挥发物介导的植物防御新机制：胡椒目植物通过激活TRPA1通道驱避草食性哺乳动物

《Communications Biology》：Molecular defense strategy of volatile organic compound-emitting plants (order Piperales) against herbivorous mammals

　　植物如何有效防御草食性哺乳动物是生态学与进化生物学的重要问题。本研究以富含挥发物（VOCs）的胡椒目（Piperales）植物为对象，发现其关键成分鱼腥草素（houttuynin）的衍生物SH可特异性激活草食动物（如牛、羊）的TRPA1离子通道，触发厌恶行为。该机制依赖TRPA1保守半胱氨酸残基（C621/C641），揭示了植物通过靶向动物感觉通路的跨物种防御策略，为植物-动物互作研究提供了新视角。

　　

在漫长的进化历程中，植物与草食动物之间上演着一场无声的“军备竞赛”。为了抵御被取食的命运，植物发展出五花八门的防御策略，例如长出尖刺硬壳作为物理屏障，或合成有毒的生物碱、氰苷等化学物质。其中，植物释放的挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds, VOCs）扮演着双重角色：它们既能直接驱赶啃食者，又能作为“求救信号”吸引害虫的天敌。然而，以往的研究多集中于植物与昆虫等小型草食者的互动，对于植物如何应对牛、羊等大型草食哺乳动物的取食压力，其分子层面的“兵法”仍笼罩在迷雾之中。

为了解决这一科学问题，一项发表在《Communications Biology》上的研究将目光投向了胡椒目（Piperales）植物。该目植物（如鱼腥草、胡椒等）以其浓烈气味著称，是研究VOCs介导防御的理想模型。研究人员提出一个大胆的假设：胡椒目植物可能演化出一种保守的化学防御机制，通过其VOCs激活草食哺乳动物共同的感官“警报器”——TRPA1离子通道，从而有效劝退这些大型取食者。

为了验证这一假说，研究团队综合运用了多种技术方法。他们首先通过系统发育分析和行为学实验，确认胡椒目植物中VOCs释放物种的比例显著高于其他植物目，且这些植物的气味能有效引起山羊和牛的厌恶行为。以鱼腥草（Houttuynia cordata）为主要模型，研究人员利用其挥发性成分鱼腥草素（houttuynin）的稳定衍生物——鱼腥草素钠（Sodium Houttuyfonate, SH）作为关键工具化合物。通过双瓶偏好测试、钙成像、膜片钳电生理记录、基因敲除（TRPA1-KO）小鼠模型、嗅觉剥夺模型、定点突变以及实时定量PCR等技术，深入探究了SH如何特异性作用于感觉神经元上的TRPA1通道，并最终引发行为回避的完整信号通路。研究还特别关注了从昆明当地获取的牛、山羊等草食动物的行为反应及其TRPA1通道的功能。

Piperales exhibits high richness in VOC-emitting plants

研究人员通过系统调查发现，在胡椒目1333个物种中，约有11.63%（155种）能够释放VOCs，而作为对照的酢浆草目（Oxalidales）876个物种中仅有0.68%（6种）具备此特性。在属水平上，胡椒目45%的属（9/20）含有释放VOCs的物种，远高于酢浆草目的10.34%（6/58）。行为实验进一步证实，代表植物鱼腥草的气味能有效驱避山羊，凸显了胡椒目植物在VOCs介导的化学防御方面的显著富集。

VOCs activate a subset of somatosensory neurons

研究表明，鱼腥草粗提物及其关键成分SH能引发野生型小鼠的厌恶行为。钙成像实验显示，SH能特异性激活小鼠三叉神经节（Trigeminal Ganglion, TG）中一个特定的神经元亚群，这些神经元同时也对TRPA1和TRPV1通道的特异性激动剂有反应，提示SH可能通过作用于这些感觉通道发挥作用。

SH selectively activates TRPA1 channels

通过异源表达系统和膜片钳技术，研究证实SH能直接、选择性地激活TRPA1通道，并呈现剂量依赖性，其半数最大效应浓度（EC₅₀）为343.10 μM，而对其他相关的化学感受通道（如TRPV1、TRPV2、TRPV3、TRPM8、ASICs、OTOP1）则无显著影响。单通道记录表明，SH通过增加TRPA1通道的开放频率来增强其活性。

SH targets TRPA1 to induce aversive behavior in mice

在TRPA1基因敲除（TRPA1-KO）小鼠中，SH既不能引起三叉神经元的钙信号响应，也无法诱发厌恶行为，明确了TRPA1是SH发挥作用的必要靶点。进一步研究发现，TRPA1在鼻腔黏膜中高表达，且通过嗅觉剥夺模型证实，SH主要通过鼻腔内的TRPA1通道介导其厌恶效应。

SH targets the intracellular allosteric nexus of TRPA1

机制研究表明，SH能够穿透细胞膜，从胞内侧不可逆地激活TRPA1通道。通过定点突变和药理学实验，研究人员鉴定出TRPA1通道上两个关键的半胱氨酸残基C621和C641是SH结合并激活通道的重要位点。

Houttuynia cordata leaf scent deters herbivores

喂养试验直接证明，山羊和牛会主动拒绝取食鱼腥草叶片或用SH喷洒过的甘薯叶，而对照植物则被欣然接受，有力证实了鱼腥草素在自然环境下对草食哺乳动物的驱避作用。

SH activates herbivorous TRPA1 orthologs

最后，研究跨物种验证了SH能有效激活来自马、牛、山羊、林麝等多种草食动物的TRPA1通道直系同源物。序列比对显示，TRPA1上关键的激活位点（C621, C641）在草食动物中高度保守，这揭示了胡椒目植物利用VOCs靶向一个在草食动物中保守的感觉通路，从而实现广谱防御的进化策略。

综上所述，本研究揭示了一条从植物挥发性信号分子（鱼腥草素/SH）到草食动物感觉神经元关键离子通道（TRPA1），最终引发行为回避的完整分子通路。这不仅阐明了胡椒目植物一种新颖且保守的化学防御机制，证明了植物能够“聪明”地利用动物体内保守的感官系统（如TRPA1）来实现自我保护，为理解植物与草食动物间复杂的协同进化关系提供了全新的分子视角，也为未来开发环境友好的生物驱避剂或作物抗虫育种策略提供了潜在的理论基础和新靶点。