。在生物脅迫下植物內(nèi)源褪黑素、ROS和RNS形成褪黑素-ROS-RNS反饋回路假說中,雖然其模型也能適用于果實(shí)中,但是不同組織器官中內(nèi)源褪黑素含量差異較大,果實(shí)內(nèi)是否具有假說中所涉及到的感病后期一系列內(nèi)源褪黑素的自我調(diào)節(jié)作用還需要進(jìn)一步研究證實(shí)。
NO信號
NO作為二級信使積極參與植物對各種生物脅迫的防御反應(yīng)中。植物內(nèi)源NO的產(chǎn)生由Ca2+信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑來控制,而最初研究褪黑素與NO之間關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn),NO清除劑能夠顯著抑制由外源褪黑素誘導(dǎo)的擬南芥內(nèi)源NO升高,并證實(shí)NO是褪黑素介導(dǎo)擬南芥免疫反應(yīng)中的下游信號,類似情況也存在于西瓜葉片。褪黑素在面對不同病原體時(shí)介導(dǎo)的NO信號可能具有選擇性,兩者在果實(shí)內(nèi)的交互關(guān)系有待進(jìn)一步證實(shí)。
植物激素信號
誘導(dǎo)植物激素的產(chǎn)生是植物繼局部免疫反應(yīng)后將抗病信號進(jìn)一步傳遞給其余部位的重要通路之一,主要包括SA、JA、ET等。這些激素是植物響應(yīng)多種病原菌入侵機(jī)制中的關(guān)鍵信號分子,且與褪黑素交互協(xié)作調(diào)控植物免疫信號網(wǎng)絡(luò)。褪黑素在不同果實(shí)中所誘導(dǎo)的植物激素通路間有差異,而這主要是由SA、JA及ET之間存在的串?dāng)_關(guān)系所引起。褪黑素如何調(diào)控果實(shí)中上述激素信號通路之間的關(guān)系,以及針對不同物種上響應(yīng)機(jī)制的差異仍需要進(jìn)一步研究。
MAPK級聯(lián)
MAPK級聯(lián)在植物細(xì)胞中參與生物脅迫、植物激素和細(xì)胞周期等信號轉(zhuǎn)導(dǎo),是一個(gè)普遍的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制,由MAPK激酶激酶、MAPK激酶和MAPK這3 種激酶組成。褪黑素誘導(dǎo)MAPK級聯(lián)上游中的MAPK激酶3和氧化信號誘導(dǎo)型激酶1(OXI1)來介導(dǎo)植物先天免疫。
病程相關(guān)蛋白
MAPK信號通路最終傳導(dǎo)至細(xì)胞核激活防衛(wèi)基因的表達(dá)從而編碼產(chǎn)物響應(yīng)病原菌的入侵,這些產(chǎn)物中PRs的積累是植物誘導(dǎo)抗性中SAR的標(biāo)志。褪黑素通過刺激轉(zhuǎn)錄因子來調(diào)控下游病程相關(guān)蛋白基因的表達(dá)。讓果實(shí)處于“待激發(fā)”狀態(tài)下時(shí)不僅增強(qiáng)其響應(yīng)生物脅迫的能力,且更具廣譜性。
能量代謝
外源褪黑素通過提升能量代謝中酶活性保持荔枝果實(shí)維持較高的ATP水平以及能荷,以減輕其病害,且從透射電子顯微鏡下觀察到褪黑素處理的線粒體結(jié)構(gòu)依然完整。但是目前有關(guān)褪黑素在生物脅迫下調(diào)控能量代謝方面的研究還較少,因此還需更多理論支撐研究。

03 結(jié)語

褪黑素作為一種高效的分子信號物質(zhì),其在生物脅迫下通過強(qiáng)化果實(shí)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和減輕膜脂受損程度以及誘導(dǎo)苯丙烷代謝實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)果實(shí)結(jié)構(gòu)抗性,并激活ROS、NO、植物激素以及MAPK等信號通路調(diào)控網(wǎng)絡(luò),增強(qiáng)PRs以及能量的積累來抵抗病原菌的侵染。
但目前在果實(shí)研究中人們尚未完全弄清褪黑素抗病機(jī)制模式以及信號傳導(dǎo)機(jī)理。如ROS代謝中褪黑素在果實(shí)染病后期是否存在自我調(diào)節(jié)作用,以及明確決定褪黑素發(fā)揮的是抗氧化還是與受體結(jié)合依賴性功能的濃度臨界值,這需要更多有關(guān)植物褪黑素受體的探究加以證實(shí)。采后果實(shí)為維持正常生理活動仍然進(jìn)行呼吸作用,糖類作為呼吸作用的底物被消耗,當(dāng)遭遇微生物侵襲時(shí)呼吸作用加強(qiáng),其所引起的防御反應(yīng)中包括加固自身植物細(xì)胞壁這一過程,而加固的過程需要多糖(如纖維素等)的積累,褪黑素又能夠改變呼吸代謝途徑且控制能荷的比值來降低呼吸速率。因此未來研究褪黑素如何調(diào)控果實(shí)內(nèi)糖、呼吸與膜脂代謝之間的交互關(guān)系具有重要意義。
能量代謝和揮發(fā)性組成也將是褪黑素誘導(dǎo)果實(shí)抗性研究的重點(diǎn)方向,隨著組學(xué)技術(shù)的發(fā)展,挖掘更多的代謝途徑將為研究采后果實(shí)病害提供豐富的視角。目前為止,生長素、脫落酸等植物激素也被證實(shí)參與褪黑素調(diào)控植物與病原體的互作,多組學(xué)聯(lián)合分析為解釋果實(shí)內(nèi)褪黑素與生物脅迫下相關(guān)植物激素之間的串?dāng)_關(guān)系提供了可能。此外,長非編碼RNA也是許多生物過程中的重要調(diào)節(jié)因子,包括在植物防御反應(yīng)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中。進(jìn)一步分析褪黑素在誘導(dǎo)果實(shí)抗性中如何與lncRNA協(xié)調(diào)作物抗性為今后研究褪黑素的調(diào)控機(jī)制指明了方向,也有助于確定潛在的候選編輯基因,以提高果實(shí)對真菌病原體的廣譜抗性。另外通過編輯調(diào)控元件對mRNA進(jìn)行翻譯控制可能是誘導(dǎo)園藝作物抗性的另一種有效方法。上游開放閱讀框在真核生物mRNA翻譯調(diào)控中具有廣泛的調(diào)節(jié)作用,而找到褪黑素與這些調(diào)控元件間的關(guān)系也將為拓寬其抗性理論提供可能。
相比于應(yīng)用較為廣泛的納他霉素,褪黑素同樣存在水溶解度低、對光敏感等不足,但褪黑素親水親脂的特性使其很容易被果實(shí)吸收從而滲透到每一個(gè)亞細(xì)胞區(qū)域,而外源褪黑素處理也能提高果實(shí)內(nèi)源褪黑素含量,褪黑素也是人體能夠分泌的調(diào)節(jié)睡眠的激素之一,人食用后不會造成安全問題。采后侵染性病害的發(fā)生多數(shù)是病原菌在果實(shí)生長發(fā)育時(shí)就已侵染,之后經(jīng)歷潛伏期并在貯藏過程中大面積爆發(fā),從而造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。就目前而言,褪黑素較多地應(yīng)用于采后抗性的研究,而有關(guān)采前噴施的相關(guān)報(bào)道較少,未來應(yīng)注重此方面的研究,并結(jié)合相應(yīng)的生防菌、殺菌劑以及相應(yīng)的誘抗劑組成復(fù)合型綠色防治藥劑,同時(shí)根據(jù)病原菌田間侵染規(guī)律有針對性地噴施,從而為果實(shí)采后保鮮提供技術(shù)支撐。此外,內(nèi)源褪黑素是否作為果實(shí)抵抗病原菌侵染的關(guān)鍵因子也需要深入研究,以解析其參與果實(shí)的防御反應(yīng)、代謝調(diào)節(jié)等機(jī)理過程。
6-羥基褪黑素、N-乙酰-5-羥色胺和5-甲氧基吲哚乙酸等褪黑素代謝物的生理活性高于褪黑素,但僅在動物研究中有所報(bào)道,未來應(yīng)加強(qiáng)這類物質(zhì)在植物相關(guān)領(lǐng)域的研究。同時(shí),對褪黑素化學(xué)結(jié)構(gòu)中的5位甲氧基和N-乙酰基等起決定性作用的官能團(tuán)進(jìn)行化學(xué)改性可獲得不 同的褪黑素衍生物,進(jìn)一步結(jié)合其他的功能改良劑可應(yīng)用于果實(shí)采后貯藏。

本文《褪黑素誘導(dǎo)果實(shí)采后抗病性研究進(jìn)展》來源于《食品科學(xué)》2023年44卷第9期349-357頁,作者:彭俊森,林 欣,張 琴,萬 璇,聶嬌嬌,羅登燦,龍友華,董曉慶*。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20220607-069。

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