植物誘導抗病信號傳導途徑

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，誘導的抗病信號傳導是抗病性誘導的機制所在。文章論述了植物誘導抗病性的種類、產生過程和兩條重要的抗病信號傳導途徑，并著重對兩條途徑進行分析和比較。

關鍵詞：植物；誘導抗病性；信號傳導途徑；誘導機制

中圖分類號：S 432．23

植物作為真菌、細菌、病毒、線蟲等病原微生物的營養來源和棲息場所，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、協同進化過程中，也逐漸積累而形成一系列復雜的防衛機制。但有些防衛過程在植物正常生長發育過程中并不表現出來，常常需要外界刺激才能快速、充分表達，即產生誘導抗病性。

1植物誘導抗病性種類

誘導抗性是植物受病原物侵染或其他物理的、化學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生的抗性。根據不同標準可分為不同類型。按抗病因素的性質可分為誘導的物理抗病性和誘導的化學抗病性。誘導的物理抗病性是指外界刺激引起植物亞細胞、細胞或組織水平的形態結構發生改變，這種變化可能將病原物局限于細胞壁、單個細胞或局部組織中，從而阻遏其進一步侵入和擴展。誘導處理引起的植物細胞壁木質化、木栓化、乳突的形成和鈣離子沉積等均屬于誘導的物理抗病性范疇。誘導的化學抗病性是指外界刺激引起植物正常生理代謝發生改變，產生抑菌或解毒物質，從而阻遏病原物擴展或危害。誘導的化學抗病性產生機制錯綜復雜。酚類、萜類和類黃酮等次生物質代謝的變化是誘導化學抗病性的基礎；防御反應酶(PAL、POD、PPO、SOD和LOX等)和病程相關蛋白(幾丁質酶和β-1，3-葡聚糖酶等)是提高植物抗病性的生物催化劑；植物保衛素的積累增強了抑菌和對毒素的降解作用。

另外，根據抗病性發生部位的不同還可將誘導抗病性分為局部抗性和系統性獲得抗性(SAR)：局部抗性是在誘導部位或侵染點發生的局部、快速的過敏性壞死反應(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接種所產生的抗性。

2植物誘導抗病性產生過程

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

植物抗病性誘導過程可分為3個階段：一是誘導處理，誘抗因子既可以是病原物、生物代謝產物、也可以是無機物或有機化合物；二是誘導的抗病信號傳遞和轉導，即抗病信號傳遞到未被誘導處理的相鄰的細胞、組織甚至全株，使該部位也處于敏感狀態；三是病原物侵染和誘導抗病性表達，處于敏感狀態的植物細胞一旦感受到挑戰接種的刺激信號，將迅速啟動植物防衛反應基因活化或增強已經活化防衛基因表達，產生強烈的非特異性防衛反應，從而使植物表現出更強的抗病性。

在植物抗病性誘導過程中，抗病信號的傳遞和轉導是植物產生誘導抗病性的關鍵和內在機制所在。抗病信號的傳導又可分為4個階段：(1)植物誘導部位細胞質膜上的受體與誘導的信號分子專化性識別和互作而為植物所感受，并產生刺激信號如產生跨膜粒子流和活性氧暴發。(2)胞間信號傳遞，即刺激信號在植物細胞間傳遞，傳遞到未被侵染細胞、組織或器官。(3)膜上信號轉換，即非誘導部位細胞質膜上的受體與傳遞而來的信號特異性結合，通過跨膜離子流的改變將胞間信號轉換為胞內信號如NO和活性氧中間體ROIs信號。(4)胞內信號轉導，即轉換而來的胞內信號通過某種或某些信號途徑和一系列復雜信號轉導過程啟動相應的防衛反應基因。這種抗病信號轉導過程具有正反饋效應而將信號級聯放大，持續對下游信號發生影響，從而持續激活防衛反應基因活化和特異性或非特異性的表達，使植物在形態和生理上向著阻遏病原物侵染和抑制其擴展的方向變化。最終使植物表現為對病原物的抗病性。

3誘導的抗病信號傳導途徑

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

3．1 SA介導的抗病信號傳導途徑

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

SA從作用部位到效應部位，必須與其靶細胞上受體結合而形成SA-受體復合物，該復合物將信息傳遞至胞內第二信使，第二信使經復雜的胞內信號轉導進而引起各種生理效應。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；當其與SA結合后，則失去這種催化功能，使植物體內H₂O₂積累。進一步研究表明，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，而SA則轉變為SA·并引起自由基鏈反應。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、促進細胞壁木質化和某些結構蛋白發生交聯，從而誘導植物結構抗性的增強；第三、使植物侵染點周圍細胞發生HR，將病原物限定在受侵染部位，從而產生局部抗病性；第四、H₂O₂能夠觸發促分裂原活化蛋白激酶(MAPK)，引起抗病信號級聯放大，激活植物防衛基因表達和抗生代謂物質的產生，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合成過程中的關鍵酶，這兩種酶的活性增強則進一步促進植物內源SA的合成。由此可見，SA與其受體結合導致H₂O₂積累，H₂O₂一方

面直接誘導植物產生抗病性，一方面進一步增加植物體內的SA合成，SA正是通過這種正反饋作用而持續激活下游防衛反應的。

NP尉基因是SA途徑的關鍵基因，該基因過量表達，能夠激活植物的多種抗病相關基因，提高抗病性。SA的積累使細胞內還原勢增加，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，使其能夠轉移到細胞核內并與結合在PR-1基因啟動子區的TGA類轉錄因子相互作用，調控PR基因的表達和sAR產生。擬南芥NPR1突變體對誘導植物產生SAR的生物或化學激活劑不敏感，不表達PR基因，不表現抗病性，但體內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基因表達的上游。

3．2茉莉酸和乙烯介導的抗病信號傳導途徑

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途徑，植物防御素(PDF1.2)是該途徑的標志性產物。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產生抗性；外源JA或ET處理，也均誘導擬南芥PDF1.2基因的轉錄和翻譯水平的提高，植株積累PDF1.2并產生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，均不被誘導表達PDF1.2基因，也不能產生SAR。所以，JA和ET也被認為是參與抗性信號傳導、誘導植物產生SAR的第二信使。用JA和ET處理可降解SA的轉基因擬南芥，仍然誘導SAR的產生，且SA并不誘導PDF1.2基因的表達，說明JA／ET介導的抗病信號轉導不依賴于SA途徑。

一般認為，JA及其甲酯(MeJA)是植物體內包括細胞內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，其誘導的植物抗病信號轉導途徑還不完全清楚。通過對擬南芥JA不敏感突變體coil的研究發現，Coll基因編碼一種富含LRR重復序列和具F-box基序的蛋白，這種蛋白可能與感應JA信號的負調控因子(Skpl和cullin等)結合而形成一個E3泛素連接酶復合體(SCF^coll)，該復合體可被泛素的酶解系統來識別并選擇性降解負調控因子，即泛素通過降解SCF^coll中的抑制因子而使JA信號正常轉導。ET受體家族位于內質網膜上，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結合區、緊隨其后的GAF區和C末端的His蛋白激酶區構成。研究發現，ET受體是ET反應中的負調節子：受體處于開啟狀態，抑制ET反應；而受體關閉時，則誘導乙烯反應。

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

3．3兩條抗病信號傳導途徑的關系

SA途徑和JA／ET途徑不是孤立的，兩者既有所區別，也有聯系。一般認為，SA主要介導植物對專性寄生病原物的抗性，而JA／ET主要介導對兼性寄生病原物的抗性。轉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生改變。但事實并非完全如此，E.A.Achuo等發現，轉NahG基因的番茄對死體營養真菌Botrytis cinerea的感病性增強，但不改變其對專性寄生菌Odium neolyco persici的感病性；而轉NahG基因的煙草對O.neolycopersici的感病性增強，卻不改變其對B.cinerea的感病性。所以他們認為，植物以何種途徑介導對病原物抗性，取決于“寄主一病原物”互作體系具體情況，互作體系不同，其抗病防衛反應特點也可能不同。

SA途徑和JA／ET途徑之間還存在著密切聯系，兩者相互抑制或增強。SA主要誘導酸性PR蛋白，JA／ET主要誘導堿性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，番茄被細菌性斑點病菌(Pseudomonas syringae)侵染后，不僅抗病性提高，抗蟲性也增強；而昆蟲的取食同樣誘導番茄的抗病性。這說明SA途徑和JA／ET途徑之間還可能協同表達。

SA途徑和JA／ET途徑之間的對話，是通過信號轉導網絡中的“節點”基因實現的。NPR1基因是研究較深入的“節點”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誘導的基因表達，說明SA對JA的抑制作用需要NPR1參與。但與前述NPR1單體在細胞核內對SA途徑正向調控不同，NPR1對SA和JA信號傳導途徑之間的協調發生在還在細胞質中，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行調節的。另外，Li Jing等人研究發現，轉錄因子WRKY70對SA和JA兩條抗病途徑之間也有著重要的調節作用，而且這種作用產生于NPR1基因下游。

4展望

隨著分子生物學和基因工程技術的發展，關鍵的信號分子受體和防衛反應基因將逐漸被鑒定和克隆，人們就會更加正確和清晰地認識到植物誘導抗病信號的傳導途徑及不同抗病信號途徑之間的內在聯系。明確誘導抗病信號傳導的過程和途徑，人們就可以進一步研制開發出高效持久、經濟實用的新型誘抗劑，從而有針對性地對其中關鍵反應部位進行合理調控，使植物既能適宜和有效地發揮抗病性，而又不損害其正常生長。那時，充分利用誘導抗病性必將成為植物病害可持續治理的一項重要內容。