-
白木香(Aquilaria sinensis (Lour.) Spreng.)又称土沉香、香树、女儿香、牙香树,是瑞香科(Thymelaeaceae)沉香属(Aquilaria)常绿乔木,为我国特有珍贵药用植物、国家二级重点保护野生植物[1-2]。白木香受到外界胁迫后能产生沉香,是我国生产沉香的重要植物资源。沉香是名贵的传统中药材[3],也是一种天然的高级香料[4-6],同时在世界五大宗教中备受推崇[7]。由于沉香在药用、香料、宗教、收藏等方面的广泛用途,使其在国内外供不应求[8-9]。为了沉香资源的可持续利用,培育沉香人工林与人工诱导结香是目前解决沉香紧缺的有效途径。
物理机械损伤、化学物质刺激以及微生物与病虫害侵染均能诱导沉香形成。物理、化学或生物因素都是沉香形成的诱因,它们作为激发子诱导沉香树防御反应的发生,使沉香树体产生具有防御作用的次生代谢产物(倍半萜和2-(2-苯乙基)色酮类物质),这些次生代谢产物与细胞其他组分复合形成导管填充物(侵填体),对沉香次生木质部导管造成堵塞,从而抵御外界物理机械损伤、化学物质刺激以及微生物与病虫害侵染对沉香树体的进一步伤害,最终形成沉香[10]。
目前,关于白木香的结香机理尚未有定论,对沉香形成的研究主要集中在沉香组成成分分析[11-12]、沉香形成机理假说验证[10, 13-14]、人工诱导结香方法[15-16]、沉香物质合成代谢途径以及形成过程信号调控机制等方面[17-18]。虽然前人对白木香结香过程中的防御反应已有大量研究[19-20],但对与其生长相关的内源激素、光合、荧光等生理特性缺乏关注。鉴于白木香的结香过程不仅是沉香属植物进行胁迫防御的过程,也是一种防御与生长的动态平衡过程。因此,研究白木香结香过程的防御与生长的动态平衡状态,对揭示其结香机制,促进白木香结香具有重要意义。
本研究应用注射真菌菌剂与机械损伤2种诱导结香方法对白木香进行胁迫制香,通过分析其调控生长与防御的激素含量、抗氧化酶活性、防御物质总酚与总萜含量以及光合与叶绿素荧光特性等,研究白木香对真菌侵染及机械损伤胁迫的生理响应,以期探明白木香结香过程的生长与防御过程,揭示其结香过程的生理响应机制,为促进白木香结香提供理论依据。
-
图1表明:与对照相比,在受胁迫1个月与3个月时,激活防御反应的激素茉莉酸、水杨酸、乙烯前体含量都上调,含量基本显著高于对照(胁迫3个月的水杨酸除外),而负责协调植物生长的赤霉素与生长素的含量显著低于对照;在受胁迫6个月后,水杨酸与赤霉素含量在AS处理中与对照差异不显著,同时生长素含量在3组处理间均无显著差异。
图 1 不同胁迫对白木香内源激素含量的影响
Figure 1. Effect of different stress on the endogenous hormone content of Aquilaria sinensis
随胁迫处理时间的延长,茉莉酸、水杨酸与乙烯前体含量逐步降低,而赤霉素与生长素的含量在白木香茎干中逐渐增加。胁迫第6个月与第1个月相比,茉莉酸含量在BS和AS胁迫中分别显著降低了20.78%、18.00%,水杨酸含量分别显著降低了18.22%、15.98%;而赤霉素含量分别显著增高了33.98%、34.63%,生长素含量分别显著增高了17.55%、16.92%。
-
由图2可知:在胁迫1个月时,BS和AS的6种抗氧化酶活性都显著高于对照;在胁迫3个月时,除APX与GR外,其余4种抗氧化酶活性也显著高于对照;在胁迫6个月时,SOD,CAT,PPO,APX的活性均与对照无显著差异。
-
图3表明:在胁迫1个月时,总酚与总萜含量与对照差异显著,其中,BS和AS的总酚含量分别比对照增加了57.10%、33.10%,总萜含量分别增加了54.02%、27.33%;当胁迫6个月时,BS和AS的总酚含量分别是对照的1.90、1.71倍,总萜含量分别是对照的2.24、2.20倍。
图 3 不同胁迫对白木香总酚和总萜含量的影响
Figure 3. Effect of different stress on the total phenols and total terpenes of Aquilaria sinensis
在受胁迫过程中,总酚和总萜含量随时间的延长而增加,其中,BS的总酚含量第3个月与第6个月分别比第1个月增加了26.34%、42.32%,总萜类含量分别比第1个月增加了16.39%、35.54%; AS的总酚含量第3个月与第6个月分别比第1个月增加了40.10%、50.78%,总萜含量分别比第1个月增加了13.83%、61.36%。
-
由图4可知:与对照相比,在BS和AS胁迫1个月时,白木香叶片的Pn、Gs、Tr和WUEi均下降,而Ls增加,其中,BS和AS胁迫的Pn分别下降了27.47%、25.23%,Gs分别下降了28.97%、20.11%,Tr分别下降了23.90%、11.63%,WUEi分别下降了4.83%、15.50%,Ls分别增加了14.61%、6.96%。
图 4 不同胁迫对白木香光合参数的影响
Figure 4. Effect of different stress on photosynthetic parameters of Aquilaria sinensis
在胁迫6个月时,AS处理的Pn与对照无显著差异,BS胁迫的Pn与对照差异显著,BS和AS处理的Gs、Ci、Tr显著高于对照,而Ls比对照分别降低了11.45%、25.70%。
-
由表1可知:受到胁迫后F0较对照显著增加,但随时间的延长增幅变小;胁迫1个月时,BS和AS处理的F0较对照分别增加了37.19%、33.02%;胁迫3个月时,BS和AS处理的F0较对照分别增加了25.25%、18.83%;胁迫6个月时,BS和AS处理的F0较对照分别增加了7.30%、12.04%。
表 1 不同胁迫对白木香叶绿素荧光的影响
Table 1. Effect of different stress on chlorophyll fluorescence parameters of Aquilaria sinensis
荧光参数
Chlorophyll fluorescence parameters处理
Treatment处理时间(月) Time(Month) 1 3 6 初始荧光 F0 对照 CK 367.54±5.06 Bb 398.22±15.48 Ba 395.89±7.79 Ca 真菌胁迫 BS 504.23±12.38 Aa 498.78±13.55 Aa 424.78±13.38 Bb 机械损伤胁迫 AS 488.91±20.14 Aa 473.22±29.98 Aa 443.56±15.84 Ab 最大荧光 Fm 对照 CK 1961.74±60.12 Aa 1964.11±94.97 Aa 2034.56±7.79 Aa 真菌胁迫 BS 1848.52±96.62 Ba 1675.67±137.16 Bb 1988.00±81.95 Aa 机械损伤胁迫 AS 1717.40±74.17 Cc 1606.44±77.05 Bb 2014.78±95.11 Aa 可变荧光 FV 对照 CK 1594.20±60.34 Aa 1565.89±106.40 Aa 1638.67±35.96 Aa 真菌胁迫 BS 1344.29±105.83 Bb 1176.89±148.09 Bc 1563.22±71.85 Aa 机械损伤胁迫 AS 1228.49±75.06 Cb 1133.22±101.73 Bb 1571.22±102.19 Aa 最大光能转换效率 FV/Fm 对照 CK 0.81±0.01 Aa 0.80±0.02 Aa 0.81±0.01 Aa 真菌胁迫 BS 0.73±0.02 Bb 0.70±0.03 Bb 0.79±0.01 Ba 机械损伤胁迫 AS 0.71±0.02 Bb 0.70±0.03 Bb 0.78±0.02 Ba PSⅡ潜在活性 FV/F0 对照 CK 4.34±0.18 Aa 3.95±0.40 Ab 4.14±0.16 Aab 真菌胁迫 BS 2.67±0.26 Bb 2.37±0.35 Bb 3.68±0.12 Ba 机械损伤胁迫 AS 2.52±0.20 Bb 2.42±0.36 Bb 3.55±0.32 Ba 注:表中数据为平均值±标准误,不同大写字母表示处理间在同一时间差异显著(p<0.05)。不同小写字母表示同一处理在不同时间间差异显著(p<0.05)。
Notes: Data are presented in the mean ± SE.Different capital letters indicate the significant differences at p<0.05 level among treatments at the sampling time.Different small letters indicate that the same treatment has significant differences at p<0.05 level in the different sampling time.胁迫1个月与3个月时,BS和AS处理的Fm、Fv与对照差异显著,而胁迫6个月时,BS和AS处理的Fm、Fv与对照差异不显著。
BS和AS处理后,叶片叶绿素荧光参数Fv/Fm与Fv/F0均显著下降,随处理时间的延长降幅减小;胁迫1个月时,BS和AS处理的Fv/Fm较对照分别下降9.88%、12.35%;胁迫6个月时, BS和AS处理的Fv/Fm较对照分别下降了2.47%、3.70%。胁迫1个月时,BS和AS处理的Fv/F0较对照分别下降了38.48%、41.94%。胁迫6个月后, BS和AS处理的Fv/F0较对照分别下降了11.11%、14.25%。
白木香响应真菌侵染与机械损伤胁迫的生理机制
Physiological Mechanism of Aquilaria sinensis in Response to Fungi and Mechanical Damage Stress
-
摘要:
目的 为研究白木香受到胁迫的生长与防御过程,探明其结香过程的生理响应机制。 方法 以3年生白木香为对象,应用注射真菌菌剂与机械钻孔2种诱导结香方法对白木香进行制香,通过分析其调控生长与防御的激素含量、抗氧化酶活性、防御物质总酚与总萜含量以及光合与叶绿素荧光特性,研究白木香对真菌侵染与机械损伤胁迫的生理响应机制。 结果 在胁迫初期,与防御反应相关的激素茉莉酸、水杨酸、乙烯前体含量在胁迫处理组中显著升高,而与生长相关的激素赤霉素与生长素含量降低;在胁迫后期,茉莉酸、水杨酸与乙烯前体含量逐步降低,而赤霉素与生长素的含量逐渐增加。胁迫处理初期的抗氧化酶活性与总酚、总萜的含量显著高于对照组;抗氧化酶活性增幅随处理时间的延长而减小,总酚和总萜含量随处理时间的延长而增加,但增幅速率降低。胁迫处理1~3个月的光合作用与叶绿素荧光受到抑制,而胁迫处理第6个月时,光合与荧光得到恢复。 结论 当白木香受到真菌侵染与机械损伤胁迫时,激活防御反应的激素含量显著升高,抗氧化酶活性增加,同时次生代谢防御产物酚类与萜类增加,光合作用受到抑制;随着时间的延长,白木香生长获得恢复,胁迫得到缓解。说明白木香结香过程是防御反应加强,产生沉香物质,且是生长与防御的动态平衡过程。 Abstract:Objective To investigate the process between growth and defense of Aquilaria sinensis, and reveal physiological mechanism of agarwood formation in response to fungi and mechanical damage stress. Method Two methods including injection of fungal agent and drilling with mechanical damage were used to induce agarwood formation with the three-year-old Aquilaria sinensis trees. Subsequently, hormone content, antioxidant enzyme activity, total phenols and terpenoids content, and photosynthesis and chlorophyll fluorescence characteristics were periodically analyzed during agarwood formation. Result At the initial stress stage, the contents of defense related hormones, jasmonic acid, salicylic acid and ethylene increased significantly, while the contents of growth related hormones, gibberellin, and auxin decreased. At the later stress stage, the contents of jasmonic acid, salicylic acid, and ethylene gradually decreased, while the contents of gibberellin and auxin gradually increased. The activities of antioxidant enzymes and the contents of phenols and terpenes were significantly higher in the stress groups than those of the control group. The contents of phenols and terpenoids increased with the increase of treatment duration, and the rate of increase decreased. Three months after treatments, the photosynthesis and chlorophyll fluorescence were inhibited, while inhibition was alleviated after six months . Conclusion In response to the stress of fungus and mechanical damage, defense related hormones increase significantly, as well as the activities of antioxidant enzymes. In addition, the secondary metabolic defense products such as phenols and terpenes increase and photosynthesis is inhibited. The strength of defense response decrease with the increase of treatment duration and trees recover the growth. Thus, agarwood formation is the process to that Aquilaria sinensis trees produce secondary metabolites by strengthening the defense response, which is a trade-off between growth and defense. -
表 1 不同胁迫对白木香叶绿素荧光的影响
Table 1. Effect of different stress on chlorophyll fluorescence parameters of Aquilaria sinensis
荧光参数
Chlorophyll fluorescence parameters处理
Treatment处理时间(月) Time(Month) 1 3 6 初始荧光 F0 对照 CK 367.54±5.06 Bb 398.22±15.48 Ba 395.89±7.79 Ca 真菌胁迫 BS 504.23±12.38 Aa 498.78±13.55 Aa 424.78±13.38 Bb 机械损伤胁迫 AS 488.91±20.14 Aa 473.22±29.98 Aa 443.56±15.84 Ab 最大荧光 Fm 对照 CK 1961.74±60.12 Aa 1964.11±94.97 Aa 2034.56±7.79 Aa 真菌胁迫 BS 1848.52±96.62 Ba 1675.67±137.16 Bb 1988.00±81.95 Aa 机械损伤胁迫 AS 1717.40±74.17 Cc 1606.44±77.05 Bb 2014.78±95.11 Aa 可变荧光 FV 对照 CK 1594.20±60.34 Aa 1565.89±106.40 Aa 1638.67±35.96 Aa 真菌胁迫 BS 1344.29±105.83 Bb 1176.89±148.09 Bc 1563.22±71.85 Aa 机械损伤胁迫 AS 1228.49±75.06 Cb 1133.22±101.73 Bb 1571.22±102.19 Aa 最大光能转换效率 FV/Fm 对照 CK 0.81±0.01 Aa 0.80±0.02 Aa 0.81±0.01 Aa 真菌胁迫 BS 0.73±0.02 Bb 0.70±0.03 Bb 0.79±0.01 Ba 机械损伤胁迫 AS 0.71±0.02 Bb 0.70±0.03 Bb 0.78±0.02 Ba PSⅡ潜在活性 FV/F0 对照 CK 4.34±0.18 Aa 3.95±0.40 Ab 4.14±0.16 Aab 真菌胁迫 BS 2.67±0.26 Bb 2.37±0.35 Bb 3.68±0.12 Ba 机械损伤胁迫 AS 2.52±0.20 Bb 2.42±0.36 Bb 3.55±0.32 Ba 注:表中数据为平均值±标准误,不同大写字母表示处理间在同一时间差异显著(p<0.05)。不同小写字母表示同一处理在不同时间间差异显著(p<0.05)。
Notes: Data are presented in the mean ± SE.Different capital letters indicate the significant differences at p<0.05 level among treatments at the sampling time.Different small letters indicate that the same treatment has significant differences at p<0.05 level in the different sampling time. -
[1] 徐大平, 杨曾奖, 梁坤南, 等. 华南5个珍贵树种的低温寒害调查[J]. 林业科学, 2008, 44(5):1-2. doi: 10.3321/j.issn:1001-7488.2008.05.001 [2] 王 军, 王宇光, 杨锦玲, 等. 2种白木香所产沉香的木材组织构造和化学成分比较[J]. 林业科学, 2019, 55(7):146-154. doi: 10.11707/j.1001-7488.20190716 [3] 张玉臣, 周再知, 梁坤南, 等. 不同植物生长调节剂对白木香扦插生根的影响[J]. 林业科学研究, 2010, 23(2):278-282. [4] 高志晖, 赵文婷, 孙佩文, 等. 世界各国(地区)沉香资源与保护[J]. 中国现代中药, 2017, 19(8):1057-1063. [5] Naziz P S, Das R, Sen S. The scent of stress: evidence from the unique fragrance of agarwood[J]. Frontiers in Plant Science, 2019, 10(6): 840. [6] Ge L, Dong W H, Yang J L, et al. Monitoring the Chemical Profile in Agarwood Formation within One Year and Speculating on the Biosynthesis of 2-(2-Phenylethyl) Chromones[J]. Molecules, 2018, 23(6): 1261. doi: 10.3390/molecules23061261 [7] Akter S, Islam M T, Zulkefeli M, et al. Agarwood production-a multidisciplinary field to be explored in Bangladesh[J]. International Journal of Pharmaceutical and Life Sciences, 2013, 1(2): 22-32. [8] Jung D. The cultural biography of agarwood–perfumery in Eastern Asia and the Asian neighbourhood[J]. Journal of the Royal Asiatic Society, 2013, 23(1): 103-125. [9] Turjaman M, Hidayat A, Santoso E. Development of agarwood induction technology using endophytic fungi[M]. Singapore: Springer, 2016: 57-71. [10] 张 争, 杨 云, 魏建和, 等. 白木香结香机制研究进展及其防御反应诱导结香假说[J]. 中草药, 2010, 41(1):156-159. [11] Li W, Chen H, Wang H, et al. Natural products in agarwood and Aquilaria plants: chemistry, biological activities and biosynthesis[J]. Natural Product Reports, 2020, 38(3): 528-565. [12] 廖 格, 赵美丽, 宋希强, 等. 整树结香法所产沉香的GC-MS分析[J]. 热带作物学报, 2016, 37(2):411-417. doi: 10.3969/j.issn.1000-2561.2016.02.031 [13] 王东光, 张宁南, 杨曾奖, 等. 20种真菌对白木香挥发油成分的影响[J]. 华南农业大学学报, 2016, 37(5):77-83. doi: 10.7671/j.issn.1001-411X.2016.05.014 [14] Zhang Z, Wei J, Han X, et al. The sesquiterpene biosynthesis and vessel-occlusion formation in stems of Aquilaria sinensis (Lour. ) Gilg trees induced by wounding treatments without variation of microbial communities[J]. International journal of molecular sciences, 2014, 15(12): 23589-23603. doi: 10.3390/ijms151223589 [15] 邓加艾, 戴好富, 王宇光, 等. 沉香样品中曲霉属真菌菌株HNWSW-20的分离鉴定及其次生代谢产物的研究[J]. 热带作物学报, 2018, 39(8):1618-1624. doi: 10.3969/j.issn.1000-2561.2018.08.022 [16] Liu Y, Chen H, Yang Y, et al. Whole-tree agarwood-inducing technique: an efficient novel technique for producing high-quality agarwood in cultivated Aquilaria sinensis trees[J]. Molecules, 2013, 18(3): 3086-3106. doi: 10.3390/molecules18033086 [17] Xu Y, Liao Y, Zhang Z, et al. Jasmonic acid is a crucial signal transducer in heat shock induced sesquiterpene formation in Aquilaria sinensis[J]. Scientific Reports, 2016, 6(1): 1-9. doi: 10.1038/s41598-016-0001-8 [18] Liu J, Xu Y, Zhang Z, et al. Hydrogen peroxide promotes programmed cell death and salicylic acid accumulation during the induced production of sesquiterpenes in cultured cell suspensions of Aquilaria sinensis[J]. Functional Plant Biology, 2015, 42(4): 337-346. doi: 10.1071/FP14189 [19] 吕菲菲, 孙佩文, 刘培卫, 等. 伤害诱导白木香愈伤组织形成倍半萜过程中活性氧的产生和积累[J]. 中国药学杂志, 2019, 54(23):1939-1944. [20] Sun P, Xu Y, Yu C, et al. WRKY44 represses expression of the wound-induced sesquiterpene biosynthetic gene ASS1 in Aquilaria sinensis[J]. Journal of Experimental Botany, 2020, 71(3): 1128-1138. [21] 宋晓琛, 黄桂华, 王西洋, 等. 无机盐、激素与真菌联合诱导土沉香抗逆能力的研究[J]. 植物研究, 2019, 39(4):505-513. doi: 10.7525/j.issn.1673-5102.2019.04.004 [22] Chang C, Yang M, Wen H, et al. Estimation of total flavonoid content in propolis by two complementary colorimetric methods[J]. Journal of food and drug analysis, 2002, 10(3): 178-182. [23] Ghorai N, Chakraborty S, Gucchait S, et al. Estimation of total Terpenoids concentration in plant tissues using a monoterpene, Linalool as standard reagent[J]. Protocol Exchange, 2012. [24] 郭 燕, 沈雅飞, 程瑞梅, 等. 水淹持续胁迫对湿地松光合特性及生理生化的影响[J]. 林业科学研究, 2021, 34(2):141-148. [25] Aerts N, Pereira M M, Van W S C. Multiple levels of crosstalk in hormone networks regulating plant defense[J]. The Plant Journal, 2021, 105(2): 489-504. doi: 10.1111/tpj.15124 [26] Yu S, Lo S, Ho T D. Source–sink communication: regulated by hormone, nutrient, and stress cross-signaling[J]. Trends in Plant Science, 2015, 20(12): 844-857. doi: 10.1016/j.tplants.2015.10.009 [27] Zhang H, Zhao Y, Zhu J. Thriving under Stress: How Plants Balance Growth and the Stress Response[J]. Developmental Cell, 2020, 55(5): 529-543. doi: 10.1016/j.devcel.2020.10.012 [28] Hou X, Ding L, Yu H. Crosstalk between GA and JA signaling mediates plant growth and defense[J]. Plant Cell Reports, 2013, 32(7): 1067-1074. doi: 10.1007/s00299-013-1423-4 [29] 石 婧, 刘东洋, 张凤华. 棉花幼苗对盐胁迫的生理响应与耐盐机理[J]. 浙江农业学报, 2020, 32(7):1141-1148. doi: 10.3969/j.issn.1004-1524.2020.07.01 [30] 张 慧, 黄秀凤, 徐华潮. 松材线虫自然侵染后松树感病进程中光合作用及抗氧化酶活性的变化[J]. 环境昆虫学报, 2014, 36(2):139-144. [31] Shikano I, Pan Q, Hoover K, et al. Herbivore-induced defenses in tomato plants enhance the lethality of the entomopathogenic bacterium, Bacillus thuringiensis var. kurstaki[J]. Journal of Chemical Ecology, 2018, 44(10): 947-956. doi: 10.1007/s10886-018-0987-4 [32] 柯笑楠, 胡海超, 黄 霞, 等. 水稻抗坏血酸氧化酶基因家族生物信息学分析[J]. 分子植物育种, 2020, 18(1):11-19. [33] 林源秀, 顾欣昕, 汤浩茹. 植物谷胱甘肽还原酶的生物学特性及功能[J]. 中国生物化学与分子生物学报, 2013, 29(6):534-542. [34] Li J, Zhou H, Zhang Y, et al. The GSK3-like kinase BIN2 is a molecular switch between the salt stress response and growth recovery in Arabidopsis thaliana[J]. Developmental Cell, 2020, 55(3): 367-380. doi: 10.1016/j.devcel.2020.08.005 [35] 夏 蕴, 巢建国, 谷 巍, 等. 倒春寒胁迫与恢复对茅苍术生长、生理及关键酶基因的影响[J]. 中成药, 2020, 42(8):2187-2191. doi: 10.3969/j.issn.1001-1528.2020.08.045 [36] Ahuja I, Kissen R, Bones A M. Phytoalexins in defense against pathogens[J]. Trends in Plant Science, 2012, 17(2): 73-90. doi: 10.1016/j.tplants.2011.11.002 [37] 张 争, 杨 云, 魏建和, 等. 白木香茎中内源茉莉酸类和倍半萜类物质对机械伤害的响应[J]. 园艺学报, 2013, 40(1):163-168. [38] 郑春芳, 陈 威, 刘伟成, 等. 低温胁迫后红树植物秋茄幼苗光合特性及蔗糖代谢的恢复机制[J]. 生态学杂志, 2020, 39(12):4048-4056. [39] 郭菊兰, 朱耀军, 文菀玉, 等. 秋茄幼苗光合特性对寒害的响应[J]. 林业科学研究, 2018, 31(6):63-68. [40] 华建峰, 韩路弯, 王芝权, 等. 完全淹水解除后‘中山杉407’生长及光合特性的恢复[J]. 南京林业大学学报:自然科学版, 2017, 41(5):191-196. [41] 王树凤, 施 翔, 陈益泰, 等. 遮荫对弗吉尼亚栎苗木生长及光合-荧光参数的影响[J]. 林业科学研究, 2019, 32(5):99-106. [42] 李秋利, 高登涛, 魏志峰, 等. 桃幼苗叶片叶绿素荧光特性和抗氧化酶活性对二氧化硫胁迫的响应[J]. 果树学报, 2018, 35(11):1374-1384. [43] 马迎莉, 高 雨, 袁婷婷, 等. 重金属铬胁迫对髯毛箬竹光合特性的影响[J]. 南京林业大学学报:自然科学版, 2019, 43(1):54-60. [44] 何天友, 于增金, 沈少炎, 等. 花吊丝竹对干旱胁迫的光合和生理响应[J]. 森林与环境学报, 2020, 40(1):68-75.