综述：葡萄糖氧化酶在植物-昆虫互作中作用机制的新模型

本综述系统梳理了葡萄糖氧化酶（GOX）在植物-昆虫相互作用中的双重角色（诱导/抑制防御），批判性评估了现有作用机制模型（如激素信号、H2O2信号、ROS清除效率及受体识别）的局限性。作者创新性地提出了“ROS阈值依赖性防御切换模型”，强调植物防御通路（JA/SA）的激活取决于由物种特异性抗氧化能力决定的H2O2浓度与持续性，并推荐以栽培番茄为模型系统验证该理论，为理解植食性昆虫唾液效应子的进化机制提供了新视角。

　　

在植物与植食性昆虫之间持续进行的协同进化军备竞赛中，昆虫唾液成分扮演着关键角色。其中，葡萄糖氧化酶（GOX）作为一种广泛存在于鳞翅目幼虫唾液中的酶，因其在不同植物物种中表现出截然相反的功能而备受关注：在栽培烟草（Nicotiana tabacum）等植物中，GOX能够抑制尼古丁等防御化合物的积累，充当效应子（Effector）；而在栽培番茄（Solanum lycopersicum）中，它却能诱导蛋白酶抑制剂等防御反应，作为激发子（Elicitor）。这种物种特异性的反应模式使得阐明GOX的作用机制成为理解植物-昆虫互作的核心问题之一。

葡萄糖氧化酶

GOX属于GMC氧化还原酶家族，其催化反应需要氧气参与，能将葡萄糖转化为过氧化氢（H₂O₂）和D-葡萄糖酸内酯。除了在昆虫唾液中发现，GOX也存在于蜜蜂和蜂蜜中，起到抗菌作用。根据功能，昆虫来源的化合物可分为效应子和激发子，而GOX被报道同时具备这两种功能。例如，烟青虫（Helicoverpa zea）的GOX能抑制烟草中尼古丁的积累。通常，广食性昆虫比寡食性昆虫含有更高水平的GOX，这可能与其需要应对更多样化的植物防御系统有关。此外，GOX还能引起番茄、大豆和玉米的气孔关闭，这可能减少植物挥发性信号，并改变挥发性有机化合物的释放谱，从而抑制某些间接防御。

然而，在番茄中，大量研究一致表明GOX是植物防御的激发子。用含有活性GOX的唾液腺提取物处理番茄，能显著诱导茉莉酸（JA）积累和JA诱导型基因（如PIN2）的表达，并导致胰蛋白酶抑制剂水平升高，最终使取食昆虫体重增长受抑制。昆虫唾液通过其唇部的吐丝器分泌，实验表明，灼烧甜菜夜蛾（Spodoptera exigua）幼虫的吐丝器（从而阻止唾液分泌）会导致拟南芥中JA水平大幅升高，这凸显了唾液成分在调控植物防御中的重要性。

GOX的作用机制

目前针对GOX如何影响植物防御信号提出了多种机制假说。

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  植物激素信号：一种观点认为GOX通过激活植物激素间的交叉对话发挥作用。早期研究推测GOX可能抑制JA或干扰其与其他激素途径（如水杨酸SA、乙烯ET）的互作。例如，有研究发现GOX可能负调控烟草中乙烯的生物合成，而乙烯已知能调节SA-JA的相互作用。然而，在SA缺陷型烟草中，GOX仍能抑制防御反应，且GOX在番茄中诱导JA防御的现象，表明单一激素途径难以解释所有观察结果，暗示存在物种特异性。
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  过氧化氢作为第二信使：另一种主流假说强调GOX催化产生的H₂O₂是关键信号分子。在番茄中，外源施加H₂O₂能模拟GOX的防御诱导效应。有模型提出，损伤后JA激活早期防御基因，而H₂O₂作为第二信使激活晚期防御基因。植物体内葡萄糖含量的差异可能导致H₂O₂产量不同，这在一定程度上解释了物种特异性反应。但该模型难以解释为何在其他物种中H₂O₂会激活SA途径。
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  ROS清除效率：该假说试图通过植物的抗氧化能力差异来解释物种特异性反应。不同植物对GOX处理表现出诱导、无反应甚至抑制防御等不同反应。研究表明，番茄和大豆中GOX能引起气孔关闭，而棉花则无反应。研究者推测，这种差异可能源于植物清除活性氧（ROS）效率的不同。高效的ROS清除系统可能使H₂O₂维持在较低水平，从而激活JA相关防御；而清除效率低的植物则可能因H₂O₂积累超过某个阈值转而激活SA途径。最近的研究也支持ROS清除能力差异导致植物反应不同的观点。
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  GOX及过氧化氢受体/传感器：有假说认为植物可能存在直接识别GOX或其产物H₂O₂的专门受体，类似于病原体识别中的R基因。然而，目前尚未发现此类GOX特异性受体。尽管在拟南芥中已鉴定出一些H₂O₂传感器（如HPCA1, PRXIIB），但它们是否特异性地参与GOX引发的信号通路尚不明确。大多数GOX现象似乎可以通过H₂O₂介导的反应来解释。

外部因素对GOX的调控

GOX的活性和表达受多种生物和非生物因素影响，导致其功能具有情境依赖性。例如，饲养温度会影响GOX含量，在较低温度下饲养的烟青虫唾液中含有更多GOX。昆虫的食料（如人工饲料与植物叶片）也会显著改变GOX活性。此外，昆虫体内的微生物（如细菌）以及多分DNA病毒（PDVs）等共生体也能调控GOX的表达。值得注意的是，GOX并非孤立起作用，昆虫唾液中的其他成分（如淀粉酶、果糖苷酶、葡萄糖苷酶）可通过水解多糖增加局部葡萄糖浓度，从而增强GOX的活性。唾液中的类胡萝卜素等抗氧化物质也可能影响局部的氧化还原状态。

GOX作用的新模型：ROS阈值依赖性防御切换

为了克服现有模型的局限性，本文提出了一个名为“ROS阈值依赖性防御切换模型”的新框架。该模型的核心要点是：昆虫取食和GOX分泌共同导致植物体内产生H₂O₂爆发。H₂O₂作为一种信号分子，其最终激活的防御途径（JA途径还是SA途径）取决于其浓度和持续时间，而这又由植物物种特异性、组织特异性（如叶片年龄）的ROS清除酶（如过氧化氢酶、过氧化物酶）的效率决定。

模型预测，当ROS清除系统高效时，H₂O₂能被快速清除，使其浓度维持在一个较低水平，从而作为JA途径的第二信使，激活JA相关的防御基因（如蛋白酶抑制剂）。反之，如果ROS清除效率低下，H₂O₂将持续积累并超过某个临界阈值，转而触发SA途径的激活。由于SA和JA途径之间存在拮抗作用，SA的积累会抑制JA介导的防御反应，从而使得GOX表现出防御抑制（效应子）的功能。该模型整合了H₂O₂的信号作用与植物的抗氧化能力，为解释GOX在不同植物中甚至同一植株不同叶片间的差异效应提供了统一框架。模型还指出，植物体内的葡萄糖可用性（GOX的底物）是决定H₂O₂产量的关键前提。

以栽培番茄为模型系统研究GOX作用

栽培番茄是研究GOX作用机制的理想模型系统。它不仅是重要的经济作物，也是植物-病理、逆境生物学和植物-昆虫互作研究的经典模式植物。其基因组已被测序，拥有丰富的遗传资源，包括基因编辑株系、JA/SA途径突变体（如NahG番茄）等。在番茄中，GOX明确表现为防御激发子，这有利于集中研究其诱导机制。研究者可以利用ROS荧光报告系统实时监测GOX处理后的H_{22动态，通过敲除关键ROS清除酶基因来模拟低效清除状态，观察防御反应是否从诱导转变为抑制，从而直接验证该模型。此外，比较番茄与对GOX反应不同（如抑制或无反应）的物种（如棉花、烟草）的ROS代谢谱和抗氧化酶活性，也有助于确定导致防御通路切换的关键阈值。}

结论与展望

GOX是研究植物-昆虫协同进化的一个焦点分子。本文回顾了其复杂多样的作用，并提出了一个整合性的新模型，将防御反应的结果与H₂O₂的浓度阈值和植物内在的ROS清除能力联系起来。未来的研究需要精确量化不同植物系统中GOX产生的局部H₂O₂动态，确定JA/SA通路切换的定量阈值，并探索GOX另一产物葡萄糖酸内酯/葡萄糖酸是否在改变细胞pH值、影响酶活性等方面起作用。利用番茄等成熟模型系统进行深入机制研究，将极大促进我们对这一重要昆虫效应子的理解，并揭示植物如何感知和整合来自植食者的复杂化学信号。