β氨基丁酸的诱导抗病作用及应用

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(贵州省农业科学院现代农业发展研究所,贵州贵阳 550006)



李国林,陈曦,郑秀艳,黄道梅,孟繁博,李咏富,林茂*

(贵州省农业科学院现代农业发展研究所,贵州贵阳 550006)

β-氨基丁酸(β-Aminobutyric,BABA)是一种天然的植物抗性诱导剂,可以诱导植物抵抗真菌或细菌的侵染,对多种植物都具有诱导抗性作用。本文对外源BABA在植物中的转运方式、直接抑菌及间接抑菌效果、对果蔬的诱导抗病作用,在生化酶活性和分子水平上对可能的作用机理做了总结。同时,简要分析了目前研究中的局限性,旨在为未来保鲜剂的发展提供理论参考。

β-氨基丁酸,果蔬,诱导抗病,机理

植物在生长过程中为了抵御病原菌、害虫及外界不良环境对自身的影响会进化产生出天然的防御机制,这种能力被称为“植物诱导抗病性”,引起这种反应的因子称为“激发子”。根据植物诱导抗病性的作用范围,可以分为局部抗病性和系统抗病性2种类型[1]。从激发子的角度分类,通常认为直接由病原菌引起的抗病性为系统获得抗性(Systemic acquired resisrance,SAR),而由非病原菌或其他天然因素引起的抗病性则称为系统诱导抗性(Induced systemic resistance,ISR)。

β-氨基丁酸(β-aminobutyric,BABA)又名DL-β-氨基丁酸,是从暴晒的番茄根系中分离得到的一种次生代谢非蛋白氨基酸,结构式如图1所示,根据氨基位置的不同有三种同分异构体,分别为:α-氨基丁酸(AABA)和γ-氨基丁酸(GABA)。三种同分异构体活性有所差异,在花椰菜、莴苣、胡椒等植物的诱导抗病实验中,三种异构体中只有BABA的活性最强[2-4],同时有研究结果显示BABA的两种对映体中R构型对映体的诱导抗病作用要显著强于S对映体,结构式见图2[4-5]。BABA作为一种化学“激发子”,在50多年前就已被发现,随着研究的深入,多种研究结果表明,BABA能够诱导植物抗病性的产生,抵御病毒、细菌、卵菌、真菌、线虫、蚜虫或一些非生物逆境胁迫(干燥、缺氧等)对植物带来的不良影响[6-7],能激活马铃薯、辣椒、胡椒、烟草、拟南芥、洋蓟、番茄等植物获得系统抗性反应[8]。BABA在植物体内较少产生,目前的研究显示只在番茄的根部浸出液和杏仁桉(Eucalyptusregnans)、银荆(Acaciadealbata)和黑木金合欢(Acaciamelanoxylon)韧皮部的汁液中有过发现[9-10]。

图1 BABA结构式Fig.1 Chemical structure of β-aminobutyric acid

图2 BABA对映异构体结构式Fig.2 Chemical structure of β-aminobutyric acid enantiomers

外源BABA施用时,需考虑与植物种类、施用方式、施用部位等因素相适宜。BABA的施用方式较多,常见的主要有叶喷、灌根、浸种等方法,具体的施用方法需根据植物种类的不同来确定。BABA在植株中的吸收速率随着施用部位的不同而发生改变。Cohen等[4]采用14C标记法研究了叶喷和灌根两种方式下番茄植株体内BABA的吸收速率,结果发现通过根系吸收的BABA在处理2 d后在番茄体内仅吸收了36%,而通过叶片吸收的BABA在处理2 h后就已达99%。葡萄叶喷施实验发现,BABA的吸收率与叶表面角质层的厚度呈负相关[11]。此外,在葡萄、番茄、马铃薯的叶喷实验中观察到BABA的转运方向是从老叶片向新叶片,即从底部向顶部转移,反之则不行,当BABA在顶部叶片喷时,转运方向则为向下转运。由此可见,BABA在植株体内的转运方向也随施用部位的不同而发生改变[11]。

1 BABA抑菌及诱导抗病作用

1.1直接抑菌作用

研究显示,BABA对多种植物病原菌均具有体外抑制作用,但抑菌作用与病原菌的种类和处理浓度相关。Fischer 等[12]研究表明,300 μmol/L的BABA对灰葡萄孢(Botrytiscinerea)和酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)有显著地抑制作用,且与培养基的pH有直接关系,pH=4时,2.4 mmol/L BABA可以完全抑制B.cirenea菌丝的伸长,但当pH升高到7时,这种抑制效果只有40%。20 mmol/L BABA可以增强葡萄抵抗致病菌指状青霉(P.digitatum)的侵染作用,升高BABA的浓度到100 mmol/L则表现出直接抑菌作用[13],ašek等[14]的实验发现在未添加蛋白胨(有机氮)的培养基中,2 μmol/L的BABA能有效抑制欧洲油菜中油菜茎基溃疡病菌(Leptosphaeriamaculans)菌丝生长,但在加有微量(6 ppm)蛋白胨的培养基中,这种抑菌作用被显著削弱,并由此推测BABA的体外直接抑菌作用与培养基中的有机氮含量呈负相关关系。此外,BABA对甜橙(Citrussinensis)的采后致病菌意大利青霉(P.italicum)、苹果中的指状青霉(P.digitatum)均具有抑制孢子萌发和菌丝生长的作用[15-16]。400 mmol/L的BABA对芒果炭疽病的病原菌胶孢炭疽菌(Colletotrichumgloeosporioides)无直接抑制作用,100 mmol/L BABA处理芒果果实后损伤接种后第7 d病斑直径比对照减小33.6%[1]。Zhang等[16]发现其可以有效抑制扩展青霉(P.expansum)孢子的萌发和孢子管的伸长,BABA可以破坏菌丝质膜的完整性、增加细胞内可溶性蛋白质和糖的泄露。

1.2诱导抗性

BABA对多种植物均能表现出较好的诱导抗病作用,这种作用的强弱受多种因素影响,如植物及病原菌的种类,处理时间和浓度,接种间隔时间等。Yan等[17]采用浓度为0.5、2、5 g/L的BABA体外抑制冬枣(ZizyphusjujubaMill. cv. Dongzao)采后病原菌Alternariaalternata后发现,BABA对A.alternata的孢子萌发和菌丝生长没有直接抑制作用,0.5、1.0 g/L和2.0 g/L的浸泡处理显著降低了冬枣贮藏期间的腐烂率和病斑面积。董博宇等[18]人采用浸泡法将苹果梨(Pyruspyrifolia)浸没于50 μg/mL BABA中10 min,处理12 h后接种黑斑病的病原菌A.alternata,结果显示BABA诱导了苹果梨果实对黑斑病的抗性。同样,BABA可以显著提高马铃薯块茎对干腐病和粉痂病的抗病性,100 mmol/L BABA浸泡马铃薯块茎,无论是感病还是抗病品种,均提高了其对由F.sulphureum引起的干腐病的抗性,而且2 mmol/L的BABA就能显著减轻由Spongosporasubterranea侵染马铃薯造成的粉痂病[6,19]。75 mmol/L的BABA处理‘巨峰’葡萄后接种B.cinereal,可有效抑制病斑扩展和降低腐烂率[20]。100 mg/L BABA在处理‘台农1号’芒果不接种病原菌的条件下仍然能够明显降低芒果果实的病情指数和病果率,提高商品果率,显著提高果实抗病性[21]。BABA不仅可以增强抗病性,而且能够较好的保持果实采后的贮藏品质。Wang等[22]研究了BABA处理对甜樱桃采后贮藏品质的影响,结果表明,30 mmol/L BABA处理可显著提升甜樱桃果实的采后贮藏品质,果皮色泽、酸度、失重、呼吸速率均显著低于对照,总糖、有机酸、总酚等含量等得到有效保持,延长了货架期。

1.3其它措施对BABA的增效作用

50 mmol/L BABA浸泡处理苹果果实后接种P.expansum,其病斑直径为对照的80.76%,45 ℃热水处理后间隔15 min后再用BABA处理,其果实病斑直径仅为对照组的72.57%,这说明热水处理增强了BABA的抗病作用,增加了苹果对青霉病的抗性[23]。外源Ca2+对BABA同样有增效作用,BABA处理叶片的同时喷施Ca2+比单一BABA处理番茄时,灰霉病的病情指数下降了18.2%[24]。张维[25]研究证实单独使用0.75 g/L的BABA处理苹果,可有效防治采后青霉病的发生,效果要强于BABA与壳聚糖的复配使用,但贮藏品质方面与壳聚糖复配使用的BABA效果要优于单独使用。此外,许多研究报告表明BABA与百菌清、甲霜灵、代森锰锌、氟啶胺等农药杀菌剂均有协同作用[26]。

2 诱导抗性机理

表1 BABA诱导果蔬中酶及抗性成分变化Table 1 The change of enzyme activities and resistance composition induced by BABA

苯丙氨酸解氨酶(PAL)是苯丙烷类代谢途径中的关键酶与限速酶,与黄酮类物质、木质素及酚类化合物形成有着重要作用,PAL参与催化下,苯丙氨酸脱氨基生成酚类和其他抗菌活性的物质,它们对抑制病原菌起着主要作用[28]。几丁质酶(CHI)和β-1,3-葡聚糖酶(GLU)是植物体中两种主要的病程相关蛋白(PR),这类PR基因的表达被认为是植物系统获得抗病性的标志,这两种酶可特征性地水解真菌细胞壁来抑制病原菌的发展[8,29]。酚类和类黄酮是苯丙烷代谢的末端产物,酚类化合物在过氧化物酶(POD)作用下被氧化后形成毒性更强的醌类物质,能有效抑制病原物的扩展,此外,酚类物质也是木质素等抗性物质合成的前体;类黄酮具有显著地抗菌活性,可抑制病原菌的孢子萌发、芽管伸长、菌丝生长[18,30]。细胞壁是植物抵御病原菌侵染的第一层天然屏障,“激发子”会诱导细胞壁强化或加厚,主要是因为POD和多酚氧化酶(PPO)能够将酚类物质聚合成木质素和富含羟脯氨酸糖蛋白(hydroxyproline-rich glycoprotein,HRGP),细胞内随着木质素和HRGP的逐渐积累,形成抵御病原物侵染的物理屏障,能够不同程度地阻止病原物的侵入和扩展,增加果蔬的抗病性,因此木质化反应也是诱导抗性产生的重要机制之一[31-32]。BABA处理后可诱导POD、PPO活性升高,使木质素大量沉积,导致细胞壁的木质化,有助于植物细胞壁的强化[23]。Luna等[33]利用拟南芥研究BABA在诱导作用的过程发现,天门冬氨酰-tRNA合成酶是BABA发挥作用的体内受体。

另外,BABA在植物体内的诱导作用也是多种激素(信号分子)相互作用的结果,这些信号分子主要由水杨酸(Salicylic acid,SA)、茉莉酸(Jasmonic acid,JA)、脱落酸(Abscisic acid,ABA)和乙烯(Ethylene,ET)组成[34]。水杨酸由苯甲酸羟基化或反式肉桂酸经过侧链β氧化而生成,并被认为是诱导SAR的重要信号分子之一,研究证明,BABA在马铃薯、烟草、辣椒中的诱导抗性是通过SA途径实现的[35-37],葡萄藤的抗性作用又分别通过JA和ET途径实现[38-39]。此外,BABA能够促进逆境下植物细胞内ABA的积累产生量来提高对不良环境的适应能力[40]。

植物果实在经BABA处理一段时间后,不仅会在生化水平上发生变化,在分子水平上,一些防御基因诱导之后会相应的表达上调,10 mmol/L BABA浸泡后接种B.cinerea的草莓果实,其体内FaPR1、FaChi3、Faβglu和FaPAL四种抗性基因与对照相比表达显著地上调[41]。经20 mmol/L 减压浸泡的桃果实接种B.cinerea后,PpNPR1-like和PpPRs基因表达均呈现上调趋势[30]。香蕉果实抗性酶相关基因,如MaNOX、MaCAT、MaCHI、MaGLU、MaPAL1在经BABA诱导后较对照组均有不同程度的上调[8]。BABA在拟南芥、向日葵、葡萄、柠檬、烟草等植物中也有相同诱导基因表达的作用[26]。

3 问题及展望

果蔬诱导抗病性是通过外源激发子激活果蔬体内自身的防御机制来增强其对病原菌侵染的抵抗能力,是其潜在的防卫相关基因的表达和调控,并没有涉及到基因类型的改变,因此,诱导提高果蔬抗病性是一种安全高效的采后保鲜方法[42]。

BABA作为一种植物诱抗剂的作用已经得到了广泛的证实,其既可以采前大田施用,又能采后使用,对蔷薇科、禾本科、葫芦科、豆科、十字花科等一年生或多年生、单子叶或双子叶植物抵抗由卵菌、真菌、细菌、病毒和线虫引起的病害均能起到诱抗作用,还可以缓解一些非生物胁迫带来的逆境危害。同时,BABA在与其他多种杀菌剂、植物激活剂和促进植物生长的根瘤菌(PGPR)结合使用时,具有较强互作增效作用,发挥出良好的诱抗性能。但目前BABA在果蔬采后病害方面的应用研究还略显不足,其对果蔬诱抗作用会受果蔬种类和品种、成熟度、处理方式、浓度、时间等多种因素的影响,与采前施用不同的是,采后BABA的使用要考虑果蔬的采摘时期,采摘和装运过程中产生的人为损伤和机械损伤,以及采后的贮藏条件都对BABA的使用效果影响较大。因此,进一步扩大BABA的使用范围就显得十分必要,筛选适宜的处理时间及处理浓度等因素,特别是与其它安全保鲜措施的结合使用来提高保鲜效果。

综上所述,随着人们生活水平的提高,对健康及食品安全问题越来越关注,对化学合成保鲜剂的安全性提出质疑,天然绿色植物诱抗剂可以减少甚至替代杀菌剂的使用。但目前BABA对果蔬采后诱导抗病性机制的研究还不够深入及彻底,且多数集中在组织结构、植物抗毒素和酶活性水平上,分子水平上的研究还比较缺乏。目前在多种植物中研究结果大体一致,但还存在差异,这说明植物诱导抗性调控机制的复杂性,因此植物诱导抗性调控的深层机制还有待进一步研究,为以后BABA的开发提供坚实的理论基础。

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Theapplicationandinduceresistancemechanismofβ-aminonbutyricacid

LIGuo-lin,CHENXi,ZHENGXiu-yan,HUANGDao-mei,MENGFan-bo,LIYong-fu,LINMao*

(Integrated Agricultural Development Research Institute,Guizhou Academy of Agricultural Science,Guiyang 550006,China)

β-aminobutyric acid(BABA)was a nature plant resistance inducer,which could induce resistance against many diseases caused by fungus and bacteria in a wide range of fruits and vegetables. The transport type in plants,direct/indirect antibiotic action,induced resistance to fruits and vegetables,biochemical enzyme activity and gene express change were systematically summarized. In addition,the defects in current researches were briefly analyzed and expected to provide helpful references for preservation technology development in future in this review.

β-aminobutyric acid;fruits and vegetables;induced resistance;mechanism

2016-11-23

李国林(1987-)，男，硕士，助理研究员，研究方向：农产品加工与贮藏，E-mail：lgl292@163.com。

*通讯作者:林茂(1979-)，女，博士，副研究员，研究方向：农产品加工与贮藏，E-mail：linmao520132@163.com。

黔农科院院专项[2016]026号，黔农科院CR合字(2014)04号；黔农科院自主创新科研专项字(2014)018号；贵州省特色农产品辐照保鲜技术服务企业行动计划(黔科合平台人才[2016]5712)；贵州省特色农产品辐照保鲜与加工工程技术研究中心(2016GZ67305)。

TS201.2

:A

:1002-0306(2017)12-0347-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.12.065