植物類病斑壞死突變體研究進展

楊雪靜，劉燕娟，高必達，周 倩

（湖南農(nóng)業(yè)大學植物疾病控制與利用湖南省高校重點實驗室，湖南 長沙 410128）

植物在進化的過程中形成了一套復雜的抵御病原菌侵染的機制，其中最有效的一種是過敏反應（Hypersensitive Response，HR）。HR是植物受非親和性病原菌感染后，受侵染部位及周圍細胞迅速死亡，形成局部壞死斑，是抑制病原菌繼續(xù)增殖擴散的一種植物特異性防衛(wèi)反應，屬于植物細胞程序性死亡（Programmed Cell Death，PCD）的一種[1]。為研究HR的機理，許多人利用一類表現(xiàn)型類似HR的突變體開展了大量工作，這些突變體被稱作類病斑壞死突變體（Lesion Mimic Mutation，LMM）。

1 LMM的概念、特點及分類

植物類病斑壞死突變體是一類在沒有明顯損傷、逆境或病原物侵染的條件下，能在葉片或全株上自發(fā)形成壞死斑，狀態(tài)類似病原物侵染癥狀的突變體。自20世紀60年代發(fā)現(xiàn)第一個自然突變產(chǎn)生的水稻類病斑突變體以來，相繼在玉米、擬南芥、大麥、大豆等許多植物中發(fā)現(xiàn)了這樣的突變材料[1]。這些類病斑壞死突變體的表現(xiàn)型與植物防衛(wèi)過程中的過敏反應相似，不少LMM在類病斑壞死形成之前或之后還表現(xiàn)出對病原物局部或系統(tǒng)抗性的增強。其中，表現(xiàn)抗性的LMM常常伴隨著典型的過敏性壞死反應現(xiàn)象，并可從分子與細胞水平檢測到一些特征性的變化，如植物防衛(wèi)反應相關基因的激活、系統(tǒng)獲得抗性途徑的激活、水楊酸量的升高、活性氧的迸發(fā)以及胼胝質(zhì)的積累等。此外，在一些類病斑壞死突變體中，壞死斑的形成還依賴于某些環(huán)境條件，如光線、溫度、光照長度或相對濕度等，并且環(huán)境條件的改變會導致植株抗性的變化。

根據(jù)類病斑突變體的表現(xiàn)型及其與細胞程序性死亡的關系，Lorrain等[1]將它們分為兩類。一種是細胞程序性死亡的抑制途徑，另一種是細胞程序性死亡的激發(fā)途徑。細胞程序性死亡被抑制所產(chǎn)生的突變體稱為反饋或擴散型（Propagation class）突變體，這一類LMM的葉片某一點細胞壞死一旦發(fā)生，便迅速擴散到整個葉片甚至莖稈和植株。細胞程序性死亡被激發(fā)產(chǎn)生的突變體稱起始型（Initiation class）突變體，這一類LMM在沒有受到病原物侵染時，細胞壞死隨機和自發(fā)地在葉片或植株上獨立產(chǎn)生，不會擴散。起始型突變體又可以分為缺乏細胞死亡起始負調(diào)控的功能失去型和組成型表達細胞死亡信號的功能獲得型。

2 LMM基因的克隆

近年來通過分子遺傳學的方法，已經(jīng)克隆了一些控制植物類病斑壞死性狀的基因（表1），這些基因的克隆對于揭示植物類病斑壞死的形成及其抗病機理有著非常重要的作用。然而，這些基因的序列和功能分析卻表明它們之間很少存在同源性，共同的特征是這些突變體當中很多都不同程度地提高了植株對病原菌的抗性，表現(xiàn)出一些抗病反應特有的組織學和細胞學特征，甚至激活了抗病相關基因的表達。這些研究結果表明，造成突變體類病斑壞死形成的原因多種多樣，植物細胞程序性死亡和HR信號途徑及其調(diào)控網(wǎng)絡錯綜復雜，這些途徑中任何一個關鍵性蛋白功能的缺失或獲得都有可能引發(fā)HR，導致類病斑壞死的形成。

表1 植物中已克隆的與類病斑性狀相關的基因

3 LMM類病斑表型的形成機制

隨著越來越多LMM基因的克隆與功能分析，國內(nèi)外許多學者對植物類病斑突變體壞死斑表型形成的機制進行了廣泛而深入的研究，依研究結果推測，可能存在以下幾個方面的原因。

3.1 抗病基因的改變或過量表達

抗病基因的突變，可能導致信號傳導途徑的改變從而啟動HR，形成類病斑壞死癥狀。支持這一觀點的最直接證據(jù)是玉米的rp1基因[27]，該基因控制玉米對銹菌專一小種的抗性。Hu等發(fā)現(xiàn)rp1基因的突變是導致玉米葉片類病斑壞死形成的原因。此外，轉(zhuǎn)抗病基因的不少植物也表現(xiàn)出類病斑表型。如，Tang等[26]將抗病基因Pto在番茄中過量表達，可誘導番茄類病斑壞死的發(fā)生。

3.2 正常代謝途徑紊亂

卟啉代謝途徑中任何催化酶基因的突變，甚至任何可導致光活化代謝物富集的突變都有可能引起類病斑壞死的形成。Hu等[24]對玉米les22基因序列的分析結果表明，該基因編碼一個尿卟啉原脫羧酶 （uroporphyrinogen decarboxylase，UROD），les22發(fā)生了變異，顯著降低了UROD的活性，導致酶反應底物尿卟啉原III的大量積累。尿卟啉原III在光照條件下將分子氧轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚匝?，引發(fā)玉米葉片中類病斑壞死的發(fā)生。類似的研究在擬南芥中也有報道[3]，說明卟啉代謝途徑的紊亂是導致類病斑壞死形成的原因之一。

脂肪酸代謝途徑中的基因突變也能導致類病斑表型的形成。擬南芥mod1突變體中的mod1基因編碼脂肪酸生物合成途徑中的關鍵酶——脂烯?；；d體蛋白還原酶，在突變體中該基因編碼的蛋白發(fā)生了一個氨基酸殘基的變異，導致脂烯酰基?；d體蛋白還原酶的活性大大降低，使得脂肪酸生物合成途徑受阻，降低了植物體內(nèi)的總脂含量，引起類病斑壞死表型的形成[28]。

3.3 植物PCD失控

植物PCD是植物自身發(fā)育與適應外界不良環(huán)境的本能反應，是植物發(fā)育與抗病反應的重要組成部分。植物體內(nèi)存在一整套復雜的機制用以調(diào)控細胞的死亡，任何干擾或影響植物正常PCD發(fā)生的因素都可能引發(fā)類病斑壞死的形成。擬南芥類病斑壞死突變體中克隆的lsd1基因編碼一個類似轉(zhuǎn)錄因子的蛋白，對植物防衛(wèi)反應和PCD起負調(diào)控作用[29]。Brodersen等[4]敲除編碼擬南芥鞘氨醇轉(zhuǎn)運蛋白的acd11基因后能激活植物PCD和防衛(wèi)反應。這些研究表明，植物類病斑壞死形成與植物PCD失控有關。

3.4 ROS的作用

在類病斑突變體中自發(fā)性壞死斑的形成往往伴隨著ROS的富集，許多LMM在短時間內(nèi)，會在壞死斑及周圍快速積累H2O2和O2-。Jabs等發(fā)現(xiàn)，將H2O2的發(fā)生系統(tǒng)（黃嘌呤和黃嘌呤酶，X-XO）分別注入擬南芥lsd1的突變體和野生型中，野生型的細胞不死亡，而lsd1可以誘發(fā)不受控制的細胞死亡，這說明ROS可以傳導細胞死亡信號。但如果超氧化物歧化酶（SOD）和X-XO同時注入lsd1，壞死斑的形成就會大大減少，這說明ROS誘導了突變體lsd1類病斑的形成。

3.5 水楊酸的作用

水楊酸是一種重要的能激活植物抗病防衛(wèi)反應的內(nèi)源信號分子，可以介導局部的植物過敏反應，誘發(fā)SAR。細菌NahG基因負責編碼水楊酸羥基酶，將SA轉(zhuǎn)化成兒茶酚。在植物中，轉(zhuǎn)NahG基因的植株不能富集SA。對擬南芥突變體acd11的轉(zhuǎn)基因研究表明[4]，在NahG基因存在的情況下，突變體自發(fā)壞死斑的形成會受到抑制，表明SA在類病斑壞死的形成中起了關鍵作用。

3.6 乙烯和茉莉酸的作用

乙烯和茉莉酸是與果實成熟、花粉形成、根系發(fā)生等植物生長發(fā)育過程密切相關的重要激素。PDF 1.2和Thi2.1基因克隆后，人們發(fā)現(xiàn)乙烯和茉莉酸還參與植物對病原菌的防衛(wèi)反應，在許多擬南芥類病斑壞死突變體都有表達。這些結果說明，一些LMM可表達乙烯和茉莉酸依賴的基因，通過過量表達這些信號分子，或者通過異常調(diào)節(jié)下游信號實現(xiàn)。Devadas等用突變體acd5、cpr5和hrl1與乙烯途徑破壞的突變體雜交，發(fā)現(xiàn)類病斑壞死延遲出現(xiàn)，說明乙烯在細胞死亡的正確的起始和擴大上發(fā)揮作用。

4 小結

植物類病斑壞死突變體的表現(xiàn)型類似一些病原菌感染后激活的HR，研究LMM的特征及其控制基因，對了解HR信號傳導途徑和抗病機理具有重要意義。目前，相關研究已取得了不少進展，發(fā)現(xiàn)HR涉及PCD、抗病生理、光信號和水楊酸、茉莉酸以及乙烯等相關因子轉(zhuǎn)導途徑和活性氧與自由基的生理生化活動等眾多方面。但這些途徑相互作用的機制，目前為止，人們并不清楚。通過研究植物類病斑突變體壞死斑的形成機制，能進一步加深對HR機理和植物抗病防御體系的理解。研究結果不僅能豐富分子植物病理學的內(nèi)涵，還有望在植物廣譜抗性改良上發(fā)揮積極作用。不少植物類病斑壞死突變體比野生型具有更強的抗病能力，可為抗病育種提供了新的資源。

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