虫害诱导蔬菜作物挥发物的研究进展

袁格格，黄国华，陈 功

(湖南农业大学植物保护学院/植物病虫害生物学与防控湖南省重点实验室，长沙 410128)

亚历山大·格雷厄姆·贝尔(Alexander Graham Bell)在1914年曾发表一段著名言论，指出：“如果您有志于探索一门新的科学，那就来测量气味吧”。植物挥发物Plant volatile organic compounds(VOCs)作为一类特征鲜明的“气味”，是指植物通过次生代谢产生的低沸点、易挥发的小分子化合物(Picazoetal., 2020)。植物在生长代谢过程中，根、茎、叶、花、果实和种子都可以合成挥发性化合物(Muhlemannetal., 2014)，每种植物都会按一定的比例释放特定的挥发物，组成该种植物的化学指纹。这些挥发物的种类主要包括绿叶挥发物、萜烯类化合物、醇类化合物、酚类化合物、酯类化合物等(Dudarevaetal., 2013; Abbasetal., 2017; Chenetal., 2018)。植物释放的挥发性化合物通常会受到外界生物因子与环境因子的影响，部分外源化学物质也可以改变植物挥发物的释放(Naranjoetal., 2020)。当前研究最为热门的是针对植物遭受植食性昆虫危害后挥发物的变化，这类挥发物被称为植食性昆虫诱导的植物挥发物Herbivore-induced plant volatiles(HIPVs)(Hassanetal., 2015; Takabayashi and Shiojiri, 2019)。而根据植物和植食性昆虫的种类与状态的不同，HIPVs的释放情况往往有所差异。虫害诱导蔬菜挥发物在植物-植物互作、植物-昆虫互作、植物-昆虫-天敌互作中扮演着非常重要的化学信息交流作用。本文将针对近年来国内外对蔬菜害虫在危害作物的过程中，诱导其挥发物的类别、释放特征、生态学功能及应用研究展开综述。

1 虫害诱导蔬菜作物挥发物类别及释放特性

1.1 虫害诱导蔬菜作物挥发物类别

蔬菜受昆虫为害后，释放的挥发物在种类和数量方面都将发生明显的变化。挥发物来源包括昆虫取食时造成的机械损伤和昆虫体内的化学诱导物(唾液、反刍物质等)诱导。虫害诱导蔬菜作物挥发物的种类主要包括：萜类化合物(Terpenoids)、绿叶挥发物(Green leaf volatiles)、含氮化合物(Nitrogen-containing compound)、腈类(Nitriles)和肟类(Oximes)、醛(Aldehydes)、醇(Alcohols)、酮(Ketones)、酯(Esters)、醚(Ethers)、羧酸类(Carboxylic acids)化合物(王国昌等, 2010; Kanchiswamyetal., 2015; Fincheiraetal., 2021)。

萜类化合物结构多样，是最丰富的植物次生代谢产物，参与直接或间接的植物防御，吸引授粉者、防御地下和地上的植食性昆虫，在植物生命中发挥着重要作用(Unsickeretal., 2009)。萜类化合物大多是单萜(Monoterpenoids)、倍半萜(Sesquiterpenes)及其衍生物，单萜和倍半萜合成前体物质均为异戊烯基二磷酸(Isopentenyl pyrophosphate(IPP))和二甲基烯丙基二磷酸(Dimethylallyl pyrophosphate (DMAPP))。但两者合成途径不同，单萜是通过IPP和DMAPP来自质体的三磷酸甘油醛-丙酮酸途径(Glyceraldehyde-3-phosphate-pyruvate(GAP-pyruvate))合成并在酶催化下合成底物法尼基二磷酸(Farnesyl diphosphate(FPP))；倍半萜由IPP和DMAPP可能来自细胞质的乙酸-甲羟戊酸途径(Acetate-mevalonatepathway(acetate-MVA))合成经酶催化合成倍半萜香叶基二磷酸(Geranylpyrophosphate(GPP))。最后在萜类合成酶(Terpene synthase(TPS))的催化下生成各自的产物(Abbasetal., 2017)。几乎所有植物器官，包括根、茎、叶、果实和种子，都可以释放萜类物质，其中花释放量最高(Dudarevaetal., 2013)。萜类化合物作为虫害诱导蔬菜作物挥发物中的重要种类，一般在植物被危害一段时间后才释放出来且释放量往往会出现显著的升高(Leitneretal., 2005; Chengetal., 2007; Fontanaetal., 2011)。如植食性昆虫危害后，一枝黄花Solidagoaltissima可释放大量的萜类化合物：α-蒎烯、β-蒎烯、月桂烯、柠檬烯和石竹烯(Helmsetal., 2014)。萜类化合物通过直接和间接的植物防御在植物生命中发挥多种生理和生态功能(Bruceetal., 2015; Abbasetal., 2017)。植食性昆虫及其天敌能够借助植物释放的萜类化合物寻找各自的寄主，完成觅食、交配和产卵等活动。曹凤勤等(2008)，测定了B型烟粉虱Bemisiatabaci雌虫对3种寄主植物、挥发物提取液、挥发物标样以及寄主植物挥发物模拟样的行为反应, 发现番茄Lycopersiconesculentum和甘蓝Brassicaoleracea及其相应的挥发物提取物对烟粉虱雌成虫均具有显著的引诱作用，其有效成份为苎烯、里那醇和月桂烯。同样，有研究表明美洲斑潜蝇Liriomyzasativae主要通过豇豆Vignaunguiculata和菜豆Phaseolusvulgaris释放的α-紫罗酮和β-紫罗酮进行寄主定位(魏明等, 2005)。此外，当植物受到生物和非生物胁迫后，叶中释放出萜类物质可作为报警信号传递给周围植物，以应对昆虫的攻击。如二斑叶螨Tetranychusurticae诱导的挥发物可以使邻近利马豆P.lunatus植株释放乙烯，进而增强其对害虫的防御(Arimuraetal., 2002)；在其他非蔬菜植株中也有发现，玉米Zeamays被甜菜夜蛾Spodopteraexigua幼虫侵食后释放的萜类物质能够有效提高周围其他植株的防御能力(Tonetal., 2007)。

在虫害诱导蔬菜作物挥发物中，绿叶化合物尤为重要。植物在正常生长状态下或受到机械损伤、病虫害等生物及非生物胁迫时均能产生绿叶气味, 对植物生长发育调控和防御系统功能激活具有重要作用。绿叶挥发物Green leaf volatiles(GLVs)是指植物挥发物中C6的醛、醇及其酯类，包括己烯醇、己烯醛和己烯乙酸等(Allmannetal., 2013)。这类挥发物是由植物经十八碳烷酸途径(octadecadienoic acid pathway)过氧化物酶分支途径产生。在植物组织遭到破坏后，半乳糖脂快速水解生成大量的α-亚麻酸(α-linolenic acid(ALA))和亚油酸(linoleic acid(LA))在II型脂肪氧合酶(lipoxygenase-2(LOX-2))作用下，在其13位发生加氧反应, 生成的脂肪酸氢过氧化物(13-hydroperox-ide(13-HPOT))随后被13-hydroperox lyase(13- HPL)裂解为C12化合物和C6醛(Shawnetal., 2013)。当植物受到植食性昆虫啃食后，GLVs合成响应非常迅速。Matsui等人(2000)研究发现，当拟南芥菜Arabidopsisthaliana遭受虫害时，数秒内可释放绿叶挥发物，并且与之合成相关的磷脂酶、脂氧合酶、脂肪酸过氧化氢裂解酶均处于活跃状态进行相应底物合成。通过对拟南芥菜叶片挥发物实时监测分析得知，(Z)-3-己烯醛能在受伤的拟南芥菜叶片中迅速形成，并在损伤后约30～45 s达到峰值，随后形成(Z)-3-己烯-1-醇和醋酸己烯酯，约在5 min达到峰值(Auriaetal., 2007)。植物挥发物是植物与其他生物之间交流的“语言”，植食性昆虫能够借助植物释放的GLVs寻找各自的寄主，完成觅食、交配和产卵等活动。Reddy等(2000)研究发现，甘蓝中的挥发物(Z)-3-己烯基乙酸酯、(E)-2-己烯醛和(Z)-3-己烯-1-醇与信息素的混合物对小菜蛾Plutellaxylostella具有的导向指引作用，显著高于信息素诱导的效果。遭受取食为害的植物释放的GLVs还能在植物内部或邻近植物间传递，对周围未受损植物起到警示作用，使其对植食性昆虫产生一定抗性。亦能够在多个营养级之间传递信号，是吸引寄生性和捕食性天敌的重要组分，在植物-植食性昆虫-天敌三营养层的化学信息网中具有重要作用。如虫害诱导利马豆释放的(Z)-3-hexenyl acetate和(E)-3-hexenyl acetate等可引起利马豆分泌更多的蜜露，吸引蚂蚁、寄生蜂、瓢虫和捕食螨等天敌，显著减少了植食性昆虫的数量(Ness, 2003; Mathewsetal., 2007; Heiletal., 2008)。

腈类和肟类在植食性昆虫诱导的植物挥发物中所占的比例不高，在未受害植物中检测不到；醛、醇、酯、醚类等挥发物及含氮化合物及有益于植物驱避害虫，保护自身，在同种植物间进行信息传递，使邻近植物做出应答来防御植食性昆虫，亦可为植食性昆虫天敌提供重要信息，利于其寄主定位(Dick and Baldwin, 2010)。如种蝇Deliaradicum取食过的甘蓝型油菜Brassicanapus，其根部释放二甲基二硫醚，对其天敌双线隐翅虫Aleocharabilineata有显著吸引作用(Ferryetal., 2007)。

1.2 虫害诱导蔬菜作物挥发物的释放特点

植物的次生代谢是植物与各种环境选择压力之间相互作用的产物，作用的结果造成了植物次生代谢的多样性和可变性(Miresmaillietal., 2011)，虫害诱导蔬菜作物挥发物的组分受多因素(昆虫的种类、口器、为害程度及其发育阶段等；植物种类、基因型、发育阶段、受害部位、受害程度、受害持续时间等；环境压力如光照、温度、季节变化、CO2浓度、水分等环境因素)的影响(Caietal., 2012; 张海静等, 2012;Reynoldsetal., 2016)。同样，HIPVs释放特点多样，如：系统性、群体性、昼夜节律(娄永根和程家安, 2000; Agutetal., 2015)。

大量研究表明，HIPVs的释放具有系统性的特点，即植物受到昆虫取食后，不仅被取食的叶片产生防御物质，植物的其他部位也会释放类似挥发物(Shiojirietal., 2012; Karban etal., 2014)。Heil等(2007)研究发现受损的利马豆叶子中释放的挥发性有机化合物诱导了同株未受损叶子分泌花外蜜(EFN)来增强防御。Rodriguez等(2001)在其他作物中也发现，害虫取食棉花Gossypiumhirsutum下部分叶片后，通过顶空取样在上半部分叶片中收集检测到芳樟醇、顺3-己烯乙酯、DMNT、(E)-β-罗勒烯等。这些结果表明挥发性有机化合物可以作为植物内部信号的外部信号。

HIPVs的释放还具有群体性，当某一植株遭受植食性昆虫为害时，能释放挥发物告警其邻近的同种个体，使邻近植株也释放类似的挥发物(Heil, 2014)。HIPVs可以启动植物防御，增强邻近植物对植食性昆虫的抗性。Zhang等(2020)发现被甜菜夜蛾取食过的番茄会影响邻近同种植株，通过增强β-罗勒烯和芳樟醇的释放来加强防御。同样也有研究表明，被斜纹夜蛾S.litura取食过的番茄植株会释放绿叶醇(Z)-3-己烯醇，被邻近植株接受，进而通过受体接收，合成(Z)-3-hexenyl-vicianoside糖苷，该糖苷抑制斜纹夜蛾的生长和存活率(Sugimotoetal., 2014)。

经植食性昆虫取食后，植物释放的HIPVs具有明显的昼夜节律，白天释放量较大，晚上释放相对较少(Christensenetal., 2013; Picazoetal., 2020)。Shiojiri等(2006)研究发现寄主植株存在时，光照条件下粘虫Mythimnaseparata幼虫的隐蔽行为较强于黑暗条件，且植物挥发物线索比光照条件更能调控粘虫行为。这与害虫天敌的活动规律一致，有利于天敌依靠挥发物进行寄主害虫定位(Jooetal., 2019)。

2 虫害诱导蔬菜作物挥发物的生态功能

2.1 虫害诱导蔬菜作物挥发物对植物的影响

2.1.1虫害诱导蔬菜作物挥发物对整株植物的影响

由机械损伤或植食性昆虫攻击植物所产生的挥发物能够激发邻近植物或同一植物的其它部位对随后的机械胁迫或草食动物攻击作出更快和更大的反应，使受体植物在受到攻击时能够更有效地作出反应(Shivaramuetal., 2017)。当植物某一部位受害时，该部位释放的挥发物会作为损伤信号传递至其他健康部位，进而整株植物会产生防御并释放相应化合物。如菜豆受害后释放的HIPVs能使同一植株上的未损伤组织在遇到虫害时分泌更多的蜜露，经 (E)-2-hexenal和(Z)-3-hexenyl acetate处理后，当植物受害时能释放更多的萜烯(Farag and Pare, 2002; Frostetal., 2008)。

2.1.2虫害诱导蔬菜作物挥发物对邻近植株的影响

作为植物间信号交流的“媒介”，HIPVs可在不同种植物之间传递，其信号强度与距离成负相关，可影响邻近植物的萌发、生长及增强其对植食性昆虫的防御反应(Heil and Adame-Alvarez, 2010; Karbanetal., 2014)。虫害诱导蔬菜作物挥发物经传递可与邻近植物相互作用已得到了广泛的验证，有研究表明，受损伤的三齿蒿Artemisiatridentata释放出的挥发物可以诱导烟草Nicotianatabacum中多酚氧化酶(PPO)活性的增加，减少植食性昆虫的伤害(Karbanetal., 2003)；利马豆被取食后，会诱导邻近青豆产生大量蜜露，这些蜜露可吸引蚂蚁和寄生性天敌(Heil and Kost, 2006)。同样对其他作物的相关研究也表明，斜纹夜蛾诱导棉花释放的挥发物处理邻近健康紫花苜蓿Medicagosativa后，灰翅夜蛾S.mauritia在紫花苜蓿上的产卵量显著降低(Zakiretal., 2013)。在与邻近植物进行交流过程中起作用的组分很可能是茉莉酸甲酯和水杨酸挥发物(娄永根等, 2000; 彭金英和黄勇平, 2005)。

2.2 虫害诱导蔬菜作物挥发物对昆虫的影响

2.2.1虫害诱导蔬菜作物挥发物对植食性昆虫的直接影响

在植物与植食性昆虫长期进化中，二者可协同发展，从上世纪的研究中就已得知植物气味是植食性昆虫进行寄主选择过程中的重要信息物质(Xiaoetal., 2012)，植物源利它素(Kairomones)是植物产生的能够吸引植食性昆虫的产卵和取食行为的挥发性化合物(Engelberthetal., 2004)。几乎所有种类的昆虫都是利用寄主散发的利他素来发现适合于自己的寄主。大量研究表明，昆虫对寄主植物的识别主要依靠植物气味的化学图谱，植物气味是引导植食性昆虫找到寄主的重要物质(Dicke and Baldwin, 2010)。如，Vanesa等(2021)发现Dichelopsfurcatus可以根据相同寄主不同品种释放的挥发物来区分它们，其中芳樟醇是其定位的主要线索。

自然条件下植食性昆虫很少在非寄主植物上产卵，非寄主植物中存在抑制其产卵或取食的物质(孟国玲等, 2000)。植物挥发物可为植食性昆虫成虫提供线索，在其产卵选择中起定向作用。植物挥发物中的壬醛、己酸乙酯、6-甲基-5-庚烯-2-酮和(Z)-β-癸烯的混合物对桃小食心虫Carposinasasakii成虫产卵行为有显著的吸引作用(Kongetal., 2020)。驱避成虫产卵是使植物免受伤害的重要防御，植物为保护自身也会释放挥发物驱避成虫产卵。孙小旭等(2018)通过气相色谱-触角电位联用技术研究蓝桉Eucalyptusglobulus叶片挥发物对棉铃虫Helicoverpaarmigera抱卵雌蛾产卵选择行为的影响，发现能够引起抱卵雌蛾电生理反应的物质有12种，柠檬烯在100 μg剂量时表现为显著的产卵驱避作用，而4-异丙烯基甲苯和1, 8-桉叶素可作为棉铃虫产卵驱避剂备选物质。植物挥发物不仅可作为昆虫找寻合适寄主的媒介，此外，被昆虫取食后，植物释放的挥发性物质还可以诱导自身的直接或间接性防御，驱避害虫取食或产卵从而来降低虫口密度(秦秋菊和高希武, 2005)。相关研究表明，黄花蒿A.annua在遭受菊姬长管蚜Macrosiphoniellasanbourni取食后可以通过提高(E)-β-法尼烯和蒿酮的释放来抵御蚜虫的侵害(Sunetal., 2015)。李钊阳等(2020)研究表明，被普通大蓟马Megalurothripsusitatus危害过豇豆花、蕾对其具有极显著的驱避作用。

2.2.2虫害诱导蔬菜作物挥发物对植食性昆虫的间接影响

Clavijo等(2012)指出植物有可以吸引植食性昆虫天敌的性状，特别是当植物遭受植食性昆虫诱导后。蔬菜害虫诱导植物挥发物的分子量通常较小、挥发性高，可为天敌提供远距离的寄主定位信号(Mumm and Dicke, 2010; Waretal., 2011; Defagoetal., 2016)。苏建伟等(2020)在探究7种植物源挥发物反式-β-法尼烯、橙花叔醇、6-甲基-5-庚烯-2-酮、顺-3-己烯乙酸酯、丁香酚、芳樟醇、顺式茉莉酮在玉米田中对天敌昆虫的诱集效果实验中，发现顺式茉莉酮对黑带食蚜蝇Episyrphusbalteatus诱集效果明显，反式-β-法尼烯和顺式茉莉酮对龟纹瓢虫Propylaeajaponica诱集效果明显。被烟盲蝽Nesidiocoristenuis危害后的番茄植株通过激活邻近未受损植物的茉莉酸防御系统，从而可以吸引丽蚜小蜂Encarsiaformosa(Perez-Hedoetal., 2015)。总结相关研究得知，HIPVs在引诱天敌方面起主要作用的是萜类化合物和绿叶化合物，如芳樟醇、顺-3-己烯乙酸酯、反式-β-法尼烯、茉莉酮、烯丙基异硫氰酸酯等。

植物在受到植食性昆虫危害时，能释放具有化学信号作用的挥发物-互益素(synomone)，植物借此可引诱植食性昆虫的天敌完成间接防御(Hare, 2011; Guo and Wang, 2019)。蔬菜上的叶螨科害虫会诱导植物产生萜类化合物吸引捕食性天敌，例如被二斑叶螨感染的植物会吸引捕食者性天敌植绥螨Phytoseiulusmacropolis和加州新小绥螨Neoseiluiscalifornicus(Fadinietal., 2010; Rezaieetal., 2018)。缨翅目害虫会诱导植物产生挥发性化合物吸引天敌，如捕食性天敌黄瓜钝绥螨Amblyseiuscucumeris和南方小花蝽Oriussimilis可通过烟蓟马Thripstabaci为害后寄主释放的挥发性物质来搜寻猎物(Satoshi and Takeshi, 2008)。蔬菜上半翅目害虫可通过诱导植物产生绿叶挥发物吸引捕食性天敌。例如，乔飞等(2020)通过比较分析小麦Triticumaestivum受蚜虫取食对其挥发物的影响，检测到蔬菜害虫豌豆蚜Acyrthosiphonpisum取食提高了小麦挥发物顺-3-己烯乙酸酯的释放速率和相对含量，并对异色瓢虫Harmoniaaxyridis有显著的引诱作用。冯宏祖等(2012)研究发现十一星瓢虫Coccinellaundecimpunctata和叶色草蛉Chrysopaphyllochroma对棉蚜Aphisgossypii危害和茉莉酸甲酯MeJA处理过的棉叶选择性明显高于健康叶片。蔬菜害虫中的鳞翅目害虫会诱导植物产生挥发性物质吸引寄生性天敌，由陈华才等(2002)Y型嗅觉仪实验可知在虫害苗与健康苗挥发物之间，二化螟绒茧蜂Cotesiachilonis显著地偏好二化螟Chilosuppressalis幼虫取食过后的寄主植株。

3 虫害诱导蔬菜作物挥发物应用

随着分子生物学、化学分析、代谢工程等相关科学技术的发展应用，虫害诱导挥发物的研究也在不断加深，次生挥发性物质在改变作物气味、果实品质、作物品质、增强植物防御方面贡献重大，大量的室内及田间实验中科研工作者开始尝试将虫害诱导的挥发物直接应用于害虫防治。目前，挥发物的应用主要包括：制作引诱剂、驱避剂、增效剂用来调节昆虫行为。

植食性昆虫依靠植物挥发物寻找寄主植物来完成自己的生长、发育、繁殖，同时也避免食用非寄主植物。因此，可将挥发物有效成分分为引诱剂或驱避剂来进行害虫生态防治。如：Martel(2005)等用合成的挥发物(顺-3-己烯-醋酸酯、里哪醇、MeJA)放于诱捕器中，可引诱马铃薯甲虫Leptinotarsadecemlineata。Koschier等(2002)用里哪醇和丁子香酚处理葱Alliumfistulosum周围的环境，发现其牧草虫害减少，叶表面存活的成虫量明显减少。在其他作物中也发现，受损茶树Camelliasinensis释放的芳樟醇对茶尺蠖Ectropisobliqua具有驱避作用(Sunetal., 2014)同样，植物挥发物也可与其他信息素联用，增强昆虫信息素的诱捕效果。其对性信息素的增效作用在实际应用中，可以在减少经济成本的基础上，进一步为提高田间性信息素与迷向技术的应用提供参考。植物挥发物调节昆虫行为，可作为间作控虫重要手段。利用昆虫在生物多样性环境中对挥发物选择嗜好性来实施对害虫的控制。例如，邬亚红等(2019)对芹菜Apiumgraveolens茎叶的挥发物进行了提取分析，筛选出柠檬烯和α-蒎烯两种挥发性物质并利用标样进行小区试验，结果表明柠檬烯和α-蒎烯都对田间辣椒Capsicumannuum上烟粉虱具有较强驱避作用。释放后，烟粉虱逐渐向远端迁移，随着处理时间的延长，烟粉虱逐渐迁出试验小区，若在另一端开口并种植诱集植物苘麻Abutilontheophrasti时，形成“推-拉”组合可以加快烟粉虱向远端的迁移。利用植物挥发物特性来改良田间种植模式，可提高作物品质。如黄瓜Cucumissativus与芹菜间作，黄瓜苗上烟粉虱的成虫数量较对照降低59.43%(钟苏婷, 2009)。

4 展望

基于植食性昆虫诱导的植物挥发物研究，挥发物的形成机制、种类及在昆虫与植物协同进化过程中的作用已逐渐浮出水面，在实践上可为协调作物抗性与生物防治提供理论依据，如为协同素、利它素的利用，合理安排间作、套作等提供理论指导(Jaworskietal., 2019; Aartsmaetal., 2020)。然而，迄今很多关于HIPVs的研究都是在实验室或者温室中完成的，因此之后应用时应注意环境背景气味，采用类似于条形码或指纹识别的方法来精确地测量和分类植物产生的“气味”。并通过实时监控田间该类“气味”的变化，实现害虫预测预报。现阶段对于植物挥发性有机物的研究多集中在成分鉴定上，植物挥发物的生化机制及动态变化研究较少，不足为开发可诱导植物进行免疫系统防御的新型农药提供充分依据(Rowen and Kaplan, 2016)。因此，以后研究应改进嗅觉仪、触角电位仪、飞行磨、风洞、运动轨迹仪等，使相关检测仪器能够尽可能的模拟田间自然环境(Langetal., 2016)。加强抗虫品种筛选和天然生物活性物质的害虫生物防治应用发明，联合生物信息手段探究人工操纵害虫行为新策略、新方法(Chenetal., 2015; Turlings and Erb, 2018)。

植物挥发性次生代谢产物的直接应用有助于开发环保型农药和植物生长调节剂，是未来农业中极具开发价值的环保型农药(Meritxelletal., 2021)。研究挥发物的进化、诱导、释放和感知有关的机制，剖析植物次生代谢物在生态系统中的作用，发挥挥发性次生物质的生态调控作用，有助于更好地了解其生态意义和演变，将为农业和环境的可持续发展提供新的视角(Aartsma and Bianchi, 2017)。