植物对维管束病原菌的防卫反应机制研究进展

全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2015, 51 (5): 601~609　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2014.0557 601
收稿 2015-01-14　　修定 2015-03-31
资助 国家支撑计划(2011BAD35B05)、湖北省自然科学基金
重点项目(2012FFA066)、湖北省自然科学基金一般项目
(2008CDB091)和湖北省教育厅重点项目(D20082701和
D20102903)。
* 通讯作者(E-mail: [e-mail]; Tel: [phone])。
植物对维管束病原菌的防卫反应机制研究进展
张明菊1, 王红梅2, 王书珍1, 范佩1, 夏启中1,*
1黄冈师范学院生命科学学院, 湖北黄冈438000; 2中国农业科学院棉花研究所, 河南安阳455000
摘要: 维管束病害是发生在作物和多年生木本植物上最严重的植物病害类型之一。植物维管束病害通常由土传细菌、真
菌和卵生菌侵染根木质部, 在木质部中繁殖, 阻碍水分和矿物质的运转, 使叶片萎蔫和死亡, 导致整株植物受损而最终死
亡。对维管束病原物的生物学特性和植物抗病反应的分子机制进行深入了解并设计新的策略来控制维管束病害具有重要
的理论和实际应用价值。本文系统地讨论了植物通过两类受体感知维管束病原菌、传递胞内信号、诱发寄主植物对维管
束病菌的防卫反应。寄主植物对维管束病原菌物理防卫反应主要包括在木质部小室中形成甲基纤维素(tyloses)和维管束
衣被(vascular coating)两个方面, 从而阻止病原菌扩散。寄主植物对维管束病原菌的化学防卫反应主要是指木质部薄壁细
胞的急剧代谢变化, 导致木质部液体中不同蛋白质和次生代谢物的积累, 从而杀死或抑制病原菌生长。化学防卫反应在木
质部防卫反应中起主要作用。
关键词: 维管束病原菌; 木质部; 受体; 防卫反应
Research on the Mechanism of Plant Defense Against Vascular Pathogens
ZHANG Ming-Ju1, WANG Hong-Mei2, WANG Shu-Zhen1, FAN Pei1, XIA Qi-Zhong1,*
1Life Science Department, Huanggang Normal University, Huanggang, Hubei 438000, China; 2 Cotton Research Institute, Chinese
Academy of Agricultural Science, Anyang, Henan 455000, China
Abstract: Vascular wilts are among the most destructive plant diseases that occur in annual crops and woody
perennials. The vascular diseases are generally caused by soil-borne bacteria, fungi, and oomycetes. These
pathogens can infect the plants through the roots and enter the water-conducting xylem vessels where they pro-
liferate and obstruct the transportation of water and minerals. As a result, leaves become wilt, and the whole
plant eventually dies due to the impairment of vascular pathogens. An in-depth understanding of the biological
characteristics of vascular pathogens and the molecular mechanism of plant defense response against pathogens
so as to design novel effective control trategy is theoretically and practically important. In this review, we dis-
cuss the current advance on perception of vascular wilt pathogens by extracellular and intracellular receptor of
host plant, intracellular signal transduction and the induction of defense responses against the vascular patho-
gens. Typical physical defense responses observed during xylem colonization are the formation of tyloses and
vascular wall coating around the infected xylem vessels that can block the spread of pathogens. The chemical
defense response of host plant against vascular wilt pathogens is the accumulation of different proteins and sec-
ondary metabolites in the xylem sap which are caused by drastic metabolic changes in xylem parenchyma cells.
The chemical compounds accumulated in xylem sap can eliminate vascular wilt pathogens contained by the
physical defense responses. Overall, chemical defense responses play major roles in xylem defense.
Key words: vascular wilt pathogens; xylem; receptor; defense response
1 维管束病害与维管束病原菌
植物的维管系统由木质部导管、管胞分子和
韧皮部组成。其中木质部导管和管胞分子可将根
部吸收的水分和矿物质运送到光合作用组织中,
而韧皮部分子则将地上光合产物运送到根部。特
异性的病原物能侵染植物的维管系统, 如立克次
氏体、螺旋体和支原体等可以通过昆虫啃食或嫁
接传入韧皮部, 而一些细菌、真菌和卵菌等能通
过根侵染木质部, 引起维管束病害。维管束病害
全世界范围内发生, 既影响农作物产量和品质, 也
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影响多年生木本植物和自然生态系统(Yadeta等
2013)。例如, 棉花黄萎病对棉花生产造成极大危
害, 常年造成棉花减产20%左右, 严重的高达70%,
已成为棉花生产可持续发展的主要障碍之一(徐理
等2012)。
维管束病害的症状大多表现为向顶, 即从根
部到顶部。最初症状是上部, 随后萎蔫失绿, 维管
束变褐, 末端嫩叶坏死。维管束病原菌能引起一
系列症状, 且相同的病原物可能引起不同寄主植
物产生不同病症, 如叶片发黄, 植物变矮小, 部分
或全部萎蔫, 最终完全死亡(Purcellhe Hopkins
1996)。寄主植物年龄、适合度和营养状况, 环境
条件和病原物的毒性等等均能影响病症的进程和
严重程度, 植株的萎蔫状况只代表病害的瞬时阶
段(Klosterman等2009)。
真菌维管束病原菌包括长喙壳属真菌(Cera-
tocystis) (如, 栎树可可和桉树的维管束病原)、壳
属真菌(Ophiostoma) (如, 榆树的维管束病原)、轮
枝菌属(Verticillium) (广谱寄主范围)和镰刀菌属
(Fusarium) (广谱寄主范围) (López-Escudero和
Mercado-Blanco 2011)。大多数真菌维管束病原菌
以微菌核、厚垣孢子、厚壁菌丝体和孢梗囊等休
眠结构在土壤或死的植物组织中长时间存活而不
散失活力。从寄主植物中分泌的化合物能启动这
些休眠体萌发。除了壳属真菌和橡树病害真菌
(Ceratocystis fagacearmu)是由甲壳虫传入外(Har-
wood等2011), 其他真菌维管束病原菌均是通过根
部进入寄主植物的。在渗入寄主植物后, 真菌定
植于根部皮层细胞中, 菌丝体在细胞间隙伸向维
管薄壁细胞, 并入侵木质部胞腔。在木质部中产
生分生孢子, 随着木质部液体向顶部流动扩散。
一般维管束病害真菌多被限制在木质部中, 但一
旦寄主植物组织被侵染死亡, 真菌又开始形成新
的休眠结构, 最终重新释放到土壤中(Klosterman
等2009)。
细菌维管束病原菌主要包括引起马铃薯环腐
病和西红柿细菌性溃疡萎蔫的Clarisacter, 引起大
豆细菌性萎蔫的Cuctobacterium, 引起葫芦萎蔫的
Erwinia, 引起茄科作物萎蔫的Ralstoma, 引起十字
花科作物黑腐病和水稻白叶枯病的黄单胞菌属
(Xanthomonas), 引起葡萄皮尔斯病和柑橘杂色退
绿病的Xylella等(Nadarasah和Stavrinides 2011)。细
菌维管束病原菌能通过伤口、缝隙、或自然孔道
如气孔和排水孔被动地进入寄主组织中, 也有的
可以通过昆虫载体直接送入木质部, 例如叶蝉和
沫蝉可以将嗜管半知点霉菌细菌(Xylella fastidio-
sa)送入, 谷物甲虫可以将Pantoea Stewartii送入, 而
黄瓜甲虫可以将Erwinia tracheiphila送入(Nadara-
sah等2011)。进入后, 病菌很快扩增, 侵染根部皮
层和维管束薄壁细胞间隙, 再传播到木质部囊腔
中, 以此为通道可被动传播到植物地上各部分。
在侵染过程中, 细菌降解木质部细胞壁、薄壁细
胞, 刺穿细胞膜, 导致细菌粘团和植物细胞残体产
生(Roper 2011)。
卵生维管束病原菌只包含腐霉属(Pythium),
主要感染土壤中的种子或幼苗, 引起萌发前或萌
发后的幼苗猝倒和幼嫩组织丛生。在植物分泌物
刺激下, 卵孢子萌发, 产生包含游动孢子的孢子囊,
游动孢子释放出来后, 附着并包绕寄主植物。游
动孢子产生萌发菌丝体, 渗透根表皮, 穿过根皮
层、内皮层和薄壁细胞, 最终侵染维管中柱, 引起
典型的猝倒症状(Oliver 等2009)。
维管束病原菌通常在土壤、植物残体、水沟
或昆虫载体中越冬。大多数维管束病原菌是土传
的, 他们可以通过伤口或侧根形成时留下的缝隙
渗透进入寄主植物, 而有些则通过自然孔隙如气
孔和排水孔进入寄主叶片, 有些还可通过昆虫吸
食木质部液注入木质部, 例如嗜管半知点霉菌细
菌是通过叶蝉传入的, 也可以通过嚼食昆虫传播,
例如壳属真菌通过小蠹虫(Purcell和Hopkins 1996;
Klosterman等2009; Nadarasah和Stavrinides 2011)。
许多维管束病原物都是土传的, 能产生持久的休
眠结构, 即使在没有寄主植物存在的情况下, 也可
以存活很长时间。且一些维管束病原物能侵染广
谱的寄主植物, 所以常规的栽培措施如轮作控制
效果不佳。土壤暴晒和化学熏蒸可以用来处理土
壤中的休眠结构, 但由于公共健康和环境保护的
要求限制了化学熏蒸法大面积的应用。生物制剂
和有机土壤改良也可用于控制维管束病害, 但受
生物和非生物因素的影响, 大田应用效果不稳定
(Spadaro和Gullino 2005)。因此, 最有效的控制维
管束病害的策略是寄主植物遗传抗性的应用。由
张明菊等: 植物对维管束病原菌的防卫反应机制研究进展 603
于维管束病原物深深地寄生在寄主植物内部, 因
此对维管束病原菌的生物学研究十分复杂。最近
一系列维管束病原菌基因组序列分析的应用极大
地促进了维管束病害分子机理的深入研究(Yadeta
和Thomma 2013)。设计新的策略来控制维管束病
害, 了解其生物学特性和植物抗病反应的分子机
制非常关键。
2 植物木质部中维管束病原菌营养的获取
维管束病原菌生活周期中大部分时间寄生在
木质部中, 它们必须从木质部中获得生长、繁殖
和生存的所有因子。木质部液体中含有硝酸盐、
硫酸盐和磷酸盐等无机阴离子和钙、钠、镁和锰
等阳离子, 也包含相对含量较低的不同的碳水化
合物 , 如葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、棉籽
糖、海藻糖和核糖。其中, 葡萄糖、果糖和蔗糖
占绝大多数, 作为病原菌生长的碳源(Nakamura等
2008)。木质部液体甚至还包含不同的蛋白质、氨
基酸和有机酸, 作为有机和无机氮源。例如, 含硫
氨基酸蛋氨酸和半胱氨酸能用于无机硫源。尽管
如此, 但在木质部液体中这些有机和无机化合物
的量极低, 而且还会随昼夜、生长条件和植物种
类而波动变化(Fernandez-Garcia等2011; Krishnan
等2011)。
维管束病原菌通过有效地吸收木质部液体中
稀少的可用营养、消化寄主的细胞壁、入侵邻近
寄主细胞或诱导周围植物组织的营养渗透等方式
来满足需要(Klosterman等2009)。对维管束病原菌
而言 , 氮是木质部液体中限制性的营养因子之
一。真菌维管束病原菌首选的初级氮源是氨、谷
氨酰胺、谷氨酸盐, 在木质部液体中含量极低; 维
管束真菌还能利用次级氮源如硝酸盐、亚硝酸
盐、嘌呤、酰胺、氨基酸和蛋白质等等。GATA
转录因子如枯萎病菌(F. oxysporum f. sp. lycopersi-
ci)中的全氮调节子(F. oxysporum f. sp. lycopersici
global nitrogen regulator, FNR1)可以调节次级氮源
的利用。FNR1突变株在初级氮源上生长正常, 但
不能利用次级氮源例如氨基酸、次黄嘌呤和尿
酸。破坏FNR1不仅影响枯萎病菌在西红柿上的毒
性, 而且调控侵染植株的病原菌中三个氮素获得
基因Gap1、Mtd1和Uricase的表达, 这暗示着FNR1
调控寄主体内病原菌对次级氮源的利用(Divon等
2006)。还有些维管束病原菌可以降解木质部小室
(xylem vessel)细胞壁以侵染相邻薄壁细胞, 通过薄
壁细胞而获得营养(Yadeta等2013)。
对枯萎病菌、大丽轮枝菌(Verticillium dahliae
Kleb)和黑白轮枝菌(Verticillium alboatrum)全基因
组序列分析表明, 它们的基因组中富含编码细胞
壁降解酶(cell wall-degrading enzymes, CWDEs)基
因, CWDEs可以用来消化木质部细胞壁和木质部
纹孔膜(pit membrane)。其他的维管束病原菌也
能产生细胞壁降解酶, 当细胞壁被降解后, 糖类被
释放出来作为病原菌的营养源(Klosterman 等
2009; Ma等2010)。不同的维管束病原菌侵染寄
主后还可产生高分子量和低分子量毒素, 诱发萎
蔫病症。由于一些毒素干扰了植物细胞完整性,
木质部小室周围薄壁细胞发生营养渗漏, 被维管
束病原菌利用。例如, 轮枝菌属(Verticillium)中两
种坏死和乙烯诱导类似蛋白(necrosis- and eth-
ylene inducing-like proteins, NLP) NLP1和NLP2,
具有细胞毒性, 对不同寄主植物产生不同程度的
毒害, 但NLPs产生毒性的机制尚不明(Santhanam
等2013)。
3 植物对维管束病原菌的防卫反应
植物利用先天存在和后天诱导两种类型的防
卫反应来抵御入侵的病原菌。先天存在的防卫反
应是组成性的, 通过提供物理和化学障碍阻止病
原菌渗透。病原菌(微生物)相关分子模式(patho-
gen or microbe-associated molecular patterns, PAMPs
或MAMPs)是一类由微生物产生的具重要作用的
化合物, 包括来自真菌的几丁质、麦角固醇和木
聚糖酶, 来自卵菌的β-葡聚糖及来自细菌的脂多
糖、鞭毛蛋白、冷激蛋白和延伸因子Tu等(Zipfel
2008)。PAMPs或MAMPs被植物中同源的模式识
别受体(pattern recognition receptors, PRRs)识别后
就可以启动基础的或非寄主抗性的防卫反应, 这
种防卫反应被称之为微生物相关分子模式(mi-
crobe-associated molecular pattern, MAMP)启动的
免疫反应(PAMPs or MAMP triggered immunity,
PTI或MTI)。在病原菌与寄主植物协同进化竞争
中, 病原菌获得了激活物分子(effector molecules),
运输至寄主细胞抑制PTI, 增强了病原菌的毒性,
导致寄主感病。同时, 寄主也会获得抗性蛋白(R)
植物生理学报604
来识别特异性的激活物分子从而产生激活物启动
的免疫反应(effector-triggered immunity, ETI)
(Jones和Dangl 2006)。二者竞争的最终结果取决
于病原菌抑制植物免疫反应的能力和植物识别并
激活有效防卫反应的能力之间的平衡(Pieterse等
2009; Yadeta等2013)。
3.1 植物对维管束病原菌的感知
通常植物通过木质部维管束薄壁细胞细胞膜
定位的病原微生物分子模式识别受体和胞内受体
(intracellullar receptors)感知侵染的病原菌入侵。
细胞膜定位的病原微生物分子模式识别受体在细
胞表面识别病原菌分子和寄主受病原侵染后释放
的损伤相关分子。胞内受体识别进入到寄主细胞
的病原菌分子。两类受体介导的病原物分子
(MAMPs或PAMPs)的识别导致寄主内在免疫反应
的激活, 从而清除入侵的病原菌。如果寄主植物
对侵染病原菌感知失败, 就会导致寄主植物的感
病性产生和病原菌成功的感染(Pieterse等2009)。
3.1.1 植物细胞膜定位的病原微生物分子模式识
别受体
一些MAMP受体现已阐明 , 这包括拟南芥
FLS2 (flagellin-sensitive 2)、EFR (延伸因子Tu受
体)、CERK1 (几丁质激发子受体激酶1)和水稻
CEBiP (几丁质激发子结合蛋白)。FLS2和EFR编
码类受体激酶(RLKs), 可分别识别细菌MAMPs,
包括flg22和EF-Tu, CERK1和CEBiP编码含Lys M
结构域受体, 可识别几丁质-真菌细胞壁的主要组
分。这些MAMP受体在寄主对病原菌防卫反应中
特异性低且作用广泛(Zipfel等2006)。
植物细胞膜定位的病原微生物分子模式识别
受体在植物对特异性的维管束病原菌的防卫反应
中起重要作用。水稻Xa21产生对水稻白叶枯病
(Xanthomonas oryzae pv. oryzae, Xoo)的抗性。
Xa21识别Ax21 (Xa21的激活物), Xa21的激活物
Ax21是一种I型硫酸酯化分泌蛋白。类似于FLS2
和EFR, Xa21编码类受体激酶(RLK)。Xa21与
XB24蛋白发生物理上的相互作用, XB24是一种具
C-末端ATPase基序的蛋白质, XB24通过其ATPase
活性启动Xa21上Ser/Thr残基自动磷酸化, 使Xa21
处于非活性状态。一旦Xa21与Ax21识别完成 ,
Xa21的激酶活性被激活, 也就启动水稻的防卫反
应。XB25是一种植物特异性的锚定重复家族蛋
白, BiP3是一种内质网伴侣蛋白, 二者参与了Xa21
介导的对水稻白叶枯病的水稻免疫反应(Jiang等
2012; 虞玲锦等2012)。
西红柿Ve1是植物细胞膜定位的病原微生物
分子模式识别受体的另一个例子, 在木质部的防
卫反应中起重要的作用。Ve1是一种胞外富含亮
氨酸重复(leucine-rich repeat, LRR)的类受体蛋白
(receptor-like protein, RLP), Fradin等(2011)研究表
明不同科属间Ve1基因的转移可产生对大丽轮枝菌
和黑白轮枝菌1号小种的抗病性。最近被Ve1感知
的病原菌的配体已被鉴定为AVe1激活物, AVe1是
病原菌中一种小的激活蛋白(effector protein), 具有
四个半胱氨酸, 是一种钠尿多肽家族的类似物, 是
可移动的信号分子, 在水分和铁盐稳态调节中发
挥重要作用, 而且通过植物中水平基因转移研究
表明, AVe1是大丽轮枝菌对寄主植物产生毒性所
必需的。在其他一些植物病原菌中也发现了AVe1
类似物, 包括维管束真菌枯萎病菌, 但这些类似物
对病原菌的致病性起什么作用还未被证实。枯萎
病菌的AVe1类似物与Ve1在烟草中通过瞬时共表
达时可被Ve1所识别, 且Ve1介导了西红柿中对枯
萎病菌的抗病性(De Jonge等2012)。
最近又有报道烟草品种(Nicotiana glutinosa)
中存在一种功能同源基因Ve1, 当Ave1在烟草中表
达时会引起超敏反应(HR), HR反应是植物组织的
一种快速和局部的细胞死亡, 是由病原菌激活物
与寄主植物免疫受体识别诱发的。而且烟草对黄
萎病菌(Verticillium dahliae)的抗性仅限定于大丽
轮枝菌小种1的侵染情形下(Zhang等2013)。
3.1.2 植物胞内受体
西红柿I-2基因是对枯萎病菌生理小种2产生
抗性的胞内受体, 它编码胞内CC–NBS–LRR受体
蛋白, 可以识别激活子蛋白Avr2, Avr2最初从枯萎
病菌感染西红柿后木质部液汁中分离鉴定的, 可
被西红柿细胞吸收(Houterman等2007)。拟南芥
RRS1-R抗性蛋白是对茄科雷尔氏菌(Ralstonia so-
lanacearum)产生抗性的胞内受体。RRS1-R编码
一个TIR (Toll/interleukin 1 receptor)–NBS–LRR型
R蛋白, 包含一个C末端核定位信号和一个WRKY
结构域, 它能识别茄科雷尔氏菌III型分泌激活蛋
张明菊等: 植物对维管束病原菌的防卫反应机制研究进展 605
白PopP2, RRS1-R蛋白可与激活蛋白PopP2相互作
用。RRS1-R作用的发挥需要一个结合于PopP2上
的半胱氨酸水解酶RD19。在没有PopP2时RD19定
位于液泡, 在PopP2存在时又重新定位于核仁上
(Bernoux等2008)。但目前仍无RRS1-R与RD19之
间直接相互作用的报道, 一般认为RRS1-R具备识
别核仁上的RD19/PopP2复合物潜力, 并可激活拟
南芥对茄科雷尔氏菌的ETI (Yadeta等2013)。
3.2 植物木质部中的理化防卫反应
由寄主胞外受体或胞内受体介导对维管束病
原菌识别后, 就会激活木质部小室(xylem vessels)
中的防卫反应。这包括阻止或限制病原菌进一步
在木质部小室中扩散的物理防卫反应和杀死病原
菌或抑制其生长的化学防卫反应(图1)。
图1 抗病植株木质部限制病原真菌生长的机制
Fig.1 Mechanism of xylem limiting pathogen growth in resistant plants
真菌感染抗病植株(左)和感病植株(右)的木质部小室的横切面(上)和纵切面(下)示意图。抗病植物中及时诱导形成甲基纤维素和泡状
副产物, 泡状副产物由紧贴木质部小室的薄壁细胞分泌进入木质部小室腔中, 甲基纤维素和泡状副产物可以限制病原菌, 继而灭杀之。由
于被甲基纤维素和泡状副产物封闭的木质部小室有限, 植株不会萎蔫。在感病植株中, 甲基纤维素没能限制病原菌, 病原菌可以传播并进
一步感染木质部。参考Yadeta等(2013)文献, 有所修改。
木质部小室中对维管束病原菌的常见防卫反
应机制是形成甲基纤维素( tyloses) (Beckman
1964)。甲基纤维素是木质部小室相连的薄壁细胞
产生的副产物, 可以通过木质部纹孔伸入木质部
小室, 阻止病原菌扩散。在相容和非相容的寄主
与维管束病原菌互作中都能产生甲基纤维素, 但
甲基纤维素形成的时间和量的多少差异很大。抗
病植株比感病植株产生得快且多(Beckman 1964;
Grimault等1994)。通常在形成甲基纤维素的同时,
往往在甲基纤维素周围还伴着富含果胶的胶状物
(gels and gums) (Clérivet等2000)。 有人用免疫金
标记法测定发现, 在长喙壳属真菌(Ceratocystis
fimbriata f. sp. platani)感染的悬铃木(Platanus
acerifolia)木质部中的薄壁细胞和纹孔膜周围有大
量富含果胶物质的积累, 在木质部小室中有新的
甲基纤维素产生(Clérivet等2000)。植物能在甲基
纤维素周围累积这些富含果胶的胶状物, 完全封
闭木质部小室以阻止维管束病原菌向邻近木质部
小室扩散。但完全封闭木质部小室对植株也不利,
如果甲基纤维素形成影响的木质部小室太多, 并
且没有新的木质部小室形成, 就会导致植株干旱
胁迫的发生(Beckman 1964; Rahman等1999)。
在木质部被维管束病原菌侵染过程中被观察
到的另一个物理防卫反应是维管束衣被(vascular
coating)。维管束衣被主要是指寄主植物木质部薄
壁细胞受病原菌诱导后新合成和分泌的、填充和
覆盖木质部维管束的包被物质, 可以阻止维管束
病原菌在木质部小室中侧向和垂直方向的扩散。
这种包被物质主要是由木质素、胼胝质(callose)、
软木脂、脂类等共同组成的(Street等1986)。木质
植物生理学报606
素是存在于木质部组织中由p-香豆醇、松柏醇和
芥子醇氧化偶联形成的异源多聚体类物质, 填充
于纤维素构架中。作为一种机械屏障, 木质素含
量提高可以保护寄主细胞免受病原物分泌酶的降
解而抑制病原物的扩展(郭艳玲等2012)。维管束
病原菌如镰刀菌属、黄单胞菌属或轮枝菌属等等
通常是通过木质部传播的, 当它们与植物之间互
作时, 木质素含量一般都会增加, 且木质素含量的
增加与植株对病原菌抗性之间存在正相关(Miedes
等2014)。例如, 用特异性病原菌如假单胞菌(Pseu-
domonas syringae pv. tomato)和白叶枯病菌(Xan-
thomonas campestris)等感染拟南芥, 会导致拟南芥
木质素合成酶基因表达增强和木质素水平的提高
(Quentin等2009)。在西红柿抗茄科雷尔氏菌的品
种中可溶性酚类物质和木质素含量比感病品种高
很多, 而抗病品种抗性增强与细菌感染后根部由
水杨酸启动的木质素的积累相关联(Mandal等
2013)。对棉花(Gossypium hirsutum)对黄萎病菌抗
性的数量分析也表明, 病原菌接种后茎秆中木质
化程度增加与抗病性之间存在一定的正相关(Xu
等2011)。研究还发现, 棉花DIRIGENT1基因的过
量表达可以增强棉花维管束木质化程度, 同时也
阻碍了黄萎病菌的传播(Shi等2012)。胼胝质(β-
1,3-葡聚糖)是一种在植物个体发育不同阶段和植
物对不良环境的防卫反应中发挥重要作用的线性
多糖(Piršelová和Matušíková 2013)。胼胝质沉积是
植物受病原菌侵染后对病原物的早期应答反应之
一, 通过病原物表面的病原相关分子模式(pathogen
associated molecular pattern, PAMPs)诱导胼胝质在
侵染点周围组织的细胞壁积累(Luna等2011)。乳
状突起(papillae)是木质素、胼胝质、纤维素、木
栓素和硅质等包被物质沉积形成的介于细胞膜和
细胞壁之间的一种物理障碍物。木质素含量提
高、胼胝质沉积的增加和乳状突起的形成可以阻
止病原物向植物组织的进一步渗透(Piršelová和
Matušíková 2013)。用茄科雷尔氏菌接种抗病辣椒
后发现在起初感染的和临近的木质部小室周围迅
速形成维管束细胞壁衣被, 覆盖到木质部纹孔膜
和初生细胞壁上, 但在接种的感病辣椒中未观察
到这种现象(Rahman等1999)。以黑白轮枝菌感染
西红柿和苜蓿时, 也有类似的木质部薄壁细胞衣
被形成的报道(Street等1986)。在茄科雷尔氏菌与
智利辣椒互作中也观察到木质部小室上的胼胝质
沉积和初生细胞壁加厚(Rahman等1999)。Gayoso
等(2010)用黄萎病菌侵染两个番茄近等基因系
LA3038 (Ve/Ve)和LA3030 (ve/ve)时, 发现抗病品系
能迅速积累H2O2并伴随PAL、POD的酶活升高, 苯
丙烷代谢受到影响, 阿魏酸、p-香豆酸、香草醛和
p-羟基苯甲醛含量均有升高。抗病和感病品系中
木质素含量均有增加, 但在抗病品系中增加更多
更快, 呈现出两个阶段: 起初是浓缩核中高度交联
且富含G型和H型木质素的累积, 其后是富含S型
的高度多聚化的线性木质素的缓慢累积。
化学防卫反应在木质部抗病反应中起重要作
用。植物在正常生长发育过程中通常会合成一些
抗菌化学物质 , 储存在特殊的组织器官中如腺
体、表皮等, 这些组成性或预先形成的抗菌化学
物质在病原物侵染之前就已经存在于健康植物中,
因此被称之为组成型抗菌物质(phytoanticipins)
(Bednarek等2009)。有的组成型抗菌物质如皂
苷、咖啡因等直接具有抑菌活性, 有的在健康植
物中不具有抗菌活性如芥子油苷、生氰苷等, 但
受病原菌诱导时会被相关水解酶水解产生硫氰酸
酯、氰化氢等具有杀菌作用的化合物, 也有的组
成型抗菌物质被病原菌中相关水解酶水解而失去
抗性而被感染(郭艳玲等2012)。例如, 十字花科植
物合成和储存的硫代葡萄糖苷(glucosinolates)是一
种氨基酸的衍生物, 可以运输至病原物感染点, 被
一种糖苷水解酶分解成具有活性的化合物, 抑制
病原菌生长(Clay等2009)。燕麦根产生的燕麦根
皂甙(avenacin)具有广谱抗病性, 且燕麦全蚀病菌
(Gaeumannomyces graminis var. avenae)对燕麦根
部的感染取决于该真菌中燕麦根皂甙水解酶的形
成(Bednarek等2009)。植保素(phytoalexin)是植物
在病原物诱导下合成并积累的低分子抗菌化合物,
一般包括萜类、芪类、异黄酮类、生物碱类等类
型, 例如豌豆素(pisatin)、大豆素(glyceollin)等属
于异黄酮类化合物, 辣椒素(capsidiol)、日齐素
(rishitin)等属于倍半萜, 而拟南芥产生的亚麻荠素
(camalexin), 是一种含硫的吲哚生物碱。受病原物
诱导后的植株能迅速产生植保素, 积累在侵染点
周围, 杀死或抑制病原物, 阻止病原物向未侵染细
张明菊等: 植物对维管束病原菌的防卫反应机制研究进展 607
胞扩展(Ahuja等2012)。植株受病原菌侵染后, 感
染位点的木质部薄壁细胞发生急剧代谢变化, 导
致木质部液体中不同蛋白质和次生代谢物的积
累。木质部液体中积累的蛋白质和次生代谢物包
括PR-1、PR-2、PR-3、PR-4、PR-5、过氧化物
酶、蛋白酶、木聚糖内糖基转移酶(xyloglucan-en-
dotransglycosylase, XET)、木聚糖内葡聚糖抑制蛋
白(xyloglucan-specific endoglucanase inhibitor pro-
tein, XEGIP)、酚类物质、植保素和木质素类化合
物等(Cooper和Williams 2004; Houterman等2007;
Gayoso等2010)。这些化合物直接或间接对植物的
防卫反应起作用。例如, PR-2 (β-1,3-葡聚糖酶)和
PR-3 (几丁质酶)可分别水解真菌细胞壁成分β-1,3-
葡聚糖和几丁质而抑制或延缓木质部中维管束病
原菌的生长。PR-5蛋白被称为类甜蛋白(thauma-
tin-like protein, TLP), 可激活某些抵抗丝氨酸肽链
内切酶的蛋白质活性, 其组蛋白还具有抵抗真菌
侵染以及激活植物防卫反应信号途径的作用(El-
Kereamy等2011)。过氧化物酶是寄主遭病原菌侵
染后木质部液体中大量积累的众多代谢酶类之
一。在水稻与白叶枯病(Xoo)的非相容互作中, 阳
离子过氧化物酶(PO-C1)在胞质中、在木质部薄壁
细胞原生和次生细胞壁上以及在腔细胞中都得到
累积。过氧化物酶通过其催化活性参与了活性氧
(ROS)的产生, 活性氧可以清除维管束病原菌, 且
过氧化物酶还参与了细胞壁化合物多聚化、木质
素和木栓质的生物合成和过氧化氢水平的调节等
等, 这些都有利于强化植物对病原菌的防卫反应
(Gayoso等2010)。植物在感染后还会在木质部积
累不同的酚类化合物。橄榄树受大丽轮枝菌侵染
后在感染部位产生芸香苷、橄榄苦苷、毛地黄酮
糖苷和对羟基苯乙酮等对病原菌具毒害作用的有
机代谢化合物(Báidez等2007)。而且有人用外源的
酚类化合物处理荷兰榆树发现, 可以诱导木质部
组织中木栓质类化合物的积累从而增强对榆树枯
萎病菌(Ophiostoma novoulmi)的抗性(Martín等
2008)。 这表明酚类化合物除了对微管束病原菌
具有直接毒害作用以外还能激活其他防卫反应。
植物的化学防卫反应还表现在可以利用无机硫化
物来灭杀维管束病原菌(Cooper和Williams 2004)。
在西红柿与大丽轮枝菌的非相容互作中发现在木
质部薄壁细胞、木质部细胞壁和周围的堵塞维管
束胶中均有无机硫化物产生, 在可可树或棉花与
大丽轮枝菌的非相容互作中也发现了类似的现
象。在木质部小室细胞壁和维管束堵塞胶周围有
无机硫特异性的积累, 这说明无机硫在清除由物
理防卫反应所控制的维管束病原菌过程中也起重
要的作用(Cooper和Williams 2004)。
3.3 维管束超敏反应(vascular HR)
对叶片真菌叶霉病菌(Cladosporium fulvum)
诱导的西红柿基因转录水平表达变化与维管束病
原菌大丽轮枝菌诱导的进行比较后发现, 由叶霉
菌诱导的基因转录变化与黄萎病菌诱导的基因转
录变化重叠极少。而且, 在受两种病原菌调控的
重叠基因中, 许多基因呈相反的表达模式(van Esse
等2009)。用野油菜黄单胞菌(Xanthomonas camp-
estris pv. campestris)侵染拟南芥, 可以激活木质部
维管束免疫性(vascular immunity), 并启动HR反应,
这种HR反应被称为维管束HR (vascular HR) (Xu等
2008)。无毒蛋白AvrACXcc8004 (也称为XopAC)
是一种野油菜黄单胞菌的III型激活蛋白, 对拟南
芥生态型Col-0是无毒的, 但仅仅作用于维管系统
时 , 才会产生抗病性(Xu等2008)。将AvrACX-
cc8004蛋白通过注射渗滤(infiltration)到Col-0型拟
南芥叶肉组织中时, 不能启动对黄单胞菌的抗性,
这表明AvrACXcc8004介导的防卫反应维管束免
疫性的激活是发生在木质部。基于此Xu等(2008)
也提出了维管束免疫性(vascular immunity)这一概
念。Castaneda等(2005) 先前报道黄单胞菌激活蛋
白AvrXccFM可以激发弗洛伊德芥菜幼苗的维管
束HR反应。但不像叶片叶肉细胞HR反应那样, 维
管束HR反应很难测定(Xu等2008)。WAT1 (Walls
Are Thin1)基因参与了次生细胞壁沉积反应, 也与
维管束免疫性有关。WAT1突变的拟南芥植株对细
菌和真菌维管束病原菌具有抗性, 但对叶片型病
原菌不具有抗病性。在叶片接种测定中, 仅仅当
直接注射进入叶片维管束系统中时, wat1突变体对
茄科雷尔氏菌和黄单胞菌产生抗病反应, 当注射
到叶片叶肉细胞时则不产生抗病反应榆树枯萎病
菌(Denancé等2012), 这一结果证实了植物组织特
异性的免疫反应的存在。同时, Denancé等(2012)
还证实了wat1抗病性涉及到一种与水杨酸代谢相
植物生理学报608
关而与吲哚代谢无关的根部代谢通道。拟南芥
AHL19是一种AT钩状DNA结合蛋白, 能增强对三
种轮枝菌(Verticillium spp.)的抗性, 但对灰霉菌
(Botrytis cinerea)、黄瓜萎蔫病菌(Plectosphaerella
cucumerina)和甘蓝链格孢菌(Alternaria brassicico-
la)等叶片病原菌则不具抗性, 并且对西红柿丁香
假单胞菌(Pseudo monassyringae pv.)感病加深, 这
意味着拟南芥AHL19是木质部特异性免疫反应的
正调控因子(Yadeta等2011)。
4 展望
一些细菌、真菌和卵菌等能通过根侵染木质
部, 引起维管束病害。维管束病原菌被植物胞内
和胞外受体识别后启动了包括物理和化学的植物
内在免疫反应。寄主植物木质部小室中两种类型
的防卫反应相互协调发挥作用, 物理防卫反应阻
止木质部小室中病原菌的传播, 化学防卫反应则
杀死病原菌或抑制病原菌的生长。由于维管束病
原菌存活于寄主植物内部深处, 使得对维管束病
原菌的生物学研究异常困难, 维管束病原菌与其
寄主之间相互作用的分子基础仍不清楚。遗传抗
性仍然是控制维管束病原菌的最好策略。但遗传
抗性的开发需要对寄主防卫反应机制、维管束病
原菌的生物学特性、进化和致病性作更深入的了
解。
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