麗赤殼屬病原菌致病機(jī)制研究進(jìn)展

李雯雯，陳帥飛

麗赤殼屬病原菌致病機(jī)制研究進(jìn)展

李雯雯，陳帥飛＊

(國(guó)家林業(yè)和草原局桉樹(shù)研究開(kāi)發(fā)中心，廣東 湛江 524022)

麗赤殼屬真菌包含多種全球分布且危害嚴(yán)重的植物病原菌，由麗赤殼屬真菌引起的桉樹(shù)葉焦枯病是危害我國(guó)桉樹(shù)人工林健康的重大病害之一，目前其致病機(jī)制尚不清楚。本文概述了當(dāng)前麗赤殼屬病原菌致病機(jī)制的研究進(jìn)展，包括其侵染過(guò)程、致病因子以及分子致病機(jī)理。另外，基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)以及小RNA分析是今后研究麗赤殼屬病原菌分子致病機(jī)制的主要方法。

桉樹(shù)；侵染過(guò)程；致病因子；致病機(jī)理

麗赤殼屬()真菌隸屬于子囊菌門(mén)(Ascomycota)、糞殼菌綱(Sordariomycetes)、肉座菌目(Hypocreales)、叢赤殼科(Nectriaceae)，之前其無(wú)性屬名為帚梗柱孢屬()[1]。麗赤殼屬真菌包含一些全球分布的重要植物病原菌，其寄主范圍廣，能夠危害林木、農(nóng)作物及園林植物將近100個(gè)科的335種植物的地上和地下部分，可造成葉部焦枯、葉部腐爛、莖腐、根腐等多種癥狀[2-3]。例如，可引起嚴(yán)重的花生黑腐病和大豆紅冠腐病[4-5]；可侵染牡丹的葉片造成牡丹褐斑病[6]。由麗赤殼屬真菌引起的桉樹(shù)葉焦枯病是我國(guó)桉樹(shù)人工林重大病害之一[7-9]。

早期研究表明，植物病原菌接觸寄主植物后，在適宜的條件下產(chǎn)生侵染結(jié)構(gòu)，然后在寄主體內(nèi)定殖擴(kuò)展，通過(guò)產(chǎn)生胞外酶、毒素等各種致病效應(yīng)因子，致使植物產(chǎn)生病害癥狀[10]。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，病原菌致病因子及相關(guān)基因成為其致病機(jī)制研究的熱點(diǎn)，相關(guān)研究在與同屬一個(gè)科(Nectriaceae)的植物病原菌如鐮刀菌()上已取得相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展[11-12]。目前，針對(duì)麗赤殼屬病原菌的致病機(jī)制研究，國(guó)內(nèi)外均少有報(bào)道。本文通過(guò)概述麗赤殼屬病原菌致病機(jī)制的研究進(jìn)展，以期為進(jìn)一步揭示麗赤殼屬病原菌與寄主植物的互作機(jī)制，進(jìn)而為探究新的病害防控途徑提供參考。

1 麗赤殼屬病原菌的侵染過(guò)程

植物病原真菌侵入寄主植物體內(nèi)并成功定殖是其致病的首要條件[13]。真菌在侵入寄主植物時(shí)菌絲往往會(huì)形成許多特殊結(jié)構(gòu)，如侵入釘、附著胞、吸器等，這些侵染結(jié)構(gòu)的形成對(duì)病原菌的生長(zhǎng)及病害的發(fā)生具有重要意義[10,13]。關(guān)于麗赤殼屬病原菌侵染寄主植物的過(guò)程，在不同的麗赤殼屬物種與寄主植物上均有研究。MILHOLLAND[14]將(=[15])的孢子懸浮液噴灑在藍(lán)莓的幼嫩莖干和葉片上，發(fā)現(xiàn)接種2 h后孢子末端萌發(fā)形成芽管，8 h后在芽管頂端形成單細(xì)胞的附著胞，附著胞與植物接觸部位形成侵染絲，然后通過(guò)氣孔侵入植物表皮細(xì)胞，偶爾也可見(jiàn)侵染絲直接穿透表皮；菌絲穿過(guò)氣孔后尖端膨大并形成分枝，在葉肉組織的細(xì)胞間和細(xì)胞內(nèi)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致表皮細(xì)胞和周圍薄壁組織壞死、塌陷。藍(lán)莓幼嫩莖干內(nèi)的菌絲可深入導(dǎo)管，誘導(dǎo)植物產(chǎn)生侵填體，阻塞導(dǎo)管，致使植株死亡[14]。JOHNSTON等[16]研究了花生黑腐病菌的菌核早期侵染花生的過(guò)程，通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，可將感染的花生下胚軸發(fā)病過(guò)程分為以下幾個(gè)階段：菌絲在下胚軸表面隨機(jī)生長(zhǎng)；在表皮形成侵染墊，侵染墊下方的植物細(xì)胞核變大，染色加深，成為壞死前細(xì)胞；侵染墊產(chǎn)生菌絲；菌絲完全在皮層定殖；菌絲在韌皮部外的周皮停止擴(kuò)展，如果條件有利于菌絲生長(zhǎng)，菌絲在周皮表面聚集成團(tuán)，導(dǎo)致壞死由周皮向維管束組織擴(kuò)展；壞死斑擴(kuò)展到維管束導(dǎo)致植物死亡。另外，JOHNSTON等[16]還發(fā)現(xiàn)在有外源營(yíng)養(yǎng)(PDA培養(yǎng)基)的情況下，侵染寄主的速度更快，菌絲可深入包括木質(zhì)部在內(nèi)的所有組織，并且在靠近地面部分的外表皮形成子囊果。研究表明，在根部的侵染機(jī)制不同于下胚軸，在根部不形成侵染墊，而是菌絲直接侵入中柱并定殖[16]?；ㄉ诟『痛蠖辜t冠腐病的組織病理學(xué)分析均表明：的侵染可導(dǎo)致植物外胚層和維管束堵塞[17-18]。YE等[19]通過(guò)掃描電鏡觀察了分生孢子萌發(fā)及侵染過(guò)程，發(fā)現(xiàn)分生孢子可從兩端或中間萌發(fā)，產(chǎn)生1個(gè)或多個(gè)芽管，芽管產(chǎn)生多個(gè)分枝，末端形成侵染結(jié)構(gòu)，從葉背面的氣孔侵入葉片。此結(jié)果也證實(shí)了此前關(guān)于桉樹(shù)焦枯病發(fā)病規(guī)律的研究中病原菌主要從葉背面自然孔口侵入的結(jié)論[20]。

2 麗赤殼屬真菌的致病因子

植物病原真菌的致病性是指病原物所具有的損害寄主和引起病變的能力，而決定病原物致病性的因子通常被稱為致病因子，主要包括各種酶類、毒素和生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)等[10]。植物病害的發(fā)生常常是病原物多種致病因子共同作用的結(jié)果。

細(xì)胞壁降解酶(Cell Wall Degrading Enzyme, CWDE)是重要的致病因子，主要包括果膠酶、纖維素酶、半纖維素酶、木質(zhì)素降解酶等，上述酶可降解植物細(xì)胞壁聚合物，對(duì)于不產(chǎn)生侵染結(jié)構(gòu)的植物病原菌尤為重要。此外，所有的植物病原真菌在入侵后期都需要上述酶。許多植物病原真菌會(huì)主動(dòng)殺死和降解植物組織，利用釋放出的單糖和寡糖進(jìn)行生長(zhǎng)和繁殖[21]。在研究細(xì)胞壁降解酶作為致病因子時(shí)需要考慮的問(wèn)題是何種酶在病原菌侵入植物時(shí)更重要或最先起作用。當(dāng)然，由于植物細(xì)胞壁的復(fù)雜性以及病原菌自身的特性，不同植物病原菌侵染寄主時(shí)所需的細(xì)胞壁降解酶不同，從而可得出不同的病原菌致病模式的差異[21]。不同的細(xì)胞壁降解酶在病原菌侵染寄主植物的不同時(shí)期所起的作用不同，彼此之間相互協(xié)調(diào)。細(xì)胞壁降解酶的協(xié)同作用在鐮刀菌上得到了深入的研究[22-24]，而麗赤殼屬真菌這方面的研究還相對(duì)較少，許多問(wèn)題有待進(jìn)一步探究。

毒素是植物病原菌在代謝過(guò)程中產(chǎn)生的一類可在低濃度下干擾植物正常的生理功能并對(duì)植物產(chǎn)生毒害作用的非酶類化合物[10]，主要作用于植物細(xì)胞質(zhì)膜、葉綠體、線粒體等位點(diǎn)，增大細(xì)胞膜通透性，使宿主失水，改變細(xì)胞器結(jié)構(gòu)和功能，影響酶的活性，進(jìn)而影響寄主植物的光合作用、蒸騰作用、核酸代謝和蛋白質(zhì)合成等生理生化過(guò)程，是植物病原菌主要致病因子之一[25-26]。HIROTA等[27]從的培養(yǎng)濾液中分離鑒定出一種環(huán)狀四肽毒素Cyl-2，研究表明其在濃度為30 mg·L-1時(shí)對(duì)生菜幼苗根系生長(zhǎng)仍有明顯的抑制作用。KIM等[28]研究了的代謝產(chǎn)物對(duì)大豆病害發(fā)展的作用，結(jié)果顯示培養(yǎng)液中產(chǎn)生的有毒代謝物能夠?qū)е麓蠖谷~片電解質(zhì)流失，這表明的代謝物質(zhì)可能參與了葉部病害癥狀的表達(dá)，此現(xiàn)象在鐮刀菌與玉米的互作系統(tǒng)中也得到了證實(shí)[29]。OCHI等[30]從中分離得到一種植物毒素，稱之為PF1070A，是一種環(huán)狀四肽。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明菌株毒力與PF1070A的產(chǎn)生呈明顯正相關(guān)，說(shuō)明PF1070A在菌株毒力中起作用，對(duì)植物有毒害作用[30]。VON WALLBRUNN等[31]從中分離得到2種有毒化合物，分別鑒定為球毛殼甲素A(chaetoglobosin A)和19-O-乙?；蛎珰ぜ姿谹(19-O-acetylchaetoglobosin A)，可嚴(yán)重抑制供試植物幼苗的生長(zhǎng)。劉宏毅等[32]在全基因組測(cè)序的基礎(chǔ)上，通過(guò)生物信息分析，對(duì)其ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)行分類鑒定，并進(jìn)行了功能預(yù)測(cè)，結(jié)果表明ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白除轉(zhuǎn)運(yùn)外源化學(xué)物質(zhì)和疏水的化學(xué)分子外，還參與細(xì)胞代謝、核糖體的合成、翻譯以及增強(qiáng)呼吸作用等多項(xiàng)生命活動(dòng)，為侵染桉樹(shù)提供能量。

3 麗赤殼屬真菌的分子致病機(jī)制

目前有關(guān)麗赤殼屬真菌分子致病機(jī)制的研究相對(duì)較少，相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道則更少。近年來(lái)，全基因組測(cè)序已被廣泛應(yīng)用于植物病原菌研究，該技術(shù)與比較基因組學(xué)分析的應(yīng)用，加快了對(duì)植物病原菌的研究，同時(shí)也極大提高了對(duì)病原菌的認(rèn)知[33-34]。YE等[35]測(cè)定并組裝了的基因組，大小為63.7 Mb，包含14 355個(gè)編碼基因，編碼能力與十分相近[36]。通過(guò)與另外的12種子囊菌進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育和基因家族比較分析，發(fā)現(xiàn)與親緣關(guān)系更近，且擁有最多共同的基因家族，說(shuō)明二者保留了更多的共同特征[35]。另外，特有的基因家族大多還未被注釋，推測(cè)是為了適應(yīng)特定寄主而形成的，而已經(jīng)被注釋了的特異性基因家族在肽酶活性、氧化還原酶活性等功能項(xiàng)目上得以富集表達(dá)[35]。與相比，收縮的基因家族在功能上主要與tRNA甲基轉(zhuǎn)移酶活性、蛋白磷酸化和氧化還原酶活性相關(guān)，擴(kuò)張的基因家族在氧化還原過(guò)程中顯著富集[35]。

表皮和細(xì)胞壁是植物抵御病原入侵的主要物理屏障，由角質(zhì)、纖維素、半纖維素、果膠、木質(zhì)素和結(jié)構(gòu)蛋白組成。植物病原分泌一系列細(xì)胞壁降解酶，促進(jìn)宿主細(xì)胞壁降解，從而有助于侵染[37]。角質(zhì)酶是表面穿透性病原真菌(如、)的重要致病因子，敲除角質(zhì)酶基因會(huì)使病原菌致病力顯著下降[38-39]。與其他病原真菌基因組相比，包含大量的角質(zhì)酶基因，參與果膠和木質(zhì)素水解的酶基因也相對(duì)更多，這可能也是其能夠侵染具有較厚表皮的桉樹(shù)抗病品種的主要原因[35]。通過(guò)對(duì)侵染桉樹(shù)不同階段的轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，侵染前期角質(zhì)酶基因Cp_Cap05169上調(diào)表達(dá)，表明該基因是促進(jìn)桉樹(shù)感染的重要因子[19]。另外，研究還表明與果膠水解相關(guān)的多聚半乳糖醛酸內(nèi)切酶基因Cp_Cap14295，與纖維素、半纖維素降解相關(guān)的β-半乳糖苷酶基因Cp_Cap06841和β-葡糖苷酶基因Cp_Cap12678在侵染過(guò)程中也在不斷上調(diào)[19]。侵染后期下調(diào)基因數(shù)量明顯增多，說(shuō)明隨著時(shí)間的推移承受的宿主壓力越來(lái)越大[19]。GO和KEGG富集分析表明差異表達(dá)基因主要參與調(diào)節(jié)氧化還原酶活性、水解酶活性和跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白活性[19]。大部分差異表達(dá)基因在侵染初期被上調(diào)，這些上調(diào)基因主要參與細(xì)胞壁水解和毒素合成，揭示了細(xì)胞壁水解酶和毒素在桉樹(shù)葉焦枯病發(fā)生中的重要作用[19]。

4 結(jié)語(yǔ)

麗赤殼屬真菌的許多物種對(duì)植物都具有很強(qiáng)的致病性，是重要的植物病原菌[2]。由麗赤殼屬真菌引起的各類病害給農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。由于病原真菌與寄主植物互作的復(fù)雜性，麗赤殼屬真菌的致病機(jī)理研究雖取得了一些進(jìn)展，但仍處于初級(jí)階段，還有很多更深層次的問(wèn)題需要探索。隨著組學(xué)技術(shù)以及小RNA研究的深入發(fā)展，麗赤殼屬真菌的分子致病機(jī)制研究進(jìn)程或?qū)⒌靡源龠M(jìn)。在基因組、轉(zhuǎn)錄組等數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用RNA干擾、基因敲除等技術(shù)研究致病相關(guān)基因的功能以及基因調(diào)控的生命過(guò)程，有助于明確致病因子和致病基因在麗赤殼屬真菌致病過(guò)程中的作用和機(jī)制。通過(guò)麗赤殼屬病原菌致病機(jī)制的研究，將為通過(guò)選育桉樹(shù)抗病基因型進(jìn)而實(shí)現(xiàn)桉樹(shù)葉焦枯病的防控提供科學(xué)依據(jù)。

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Research Advances on Pathogenic Mechanisms ofSpecies

LI Wenwen, CHEN Shuaifei

(,,)

Species ofinclude a large number of important plant pathogens, which are commonly distributed worldwide.leaf blight caused byis one of the most serious diseases tos plantations in China. At present, the pathogenesis ofis still unclear. In this paper, we reviewed the current progress of research into the pathogenic mechanisms of, including its infection process, pathogenic factors and molecular pathogenic mechanism. Genomics, transcriptomics, proteomics and small RNA analysis have to date been the main research methods to study the pathogenic mechanisms of thespecies.

eucalypt; infection process; pathogenic factor; pathogenic mechanism

10.13987/j.cnki.askj.2020.01.010

S763.15

A

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“桉樹(shù)高效培育技術(shù)研究”課題“桉樹(shù)高效可持續(xù)經(jīng)營(yíng)技術(shù)”(2016YFD0600505)

李雯雯(1992－ )，碩士，主要從事森林病害研究，E-mail:liww9208@126.com

陳帥飛(1982－ )，博士，研究員，主要從事森林病害研究，E-mail:cerccsf@126.com