植物誘導(dǎo)抗病信號傳導(dǎo)途徑

余朝閣　李天來　杜妍妍　周　娣　魏　爽

摘要：植物抗病性可被多種因素所誘導(dǎo)，誘導(dǎo)的抗病信號傳導(dǎo)是抗病性誘導(dǎo)的機(jī)制所在。文章論述了植物誘導(dǎo)抗病性的種類、產(chǎn)生過程和兩條重要的抗病信號傳導(dǎo)途徑，并著重對兩條途徑進(jìn)行分析和比較。

關(guān)鍵詞：植物；誘導(dǎo)抗病性；信號傳導(dǎo)途徑；誘導(dǎo)機(jī)制

中圖分類號：S 432．23

植物作為真菌、細(xì)菌、病毒、線蟲等病原微生物的營養(yǎng)來源和棲息場所，必然不斷遭受它們的侵染和脅迫。植物在與這些病原物長期斗爭、協(xié)同進(jìn)化過程中，也逐漸積累而形成一系列復(fù)雜的防衛(wèi)機(jī)制。但有些防衛(wèi)過程在植物正常生長發(fā)育過程中并不表現(xiàn)出來，常常需要外界刺激才能快速、充分表達(dá)，即產(chǎn)生誘導(dǎo)抗病性。

1植物誘導(dǎo)抗病性種類

誘導(dǎo)抗性是植物受病原物侵染或其他物理的、化學(xué)的或生物的方法處理后，對隨后某種或某些病原物的侵染所產(chǎn)生的抗性。根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)可分為不同類型。按抗病因素的性質(zhì)可分為誘導(dǎo)的物理抗病性和誘導(dǎo)的化學(xué)抗病性。誘導(dǎo)的物理抗病性是指外界刺激引起植物亞細(xì)胞、細(xì)胞或組織水平的形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，這種變化可能將病原物局限于細(xì)胞壁、單個細(xì)胞或局部組織中，從而阻遏其進(jìn)一步侵入和擴(kuò)展。誘導(dǎo)處理引起的植物細(xì)胞壁木質(zhì)化、木栓化、乳突的形成和鈣離子沉積等均屬于誘導(dǎo)的物理抗病性范疇。誘導(dǎo)的化學(xué)抗病性是指外界刺激引起植物正常生理代謝發(fā)生改變，產(chǎn)生抑菌或解毒物質(zhì)，從而阻遏病原物擴(kuò)展或危害。誘導(dǎo)的化學(xué)抗病性產(chǎn)生機(jī)制錯綜復(fù)雜。酚類、萜類和類黃酮等次生物質(zhì)代謝的變化是誘導(dǎo)化學(xué)抗病性的基礎(chǔ)；防御反應(yīng)酶(PAL、POD、PPO、SOD和LOX等)和病程相關(guān)蛋白(幾丁質(zhì)酶和β-1，3-葡聚糖酶等)是提高植物抗病性的生物催化劑；植物保衛(wèi)素的積累增強(qiáng)了抑菌和對毒素的降解作用。

另外，根據(jù)抗病性發(fā)生部位的不同還可將誘導(dǎo)抗病性分為局部抗性和系統(tǒng)性獲得抗性(SAR)：局部抗性是在誘導(dǎo)部位或侵染點(diǎn)發(fā)生的局部、快速的過敏性壞死反應(yīng)(hypersensitive response，HR)；SAR是植物在受病菌侵染或誘抗劑處理后，未被侵染或處理的部位也對隨后的挑戰(zhàn)接種所產(chǎn)生的抗性。

2植物誘導(dǎo)抗病性產(chǎn)生過程

植物產(chǎn)生抗病性過程中先后有抗病基因和防衛(wèi)反應(yīng)基因起作用。植物抗病基因產(chǎn)物與病原物無毒基因產(chǎn)物相互識別產(chǎn)生信號分子，這種信號通過一系列的傳遞因子或調(diào)控因子傳導(dǎo)，引起植物的防衛(wèi)反應(yīng)基因表達(dá)，使植物在形態(tài)和生理上發(fā)生一系列變化，從而抑制病原物的侵入或擴(kuò)展而表現(xiàn)為抗病性。

植物抗病性誘導(dǎo)過程可分為3個階段：一是誘導(dǎo)處理，誘抗因子既可以是病原物、生物代謝產(chǎn)物、也可以是無機(jī)物或有機(jī)化合物；二是誘導(dǎo)的抗病信號傳遞和轉(zhuǎn)導(dǎo)，即抗病信號傳遞到未被誘導(dǎo)處理的相鄰的細(xì)胞、組織甚至全株，使該部位也處于敏感狀態(tài)；三是病原物侵染和誘導(dǎo)抗病性表達(dá)，處于敏感狀態(tài)的植物細(xì)胞一旦感受到挑戰(zhàn)接種的刺激信號，將迅速啟動植物防衛(wèi)反應(yīng)基因活化或增強(qiáng)已經(jīng)活化防衛(wèi)基因表達(dá)，產(chǎn)生強(qiáng)烈的非特異性防衛(wèi)反應(yīng)，從而使植物表現(xiàn)出更強(qiáng)的抗病性。

在植物抗病性誘導(dǎo)過程中，抗病信號的傳遞和轉(zhuǎn)導(dǎo)是植物產(chǎn)生誘導(dǎo)抗病性的關(guān)鍵和內(nèi)在機(jī)制所在。抗病信號的傳導(dǎo)又可分為4個階段：(1)植物誘導(dǎo)部位細(xì)胞質(zhì)膜上的受體與誘導(dǎo)的信號分子?；宰R別和互作而為植物所感受，并產(chǎn)生刺激信號如產(chǎn)生跨膜粒子流和活性氧暴發(fā)。(2)胞間信號傳遞，即刺激信號在植物細(xì)胞間傳遞，傳遞到未被侵染細(xì)胞、組織或器官。(3)膜上信號轉(zhuǎn)換，即非誘導(dǎo)部位細(xì)胞質(zhì)膜上的受體與傳遞而來的信號特異性結(jié)合，通過跨膜離子流的改變將胞間信號轉(zhuǎn)換為胞內(nèi)信號如NO和活性氧中間體ROIs信號。(4)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，即轉(zhuǎn)換而來的胞內(nèi)信號通過某種或某些信號途徑和一系列復(fù)雜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程啟動相應(yīng)的防衛(wèi)反應(yīng)基因。這種抗病信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程具有正反饋效應(yīng)而將信號級聯(lián)放大，持續(xù)對下游信號發(fā)生影響，從而持續(xù)激活防衛(wèi)反應(yīng)基因活化和特異性或非特異性的表達(dá)，使植物在形態(tài)和生理上向著阻遏病原物侵染和抑制其擴(kuò)展的方向變化。最終使植物表現(xiàn)為對病原物的抗病性。

3誘導(dǎo)的抗病信號傳導(dǎo)途徑

不同誘導(dǎo)因素引起的信號傳導(dǎo)途徑有可能相同，同一誘導(dǎo)因素在不同條件下引起的信號傳導(dǎo)途徑也可能不同。植物的抗病信號傳導(dǎo)途徑既有專一性，也存在著復(fù)雜的廣譜性、多樣性甚至交叉性的特點(diǎn)，植物抗病信號的協(xié)同交叉起作用形成了復(fù)雜的信號傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)。在抗病信號傳導(dǎo)途徑中，sA途徑和JA途徑是研究較為深入的兩條信號途徑。

3．1 SA介導(dǎo)的抗病信號傳導(dǎo)途徑

SA是植物產(chǎn)生SAR的重要誘導(dǎo)因子，SA途徑是極其重要的抗病信號傳導(dǎo)途徑。研究發(fā)現(xiàn)，多數(shù)植物受病原物侵染后，SA含量成倍增加；而外源SA也誘導(dǎo)植物對病原物的抗性增強(qiáng)，產(chǎn)生sAR。在轉(zhuǎn)NahG(salicylate hdroxylase)基因的植物中，病菌侵染不能激活PR-1基因表達(dá)，也不誘導(dǎo)產(chǎn)生SAR，轉(zhuǎn)基因植株抗病性明顯低于其野生株(WT)。這些現(xiàn)象說明，SA是植物抗病信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和SAR形成過程中必不可少的信號分子。

SA從作用部位到效應(yīng)部位，必須與其靶細(xì)胞上受體結(jié)合而形成SA-受體復(fù)合物，該復(fù)合物將信息傳遞至胞內(nèi)第二信使，第二信使經(jīng)復(fù)雜的胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)進(jìn)而引起各種生理效應(yīng)。Chen等從煙草葉片中分離出一種可溶性的SA受體蛋白(SABP)，該蛋白具有過氧化氫酶(CAT)活性而催化H₂O₂分解為H₂O₂和O₂；當(dāng)其與SA結(jié)合后，則失去這種催化功能，使植物體內(nèi)H₂O₂積累。進(jìn)一步研究表明，SA可能作為電子供體為CAT提供一個電子，使其處于相對不活躍狀態(tài)，而SA則轉(zhuǎn)變?yōu)镾A·并引起自由基鏈反應(yīng)。H₂O₂和其他活性氧(ROS)一樣具多種功能：第一、它對多種病原物具直接的抑制作用；第二、促進(jìn)細(xì)胞壁木質(zhì)化和某些結(jié)構(gòu)蛋白發(fā)生交聯(lián)，從而誘導(dǎo)植物結(jié)構(gòu)抗性的增強(qiáng)；第三、使植物侵染點(diǎn)周圍細(xì)胞發(fā)生HR，將病原物限定在受侵染部位，從而產(chǎn)生局部抗病性；第四、H₂O₂能夠觸發(fā)促分裂原活化蛋白激酶(MAPK)，引起抗病信號級聯(lián)放大，激活植物防衛(wèi)基因表達(dá)和抗生代謂物質(zhì)的產(chǎn)生，從而形成SAR；第五、H₂O₂還具有活化PAL和BA2H(苯甲酸羥化酶)的作用，而PAL和BA2H是SA合成過程中的關(guān)鍵酶，這兩種酶的活性增強(qiáng)則進(jìn)一步促進(jìn)植物內(nèi)源SA的合成。由此可見，SA與其受體結(jié)合導(dǎo)致H₂O₂積累，H₂O₂一方

面直接誘導(dǎo)植物產(chǎn)生抗病性，一方面進(jìn)一步增加植物體內(nèi)的SA合成，SA正是通過這種正反饋?zhàn)饔枚掷m(xù)激活下游防衛(wèi)反應(yīng)的。

NP尉基因是SA途徑的關(guān)鍵基因，該基因過量表達(dá)，能夠激活植物的多種抗病相關(guān)基因，提高抗病性。SA的積累使細(xì)胞內(nèi)還原勢增加，NPR1寡聚體中的半胱氨酸殘基分子間二硫鍵被水解還原，形成NPR1單體，NPR1單體具完整的核定位序列，使其能夠轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核內(nèi)并與結(jié)合在PR-1基因啟動子區(qū)的TGA類轉(zhuǎn)錄因子相互作用，調(diào)控PR基因的表達(dá)和sAR產(chǎn)生。擬南芥NPR1突變體對誘導(dǎo)植物產(chǎn)生SAR的生物或化學(xué)激活劑不敏感，不表達(dá)PR基因，不表現(xiàn)抗病性，但體內(nèi)仍積累與野生型植株等量的SA，說明NPR1基因位于SA信號途徑下游，而在PR基因表達(dá)的上游。

3．2茉莉酸和乙烯介導(dǎo)的抗病信號傳導(dǎo)途徑

茉莉酸和乙烯(JA／ET)途徑是植物的另一條重要的抗病信號傳導(dǎo)途徑，植物防御素(PDF1.2)是該途徑的標(biāo)志性產(chǎn)物。擬南芥下部葉片接種Alterna-ria brassicicola后，接種葉片及非接種葉片中JA和ET的含量均升高，且積累PDF1.2，并對A.bras-sicicola產(chǎn)生抗性；外源JA或ET處理，也均誘導(dǎo)擬南芥PDF1.2基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯水平的提高，植株積累PDF1.2并產(chǎn)生SAR；而擬南芥的ET不敏感突變體ein2與JA不敏感突變體jarl和coil，均不被誘導(dǎo)表達(dá)PDF1.2基因，也不能產(chǎn)生SAR。所以，JA和ET也被認(rèn)為是參與抗性信號傳導(dǎo)、誘導(dǎo)植物產(chǎn)生SAR的第二信使。用JA和ET處理可降解SA的轉(zhuǎn)基因擬南芥，仍然誘導(dǎo)SAR的產(chǎn)生，且SA并不誘導(dǎo)PDF1.2基因的表達(dá)，說明JA／ET介導(dǎo)的抗病信號轉(zhuǎn)導(dǎo)不依賴于SA途徑。

一般認(rèn)為，JA及其甲酯(MeJA)是植物體內(nèi)包括細(xì)胞內(nèi)和植株間可移動的信號分子，但由于目前還沒分離鑒定出茉莉酸類受體，其誘導(dǎo)的植物抗病信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑還不完全清楚。通過對擬南芥JA不敏感突變體coil的研究發(fā)現(xiàn)，Coll基因編碼一種富含LRR重復(fù)序列和具F-box基序的蛋白，這種蛋白可能與感應(yīng)JA信號的負(fù)調(diào)控因子(Skpl和cullin等)結(jié)合而形成一個E3泛素連接酶復(fù)合體(SCF^coll)，該復(fù)合體可被泛素的酶解系統(tǒng)來識別并選擇性降解負(fù)調(diào)控因子，即泛素通過降解SCF^coll中的抑制因子而使JA信號正常轉(zhuǎn)導(dǎo)。ET受體家族位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上，目前已從擬南芥和番茄中分離到多種ET受體。典型的ET受體由N端的ET結(jié)合區(qū)、緊隨其后的GAF區(qū)和C末端的His蛋白激酶區(qū)構(gòu)成。研究發(fā)現(xiàn)，ET受體是ET反應(yīng)中的負(fù)調(diào)節(jié)子：受體處于開啟狀態(tài)，抑制ET反應(yīng)；而受體關(guān)閉時，則誘導(dǎo)乙烯反應(yīng)。

JA和ET以獨(dú)立的相互平行的方式誘導(dǎo)植物PDF1.2基因表達(dá)，且二者具有協(xié)同作用，共同處理比任何一種單獨(dú)處理所誘導(dǎo)的PDF1.2基因轉(zhuǎn)錄水平高。植物防御素作用靶位在病原物原生質(zhì)膜上，真菌原生質(zhì)膜外層主要為鞘脂和固醇，而鞘脂和固醇是脂筏(1ipid raft，一種質(zhì)膜微區(qū)結(jié)構(gòu))的主要成分，脂筏含有許多與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān)的受體蛋白。植物防御素正是與真菌質(zhì)膜外層脂筏上受體相互作用，導(dǎo)致質(zhì)膜選擇透性破壞，Ca²⁺流入和K⁺輸出，原生質(zhì)體外泄和電化學(xué)勢喪失，從而使病菌侵染性喪失而達(dá)到抗病作用。所以，植物防御素的抑菌作用主要在于其介導(dǎo)的離子拮抗型的膜穿透引起的。

3．3兩條抗病信號傳導(dǎo)途徑的關(guān)系

SA途徑和JA／ET途徑不是孤立的，兩者既有所區(qū)別，也有聯(lián)系。一般認(rèn)為，SA主要介導(dǎo)植物對專性寄生病原物的抗性，而JA／ET主要介導(dǎo)對兼性寄生病原物的抗性。轉(zhuǎn)NahG基因的擬南芥對專性寄生菌抗性降低，對兼性寄生菌則沒有影響；而擬南芥coil突變株對兼性寄生菌抗性減弱，對專性寄生菌的抗性卻未發(fā)生改變。但事實(shí)并非完全如此，E.A.Achuo等發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)NahG基因的番茄對死體營養(yǎng)真菌Botrytis cinerea的感病性增強(qiáng)，但不改變其對專性寄生菌Odium neolyco persici的感病性；而轉(zhuǎn)NahG基因的煙草對O.neolycopersici的感病性增強(qiáng)，卻不改變其對B.cinerea的感病性。所以他們認(rèn)為，植物以何種途徑介導(dǎo)對病原物抗性，取決于“寄主一病原物”互作體系具體情況，互作體系不同，其抗病防衛(wèi)反應(yīng)特點(diǎn)也可能不同。

SA途徑和JA／ET途徑之間還存在著密切聯(lián)系，兩者相互抑制或增強(qiáng)。SA主要誘導(dǎo)酸性PR蛋白，JA／ET主要誘導(dǎo)堿性PR蛋白；在成熟的煙草葉片中，所有堿性PR蛋白都被SA抑制，而所有酸性PR蛋白都被JA抑制；這說明SA途徑和JA途徑之間存在拈抗作用。但是，番茄被細(xì)菌性斑點(diǎn)病菌(Pseudomonas syringae)侵染后，不僅抗病性提高，抗蟲性也增強(qiáng)；而昆蟲的取食同樣誘導(dǎo)番茄的抗病性。這說明SA途徑和JA／ET途徑之間還可能協(xié)同表達(dá)。

SA途徑和JA／ET途徑之間的對話，是通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)中的“節(jié)點(diǎn)”基因?qū)崿F(xiàn)的。NPR1基因是研究較深入的“節(jié)點(diǎn)”基因之一。SA能夠有效抑制野生型擬南芥中JA信號途徑，但不抑制其npr1突變體中MeJA誘導(dǎo)的基因表達(dá)，說明SA對JA的抑制作用需要NPR1參與。但與前述NPR1單體在細(xì)胞核內(nèi)對SA途徑正向調(diào)控不同，NPR1對SA和JA信號傳導(dǎo)途徑之間的協(xié)調(diào)發(fā)生在還在細(xì)胞質(zhì)中，目前還不清楚它是以單體還是寡聚體形式對兩條信號途徑進(jìn)行調(diào)節(jié)的。另外，Li Jing等人研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄因子WRKY70對SA和JA兩條抗病途徑之間也有著重要的調(diào)節(jié)作用，而且這種作用產(chǎn)生于NPR1基因下游。

4展望

隨著分子生物學(xué)和基因工程技術(shù)的發(fā)展，關(guān)鍵的信號分子受體和防衛(wèi)反應(yīng)基因?qū)⒅饾u被鑒定和克隆，人們就會更加正確和清晰地認(rèn)識到植物誘導(dǎo)抗病信號的傳導(dǎo)途徑及不同抗病信號途徑之間的內(nèi)在聯(lián)系。明確誘導(dǎo)抗病信號傳導(dǎo)的過程和途徑，人們就可以進(jìn)一步研制開發(fā)出高效持久、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的新型誘抗劑，從而有針對性地對其中關(guān)鍵反應(yīng)部位進(jìn)行合理調(diào)控，使植物既能適宜和有效地發(fā)揮抗病性，而又不損害其正常生長。那時，充分利用誘導(dǎo)抗病性必將成為植物病害可持續(xù)治理的一項(xiàng)重要內(nèi)容。