植物防御性性狀綜述

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本文作者：武延生 單位：河北邢臺學院生物化學系

植物毒素是植物次生代謝產(chǎn)物，具有系統(tǒng)演化的特性，對植物自身的生長發(fā)育不是必需的，還可能有一定的負面影響，但可以對其天敵進行一定程度的反制。如馬鈴薯綠色部分的茄堿、艾蒿中的揮發(fā)性油、漆樹中的乳汁等。一般而言，植物的幼嫩組織是無毒的，或者毒性較小，而在老組織中積累較多，這和進化發(fā)育生物學的觀點是符合的，即負責制造植物毒素的基因應(yīng)該在植物發(fā)育的晚期表達，否則可能對植物的生長發(fā)育帶來災(zāi)難性的后果[1]。大多數(shù)植物都有毒，只是性質(zhì)、程度有別。草食動物(包括人)的多樣化飲食是防止特定毒素在體內(nèi)大量積累一種反制措施[2]。據(jù)報道，恐龍的滅絕可能與植物發(fā)展出新毒素有相關(guān)性。英國科學家托尼•斯韋因認為，恐龍的滅絕可能與被子植物的出現(xiàn)有關(guān)，在被子植物的組織內(nèi)含有大量的生物堿，如瀉花堿、馬錢子堿等，恐龍將其攝入后，由于毒素積累而造成死亡、滅絕。此外，產(chǎn)生毒素也是營固著生活的真菌的御敵方式，某些動物(如毒蛇、蟾蜍等)也利用毒素作為進攻或防御的手段。大多數(shù)種子都是有毒的，因為種子一旦被吃掉分解，植物的最核心利益———生殖就被破壞了[2]。制造毒素是植物的一種常規(guī)策略，在毒素的制造上可謂極盡微妙，當然這是自然選擇保留的本能行為而非“有意識”為之。有些植物在動物啃食之后，其毒素含量增加，如馬鈴薯和番茄，在人工損傷后，蛋白酶抑制劑含量增加。有些植物在受到傷害后，能產(chǎn)生新的毒素，如受到樹蜂傷害的松樹，其酚代謝改變，而產(chǎn)生新的化學物質(zhì)[3]。由此可見，植物毒素的產(chǎn)生不是植株正常代謝的組成性物質(zhì)，而是刺激(誘導)后的產(chǎn)物，這可能是通過信號轉(zhuǎn)導的途徑來進行的。植物毒素可用于入藥[4]，基于此，人們設(shè)想通過細胞培養(yǎng)的方法提取植物毒素，但植物毒素在產(chǎn)生時的誘導性特點決定了在實驗室條件下生產(chǎn)植物毒素，可能有大量的基礎(chǔ)問題需要解決，如植物毒素生物合成的信號途徑、加工過程等。

植物的防御性特化結(jié)構(gòu)的形成可發(fā)生在亞細胞、細胞、組織和器官等不同水平上。細胞壁是植物細胞的重要結(jié)構(gòu)，某些防御性細胞的壁特異加厚，形成含有木質(zhì)的次生壁，如梨果肉中的石細胞成簇存在，形成堅硬的顆粒[5]，影響動物的口感，迫使動物吐出，以給種子萌發(fā)留下充足的營養(yǎng)。此外，在種子的果皮和種皮中普遍存在大量石細胞[5]，對種子進行機械保護，這也是自然選擇對植物生殖利益的維護。堅硬的果皮和種皮對種子的萌發(fā)有一定的阻礙作用，但相對于被吃掉的嚴重后果而言，植物不得不作出妥協(xié)，即自然選擇在被吃掉和難萌發(fā)之間進行了平衡，以實現(xiàn)有效生殖的最大利益。制造堅硬的果皮、種皮和制造種子毒素都是為生殖利益服務(wù)的，二者兼具顯然可以更有效地保護種子，但植物付出的代價也更大，如產(chǎn)生的種子數(shù)目減少，對生殖資源是一種損失。自然選擇在此進行了巧妙的平衡，凡是具有堅硬果皮、種皮的種子一般無毒或少毒，但也不乏例外，如橡樹籽既具有堅硬的外殼也含有毒素[2]。表皮是植物體最外面的保護組織，在表皮上除了具有分泌多種毒素的分泌結(jié)構(gòu)外，還有的特化形成皮刺，刺傷取食者的口腔以自我保護，如玫瑰莖上的皮刺。形成刺狀結(jié)構(gòu)可能是一種有效的防御手段，多種不同來源的結(jié)構(gòu)也特化成了刺，如葉刺和莖刺，前者是由葉變態(tài)而來，如刺槐的托葉特化為刺；后者由莖變態(tài)而來，如山楂、皂莢上的刺。有些植物的種子上帶有刺狀結(jié)構(gòu)，如蒼耳、蒺藜上的皮刺，這可謂“武裝到牙齒”的生動體現(xiàn)，可對其生殖資源進行有效保護。此外對蒼耳而言，其皮刺在防御的基礎(chǔ)又發(fā)展出幫助種子散播的作用—其皮刺上有倒勾，可以黏附在動物的皮毛上。某些刺狀結(jié)構(gòu)的殺傷程度尚具有類似動物的“學習”行為，如懸鉤子的皮刺在被牛啃食后變得長而尖[3]。

植物營固著生活，所有的細胞都被細胞壁束縛著不能自由移動，所以，植物體內(nèi)不存在形成免疫系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，植物細胞程序性死亡可為抵御病原微生物的侵染提供一定的保障。當植物細胞被病原微生物侵染時，可引起過敏反應(yīng)，致宿主細胞程序性死亡，抑制病原微生物的生存和進一步侵染。這種通過部分細胞的死亡而換來整個植株的生存并最終服務(wù)于該植株有效繁殖的措施，是為自然選擇所保留的。此外，木栓是形成周皮的一種細胞，是由死亡細胞構(gòu)成的，對氣體、有機溶劑有一定的隔絕作用[6]，但未見木栓細胞對病原微生物的隔絕作用的報道，基于木栓細胞的以上作用，相信在木栓細胞在隔絕病原微生物方面也發(fā)揮一定的作用。部分細胞通過程序性死亡的方式來保全整個植株的生存，并最終服務(wù)于有效生殖的利益，不但是發(fā)育的需要[7]，也是抵御外來微生物入侵的重要方式，如上述的石細胞即已死亡。不獨植物如此，動物也采取了同樣的方式，如構(gòu)成哺乳動物的毛發(fā)和指甲均是已死亡的細胞，這些死細胞構(gòu)成的組織對動物的保暖、隱匿和恫嚇等發(fā)揮一定的作用。

植物相對高等動物而言具有很高的生殖效率，在一個生殖周期內(nèi)所產(chǎn)生的種子(孢子)較動物要高出很多倍。這樣可以達到兩個效果：子裔數(shù)量的增多和遺傳多樣性的增加，這可以為植物迅速補充被草食動物、病原微生物等致死的植株數(shù)量和快速進化以努力適應(yīng)生存斗爭創(chuàng)造條件。這可能是處于食物鏈下層的生物所普遍采取的策略，如部分魚類，可產(chǎn)生大量的精子、卵子。植物又是長壽命的，從這一點上看，壽命是生殖的手段。

從系統(tǒng)演化上來看，多細胞的生物是從單細胞生物進化而來的，單細胞狀態(tài)的生物以分裂方式繁殖后代，但到了多細胞狀態(tài)時，大部分細胞放棄了無限分裂的性質(zhì)，構(gòu)建成特定的組織器官，為少數(shù)生殖細胞服務(wù)，最終服務(wù)于整個個體的有效繁殖，這種細胞間協(xié)作的策略可為自然選擇所保留。植物處于食物鏈底層，是其它生物掠殺的對象，作為補償，所有的生活細胞均保留長成整個植株的全能性。在植株上存在三種分生組織：頂端分生組織、側(cè)生分生組織和居間分生組織，其中頂端分生組織位于根莖的頂端，在植株存續(xù)期間始終保持胚性，不斷形成新的組織器官，以有效捕獲光能并補充草食動物啃食所造成的損失，同時也賦予了植物形態(tài)上的可塑性。相對而言，動物成體和幼體的器官和體形保持“相似性”[8]。

植物普遍具有營養(yǎng)生殖方式，如在根、莖、葉等營養(yǎng)器官上具有產(chǎn)生不定根和不定芽的特性，可在離體條件下發(fā)展成為新的獨立生活的植株[5]。不定根、不定芽是由薄壁細胞反分化而來，這可以認為是由薄壁細胞的胚性決定的。在植物中存在多種無融合生殖方式，如由卵細胞不經(jīng)過受精直接發(fā)育為胚的孤雌生殖，由助細胞、反足細胞或極核等非生殖細胞發(fā)育為胚的無配子生殖，或由珠心或珠被細胞直接發(fā)育為胚的無孢子生殖[5]，這表明，細胞發(fā)育為胚可能是胚囊中的特定環(huán)境造成的，而和細胞本身的特性關(guān)系不大，即側(cè)面反映這些細胞具有幾乎相同的胚性。