植物抗病性的分子机制和信号传导

第42卷2006年第2期 西　北　师　范　大　学　学　报(自然科学版)　Vol 142　2006　No 12 Journal of Northwest Normal University (Natural Science )　收稿日期:2005Ο03Ο23;修改稿收到日期:2005Ο05Ο23作者简介:李淮(1959—),男,甘肃临洮人,馆员.主要研究方向为生物信息学.・科研综述・植物抗病性的分子机制和信号传导李　淮1,王　莱1,武国凡1,于　玲2(11西北师范大学生命科学学院,甘肃兰州　730070;21南京农业大学作物遗传育种国家重点实验室,江苏南京　210000)摘　要:植物抗病性的分子机制一直是植物病理学关注的焦点.近年来,国内外不少学者和实验室正在大量分离和培养与抗病有关的突变体,并且寻找和研究与抗病有关的基因和抗病机制.研究表明,在病原物与植物的相互作用、病原信号的传导和抗病性激发的过程中存在着一系列的调节因子和基因,并形成复杂的调控网络.综述了近年来国内外植物抗病性的分子研究进展,阐述了植物抗病性分子机制和信号传导.关键词:植物抗病机制;信号传导;水杨酸中图分类号:Q 7:Q 94518 文献标识码:A 文章编号:10012988Ⅹ(2006)022*******The mechanism and signal t ransduction ofplant disease resistanceL I Huai 1,WAN G Lai 1,WU Guo Οfan 1,YU Ling 2(11College of Life Science ,Northwest Normal University ,Lanzhou 730070,G ansu ,China ;21National Key Laboratory of G enetics and Breeding ,Nanjing Agriculture University ,Nanjin 210000,Jiangsu ,China )Abstract :This article clarifies t he advance of mechanism and signal t ransduction of plant disease resistance.The mechanism of plant disease resistance is always t he focus of plant pat hology.Recently ,many mutant s related to plant disease resistance have been t rained and separated in many laboratory.Now new gene and mechanism about plant disease resistance are still seeked and researched.The result sindicate t hat series gene and regulation factors are involved in interaction between plant and pat hogen ,in signal t ransduction and in p rocess of stimulating disease resistance ,and t he complicated regulation net is established.K ey w ords :mechanism of plant disease resistance ;signal t ransduction ;salicylic acid 研究植物的抗病性不仅直接关系到作物产量和质量的提高,而且对于植物保护和环境建设也具有同样重要的意义.研究发现,植物的抗病性不仅与植物的种类有关,而且与病原物有直接关系.目前,对于病原物致病、植物抗病的分子生物学基础和信号传导方面的研究已取得了一系列进展.1　植物抗病性的分子机制111　病原菌致病的分子基础植物对病原物的反应有抗病和感病两大类:抗病反应又叫非亲和反应,这一系统是以寄主抗病和病原物无毒为特征,寄主植物对病原物有抑制、排斥和减毒作用,使病害不发生或受到限制;感病反应又叫亲和反应,以寄主感病和病原物有毒为特征,造成植物严重发病[1].通常由几类物质被认为是病原物致病因子,即毒素、酶类、胞外多糖及其它毒性因子.植物病害的症状类型与致病因子的性质有密切的关系,如腐烂通常认为与病菌的胞壁降解酶有关;坏死与毒素有关;萎蔫可能与毒素有关,也可能与胞外多糖有关;生长畸形与激素失调311西　北　师　范　大　学　学　报(自然科学版) 第42卷　Journal of Northwest Normal University(Natural Science) Vol142　有关等.研究表明,致病基因是决定病原菌与寄主建立亲和互作关系,进而影响植物正常生理功能的基因.致病基因主要包括三大类:1)毒性基因.这类基因对调控病害发生和发展是必需的.从其产物性质来看,有些基因直接编码生化性质清楚的致病因子,如胞外降解毒素和胞外多糖等;有些基因的编码产物与病原菌侵染过程中的生长发育和代谢功能有关;另一些基因编码产物的性质目前尚不清楚,但其在病原菌致病过程中起主要作用.如Weltring等通过建立强毒株系文库,获得毒性基因Pda,尽管还不清楚该基因产物的性质,但用其转化无毒菌株可恢复其侵染力.2)寄主范围决定基因.这类基因常常能决定和扩大病原物的寄主范围,使本来不感病的植株也变成敏感植株.3)无毒基因.是病原物中决定对带有相应抗病基因的寄主表现出特异不亲和无毒性的基因,其不仅具有决定病原小种特异性的作用,还有在更高水平上决定病原致病变种的特异性,所以也称寄主转化性基因或寄主范围基因[2,3].无毒基因的产物,由于能与寄主抗病基因产物互作,进而激发寄主的防卫反应,所以又称为激发子.激发子可以是无毒基因的直接产物,也可以是间接产物.已经用基因染色体步移法和分子杂交法从多种细菌\真菌和病毒中克隆出无毒基因,但对其确切产物及功能有详细了解的却仅限于少数.通过对致病基因的克隆分析,发现致病基因大多成簇排列,叫致病基因岛或毒力岛[4],岛内的基因在结构上有广泛的保守性.同时致病基因发生突变,不仅是病原物的致病性发生改变,而且对病原物的生理生化也产生作用,即具有多效性.病原物致病基因的表达有些是组成型的,有些是诱导的,许多植物成分如酚类、糖类等能诱导致病基因的表达.此外,致病基因的表达还受到碳源、渗透压、温度、酸碱度等因子的作用[5,6].112　植物抗病性的分子机制随着分子生物学技术的飞速发展及其在植物病理学中的广泛应用,尤其是抗病基因的成功克隆和分析,人们对植物的抗病机制已有了初步认识.从目前已克隆的植物抗病基因的作用特性上看,主要可分为2种类型:1种编码产物作为受体与无毒基因产物特异识别,从而激活防卫反应系统,现已克隆的大部分抗性基因属于此类;另1种是抗病基因的产物并不参与最初的信息传导途径上的识别反应,而是编码一种酶,阻止毒素对寄主的伤害.正是根据抗病基因的作用特性,将植物抗病分子机制分为:1)与病原物非亲和因子有关的抗病机制.主要表现在基因Ο基因显性互作中,植物抗病基因编码感受病原信号的受体分子,而病原物的无毒基因产生直接或间接产物,即信号分子Ο激发子,两者互作激活与抗病有关的信号传导极联网络,最终使植物表达一系列的防卫反应.这种激发子受体已被大量无毒基因的分子克隆及分析所肯定.其中,有关番茄叶霉病菌无毒基因avr9与番茄抗病基因CfΟ9的互作已研究得很清楚.无毒基因avr9的产物是含63个氨基酸的多肽,该基因只在与含CfΟ9抗病基因的番茄品种互作时才被诱导表达.纯化的avr9产物可直接诱导带CfΟ9的番茄品种产生过敏反应.此外,编码蛋白激酶的Pto基因与avr Pto 基因互作的研究也显示,病原细菌的avr Pto蛋白进入植物细胞后,可与胞内的Pto激酶直接作用.若在Pto或aVrpto基因的相关位点发生突变,则Pto和avr Pto蛋白的相互作用就受到干扰,可见Pto和avr Pto基因的特定序列决定了寄主对病原物识别的特异性.有关病原真菌是否也采用这种机制,目前还不清楚.2)与病原物亲和因子有关的植物抗病性机制.主要是通过对毒素的减毒作用或胞外酶抑制作用来达到抗病性.在该领域中,目前最清楚的是玉米对由C1carbonum所引起的叶斑和穗霉病的抗性机制,病菌C1carbonum产生的HCΟ毒素是1种环状多肽,被视为亲和因子,它是由病原Tox2基因所控制合成的.玉米的抗病基因包括Hm1和Hm2, Hml呈完全显性,它使整个植株在全生育期都表现抗性,而Hm2表现部分显性,植株幼苗感病,近成熟期才表现出抗性.研究证明,Hm1编码HcΟ毒素还原酶(HC TR),能钝化毒素分子中的羧基,使HC毒素失活,从而使植株表现抗性[7].据研究,此酶广泛存在于许多禾谷类作物中,且不同植物中Hm1基因序列具有高度保守性[6].此类基因的克隆及其作用机理的研究,在生产上具有重要意义.另外,有研究认为,通过修饰甚至缺失亲和性因子的作用受体,从而使植物对亲和因子失去敏感性而表现抗性.但目前对该机制的了解还很少.411　2006年第2期 李　淮等:植物抗病性的分子机制和信号传导　2006　No12 The mechanism and signal transduction of plant disease resistance　2　信号传导抗病植物在受到非亲和病原侵染时,往往表现多种防卫反应,一般先是释放活性氧,进而激活防卫基因的表达,最后发生过敏感反应,系统获得抗病性(SAR).但不同的防卫反应之间有时并无必然联系.例如,有些情况下过敏反应发生了,而防卫反应基因并未表达,反之亦然.但许多研究表明,植物防卫反应有着某些共性,首先蛋白激酶和磷脂酶引起蛋白磷酸化,是各种防卫反应表达中信号转导的重要环节.另外,钙离子的变化,电解质渗透和G蛋白等也常出现在许多防卫反应的信号传导途径中.正是由于多个SA R基因的协同表达作用,通过不同信号转导途径产生一系列的信号转导,最终激活植物的各种防卫反应,从而使植物产生广谱的系统获得性抗性.植物从接触病原菌到系统获得性抗性形成,实质上是一个连续的信号逐级传导的过程,而每次的传导都可产生相应的生化反应,从而发挥相应的生理功能,完成特定的生物学效应.组成信号传导的一系列分子事件可分为三部分:①细胞外信号分子的产生和识别.②细胞内信号的转化或传导.③特定信号所引起的特定生物学效应[8].211　细胞外信号分子细胞外信号分子即信号传导途径中常指的配体,在基因对基因的组合中是指来自病原菌无毒基因的直接或间接产物,可能是1种蛋白质或1段寡聚多肽,也可能是其它类型物质.主要分为亲水性和亲脂性两大类,如烟草花叶病毒(TMV)的外壳蛋白能使表达N基因的烟草产生过敏反应的信号蛋白,番茄中激发抗病基因CfΟ9表达的是与之对应的病原菌无毒基因AvrΟ9编码的蛋白.细胞外信号分子的受体位于植物细胞的细胞膜上,可能是植物抗性基因编码的产物,也可能是植物本身膜结构蛋白.它能识别和选择性地与某种信号分子结合,并产生化学或物理信号以启动一系列反应.受体一般包括具有结合特异性的结合区和具有效应特异性的效应区.研究证实,在已克隆的番茄抗病基因产物中,CfΟ9是1个跨膜受体,其胞质外的L RR区域与AvrΟ9激活肽提供的胞外配体结合.在诱导SAR时,侵染部位会产生系统信号分子,通常认为水杨酸(SA)是主要的信号分子.SA 是经苯丙氨酸产生的.在烟草、拟南芥和黄瓜植物中,当感染病原菌后,SA水平在被侵染叶片内急剧增加,其上部未感染部分SA也有升高,并最终诱发SAR产生[9Ο11].最近的研究表明,在胁迫条件下,给于SA处理,许多植物同对照相比,发生了一些变化,这些变化都被认为是同SAR有关[12,13].相反,许多其它植物包括番茄、豇豆、水稻和马铃薯等体内存在非常高水平的SA,但并未激活植株抗病反应和SA R反应[9].研究认为,这可能是由于这些植物体内缺乏对SA起应答反应的机制[14].除SA能够激活SA R反应外,研究发现,化学结合物2,6Ο氯异烟酰胺(INA)和它的衍生物能够激活植物SA R反应,并产生广谱的抗病性[14Ο16].合成的化合物苯丙咪唑(benzo(1,2,3)t hiadiazoleΟ7Οcarbot hioic acid SΟmet hyl ester,B T H)也可能诱发SA R反应,并可应用于多种作物大田生产中抵抗广谱病原菌的侵染[17].研究表明,经和B T H 处理后诱发的植物抗病性不是由于化合物自身直接对病原菌起作用.因为化合物和它的代谢物并不表现抑菌效应[18],但能够诱导烟草、拟南芥和小麦体内同SA所诱发的相同的SA R基因表达[18,19],同时发现,INA和B T H的处理并不能引发植物体内SA水平的提高.这一事实表明,INA和B T H 独立地或者在SAR信号途径之中SA下游发挥作用[18].INA、B T H和SA都不能激活拟南芥niml 突变体(nonindncible immunity)的SAR基因表达.也证明,3种化合物激活相同信号级联的SA R信号传导途径[20].212　细胞内信号的转化或传导某些病原对植物的侵染会诱导植物抗毒素等物质的合成,并伴随水杨酸水平提高,激发下游病程相关蛋白(PR)的表达,激活SAR[21].在烟草、拟南芥和黄瓜中,提高SA水平能使植物产生SAR,但马铃薯和水稻在非诱导情况下就已保持高水平的SA,它们对病原的抗性是通过提高对SA的敏感程度实现的.目前已从拟南芥中分离到几种与SA 信号途径有关的突变体,如PR基因的组成型表达物cpr5突变体、acd6和SA不敏感抑制物ssi突变体,都能够自发产生类似超敏反应的损害,并伴随水杨酸水平的提高,植物对病原的抗性也有所提高.促分裂原活化蛋白质激酶mp k44突变体和增强抗病性突变体edrl也能积累水杨酸并提高植物抗性,但没有发生超敏反应[9],因此超敏反应511西　北　师　范　大　学　学　报(自然科学版) 第42卷　Journal of Northwest Normal University(Natural Science) Vol142　(hypersensitive esponse,HR)可能与SA的积累无直接关系.防御非致死基因DND1编码门控环核苷酸离子通道蛋白,dndl突变体既抑制了HR反应又促进了依赖SA的抗病性提高,进一步证实HR反应和SA积累过程可以是独立的[10].另外有些突变体的SA水平较野生型低,如eds1、植保素缺陷型pad4和水杨酸诱导缺陷型sidl、sid2突变体在病原侵染后,SA的积累明显受到抑制,而且对病原的敏感性提高,其中EDSl和PAD4基因产物与脂酶有一定同源性,所以推测脂酶代谢与SA 水平的调节有关[11].蛋白质的磷酸化/去磷酸化在多种信号传递过程中都起着重要作用.烟草中至少有2种蛋白质激酶参与SA信号传递,1种在SA的上游,另1种在SA的下游.SA诱导的蛋白质激酶SIP K可被多种病原信号和伤害诱导激活,推测SIP K可能是多条信号途径的重要组分.其他多种植物蛋白质激酶和促分裂原活化蛋白质激酶在抗病信号传递中也有正调节作用[22].同时发现一些对植物抗病起负调节作用的激酶.如edrl突变体中edrl编码的MA P KK(促分裂原活化蛋白三级激酶)功能丧失,导致植物抗病水平提高,证明MA P KK在抗病信.对双基因突变的研究表明,pf d4和edr1突变使植物SA水平降低,同时抑制了edrl的作用,推测edrl的抗病作用依赖于SA.因此,在SA相关的抗病反应激活之前,可能存在2种信号分子,1种的作用是对负调节因子的抑制(如EDRI途径),另1种是对正调节因子的激活(如EDSI/PAD4途径).由于edrl的作用受SA调节,而EDSI/PApe对SA的水平又有调节作用,这种机制解释了为什么edrl的存在可使植物不必维持持续的抗性反应,而pfd4和edr1突变则抑制edr1介导的抗性[23,24].同时,激活不同的基因,需要的SA的量也不相同,如编码阴离子过氧化物酶、甘露醇脱氢酶的基因,需要相对少量的SA激活[25],另一类基因如PL A、PRΟ10则需要高剂量的SA激活[24].因此,推测当植物染病后,再次受到病原物侵染时,SA等物质可以加速并增强各类抗性基因的协同表达.对拟南芥突变体研究发现,在SA下游的N PRI(nonexp resser of PR)作为抗病信号途径中的重要组分激活其他多种抗病相关基因(PR1、B G2和PR5等)的表达,激发植物产生系统抗性.酵母双杂交实验中发现,T GA家族的转录因子可以和N PRI的锚定重复序列相互作用,且转录因子T GA2和T GA3还能直接和N PRI下游的PR1基因启动子感应SA的调节元件结合[26].SNl1是位于N PRI下游的负调控因子,推测SNll的作用是N PRI的转录抑制因子,而N PRI可能通过经SA 诱导的激活步骤消除SNl1对N PRI的抑制作用;随后T GA家族的转录因子使PR基因表达[11].有研究者认为,除通过SA信号传导途径诱发SA R外,植物中有可能还存在由茉莉酸(jasmonis acid,J A)、乙烯(et hylene)为信号分子的另一类信号传导途径诱发的SAR.J A能诱导拟南芥编码t hio nin的基因及防卫素基因的表达,而它们的表达不受SA和INA诱导.甘蓝黑斑病原、J A和乙烯还能在转Nah G植株中诱导防卫反应基因表达,并对灰霉病原(B.cinerea)产生系统抗性.荧光假单胞菌等根际细菌可以在不诱导SA和PR蛋白累积的情形下,使拟南芥和萝卜产生系统抗性,这类菌也是通过J A和乙烯信号传导途径诱导产生系统抗性的.这些表明,J A和乙烯有可能在特定条件下通过另一类信号传导途径使植物产生SAR[27].目前,对植物SAR建立的信号传导机制已有初步认识,并已分离、鉴定出许多涉及信号传导途径的突变体,这些突变体的获得将有利于更加明确地阐明SAR信号传导途径的详细阶段.从目前所分离的抗病基因产物的结构特征看,处于SA R信号传导途径之中的许多基因,很可能属于一类抗病基因或信号分子受体,只是它们处于信号途径不同的阶段而已.但有关信号传导途径中,抗病基因相互间的互作分子机制还有待进一步研究、认识.总之,植物在与病原菌长期共进化过程中,形成一整套复杂防御网络,抗病信号传导途径是植物抵抗病原菌的相当复杂的防御网络之一.深入分离和鉴定处于防御网络之中的突变体[28],进而克隆相应基因,同时继续筛选能激活植物SAR建立的小分子化合物,将是今后植物抗病分子生物学研究的热点之一.参考文献:[1]　王金生.植物抗病的分子机制[J].植物病理学报,1995,25(4):289Ο295.[2]　何晨阳.试论病原物的致病基因[J].植物病理学报,1994,24(2):97Ο99.611　2006年第2期 李　淮等:植物抗病性的分子机制和信号传导　2006　No12 The 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