摘要：伤害不仅导致受伤点，而且导致该植株远离受伤点区域的基因表达发生改变。通过分子学研究，若干化学因子被认为是远程信号。

植物没有相当于动物免疫系统的专门化的细胞群，相反，整个植株的所有细胞都有识别外来物和自身的能力。因此，植物表面的任何一点受到的刺激都可能被觉察到。最近的资料也表明，接触（如自然界的雨点或阵风）可以引起基因表达的迅速改变。这为植物已经演化出一个高度敏感和有效的监测环境变化的系统的观点，提供了重要的生理学的证据。

事实表明，在受刺激点的附近和该植株的其他部分（常常远离受刺激的部位）都能引起分子反应，表明刺激能引起局部和远程的作用，由于一个细胞或一小群细胞内发生的局部变化能引起整个器官系统或各系统的全身变化，因此远距离或整株的反应非常迅速，而且包括反应的大规模放大。植株内远距离的协同作用可以各种方式产生，例如，通过代谢调节和渗透——来源关系，这正是目前转基因研究的课题。而本文将集中讨论防御应答过程（如由物理损伤或病原体攻击引起的）中发生的远距离作用。

本文中引起极大兴趣的实验系统是茄科植物，尤其是西红柿和马铃薯的创伤应答系统。克莱因斯 · 利安（Clarence Ryan）和他的同事于1972年发现，西红柿一张叶片受到的伤害可导致受伤的叶片和同一植株其他未受伤的叶片中蛋白酶抑制剂（PI）蛋白水平提高；如果受伤的叶片被迅速摘除，植株的其他部分就没有反应，这表明，从受伤点传出的“信号”引起了整个植株的变化。假定的信号被命名为蛋白酶抑制剂诱导因子（PIIF），据推测为一种能被释放并在植株体内运输传递的化学物质。虽然PIIF精确的化学成分还不知道，但是在创伤应答方面的研究，已经开拓了关于系统信号的新思路和用几个不同的分子作为PIIF替代物的新方法。

关于这些研究的一个典型的实验系统是一株有2~3张展开的叶片的幼小植株。一般将整张受伤的叶片定义为原点，在不同的叶片内检测系统反应，这是一种过分简化的方法，因为只有受伤害直接影响的细胞建立信号，而其他细胞，不论在同一叶片内还是在不同的小叶片内，都是作出系统反应。一般情况下，两个基因被用作创伤应答的“标志基因”，它们分别编码PI蛋白1和2。可用几种方法对它们进行分析。例如，PI启动基因活性用转基因方法检测。PI转录水平采用northern分析，PI蛋白水平采用放射性免疫扩散分析，或许PI活性的变化也能测定。这些实验表明，PI基因不仅局部而且系统地激活，但又逐渐认识到，几个附属基因的表达也许也可以改变，其中一些发生在原点，而另一些在原点和远处，这些基因和那些编码PIS的基因相比有着显著不同的空间和时间调节形式。

用于深入了解参与创伤应答的分子的实验途径有两种（都是检测PI诱导作用），它们是通过把化学药品施加于叶片上，或者切割了的植物的茎切口来检测化学药品的作用。表面施用的效果取决于能否通过角质层吸收而进入细胞内；施加于茎切口的化学药品的作用效果同样很复杂，因为试剂可以在切口诱导局部反应，或者通过蒸腾流被叶片吸收而仅在叶片“局部”起作用。实验证明，所有被认为是PIIF（或植物内信息）替代物的各种化学试剂是上述一种或两种途径中PIS的正诱导剂。但关键问题尚未解决，即这一定就和体内的创伤应答是同样的功能吗？它们激发植物体内PIS诱导作用的能力，也许仅仅反映了它们在联系创伤和基因活化的内源信号链内的模仿或诱导反应的能力。

PIS能通过在茎切口施加物质而在植物体内诱导出来的第一个证据包括经高压蒸煮的西红柿叶片的水溶性提取物。在这些研究中，所有的提取物都称为PIIF。尽管提取物中负责诱导作用的物质的活性可通过一系列分子影响得到恢复，但它的精确的分子种类一直没有确定。根据以往的研究，以下讨论的每个潜在的分子都可能对提取物的活性起作用。值得注意的是，提取物的活性只有通过实验植物的茎切口施加才能表达，而直接通过叶片施加则不起作用。不过，我们认为提取物中具活性的信号，与假定从受伤的叶片运至整个植株的活动信号是一致的。

虽然有活性的分子种类还没有明确，但已经发现果胶多糖片断作用的一些证据。测试提纯的片断，发现茎切口施加低聚半乳糖能诱导PIS。这一结果表明，叶片的创伤能引起细胞壁结构多聚糖的断裂，低聚糖释放并进入维管系统，它们像PIIF一样作为系统信号在整个植株内运输。然而当向叶片的受伤点施加放射性同位素标记的低聚糖，证明没有标记排出，这与以同样方式施加的放射性同位素标记的蔗糖的流动性形成对比。多聚糖片断只有通过茎切口施加才诱导PIS，这一特征使PI应答和其他防御应答区别开来。而相应的低聚糖诱导物渗入叶片内时，仅诱导防御产物的局部聚集。

生长调节剂脱落酸（ABA）是PIIF的另一个替代物。向完整的马铃薯植株的叶片上喷ABA（10~100μm），被喷的和未喷的叶片内PI转录本水平均提高。结合ABA-缺乏突变体的资料以及创伤应答过程中受伤和未受伤叶片中内源ABA水平都提高的事实，可以推测，生长调节剂是“系统创伤——应答的实际介质”。PIS诱导过程中生长调节剂的作用以前已经检测过。令人惊奇的是，在其他实验室所用的不同的条件下，ABA并不影响PI蛋白水平或PI启动子活性，而当通过PI活性水平的变化进行分析时，发现ABA能抑制植物对低聚糖的反应。

PIIF的一个更近的替代物是甲基茉莉酮酸酯，它是一种能在多种植物中诱导许多反应的天然存在的挥发性化合物，把它喷在西红柿植株上，能诱导被喷的植株和对照植株内PI蛋白水平的提高。把植株暴露在甲基茉莉酮酸酯浓度为10~100 ml/1250 ml的密室中，5小时内引起叶片PI蛋白聚集，暴露30分钟就足以启动反应。将西红柿植株和已知含有甲基茉莉酮酸酯的一株植物的多叶枝条共培养，也能诱导PIS；而将一个刷过源植株棉拭和西红柿植株共培养，效果同样很好。这表明在信号源和应答植物间不要求有直接的联系，因而启示植物内有一个“通讯”的机制，理论上它能操纵在生态系统内激活防御反应。值得重视的是，不论怎样，受伤的西红柿和未受伤的植株共培养，不会引起未受伤的对照的PIS诱导；而且尚不知道甲基茉莉酮酸酯是天然存在于西红柿植物内，还是实际上是从受伤的西红柿植株中释放出来的。如果不是天然存在的话，那么和已知的这种化合物含量较高的植株共培养，也许相当于把这一系统理解为用一瓶拔去塞子的试剂作为来源。有人认为，甲基茉莉酮酸酯（或它的内酯化衍生物甲基茉莉酮酸）“可能是创伤应答过程中细胞内信号的一个关键成分……”，不过还没有证据支持这个假设。正如人们所期望的，这种化合物通过茎切口施加于切割了的植株将诱导PIS，它的效果也已被其他几个实验室（L Willmitzer及其同事和DJB及其同事，未发表的结果）所证实。

最近的研究认为，具活性的系统信号是一种肽，由于它在非常低的浓度下的活性（通过茎切口施加于切割植株），Ryan及其同事把它称为“超PIIF”。这种18肽位于一种含有186个氨基酸的蛋白质的C末端，它在西红柿植物中由一个单拷贝基因编码。通过Northern分析，发现叶柄、茎和花（不包括根）含有编码从中能分离18肽的蛋白质的转录本。在叶片中，表达是创伤可诱导的。事实上，编码蛋白质mRNA能在比受伤点更高的水平上系统地诱导。由于在预期转录产物的N末端没有信号顺序，蛋白质似乎未必是含密码的。尽管该基因产物已被命名为PIIF（暗示起某种活性信号的作用），但它的系统诱导能力及其细胞液定位却与这种可能性相矛盾。

显然，当一系列多种多样的分子加到西红柿或马铃薯植株上时，能引起PI基因表达的改变。在机体创伤应答过程中这些功能是否仍然保留还有待确定，而且还没有明确的证据能证明它们中任何一个构成系统信号。但是，活动的化学物质在整个植株内运输就一定是系统信号传递的唯一方式吗？我们对创伤应答抑制物的研究显示，质膜上的离子流是信号传递的一个重要成分。植物和离子流抑制剂（如钒酸盐）或影响离子运动的试剂（如阿斯匹林和壳梭孢菌素）一起预培养，能阻止低聚糖或受伤对PI活性的诱导。低聚糖也能诱导膜电位迅速而可逆的变化，而这种去极化作用在数量和速度上都相当于细胞受伤害所产生的。因此，信号由物理伤害的局部位置的传播可能是通过电传导系统（如已知由植物内局部热刺激引起的）传递的。事实上，植物内系统信号传递的一个机制，也许和原生多细胞生物或上皮所通用的由于细胞电偶联而产生信号的细胞内传递的机制相似。因此，实现远距离应答和必要的放大并不要求化学信号的运输，那么，整株植物的效果将依赖于应答能力和细胞个体间的信号转导途径。

将来关于创伤应答的工作，应该弄清楚体外发现的化学效应器在体内是否同样重要。确定反应链的每一步（包括从那些发生在创伤点的到那些引起应答的传递和远距离细胞基因活性改变的步骤）最终应该是可行的。这样，我们对植株体内和植株间的通讯就将有更多的了解。

[Current Biology，1991年1卷3期]