植物類(lèi)病斑壞死突變體研究進(jìn)展

楊雪靜，劉燕娟，高必達(dá)，周 倩

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物疾病控制與利用湖南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

植物在進(jìn)化的過(guò)程中形成了一套復(fù)雜的抵御病原菌侵染的機(jī)制，其中最有效的一種是過(guò)敏反應(yīng)（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?chē)?xì)胞迅速死亡，形成局部壞死斑，是抑制病原菌繼續(xù)增殖擴(kuò)散的一種植物特異性防衛(wèi)反應(yīng)，屬于植物細(xì)胞程序性死亡（Programmed Cell Death，PCD）的一種[1]。為研究HR的機(jī)理，許多人利用一類(lèi)表現(xiàn)型類(lèi)似HR的突變體開(kāi)展了大量工作，這些突變體被稱(chēng)作類(lèi)病斑壞死突變體（Lesion Mimic Mutation，LMM）。

1 LMM的概念、特點(diǎn)及分類(lèi)

植物類(lèi)病斑壞死突變體是一類(lèi)在沒(méi)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(lèi)似病原物侵染癥狀的突變體。自20世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)第一個(gè)自然突變產(chǎn)生的水稻類(lèi)病斑突變體以來(lái)，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(lèi)病斑壞死突變體的表現(xiàn)型與植物防衛(wèi)過(guò)程中的過(guò)敏反應(yīng)相似，不少LMM在類(lèi)病斑壞死形成之前或之后還表現(xiàn)出對(duì)病原物局部或系統(tǒng)抗性的增強(qiáng)。其中，表現(xiàn)抗性的LMM常常伴隨著典型的過(guò)敏性壞死反應(yīng)現(xiàn)象，并可從分子與細(xì)胞水平檢測(cè)到一些特征性的變化，如植物防衛(wèi)反應(yīng)相關(guān)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(lèi)病斑壞死突變體中，壞死斑的形成還依賴(lài)于某些環(huán)境條件，如光線(xiàn)、溫度、光照長(zhǎng)度或相對(duì)濕度等，并且環(huán)境條件的改變會(huì)導(dǎo)致植株抗性的變化。

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

2 LMM基因的克隆

近年來(lái)通過(guò)分子遺傳學(xué)的方法，已經(jīng)克隆了一些控制植物類(lèi)病斑壞死性狀的基因（表1），這些基因的克隆對(duì)于揭示植物類(lèi)病斑壞死的形成及其抗病機(jī)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(dāng)中很多都不同程度地提高了植株對(duì)病原菌的抗性，表現(xiàn)出一些抗病反應(yīng)特有的組織學(xué)和細(xì)胞學(xué)特征，甚至激活了抗病相關(guān)基因的表達(dá)。這些研究結(jié)果表明，造成突變體類(lèi)病斑壞死形成的原因多種多樣，植物細(xì)胞程序性死亡和HR信號(hào)途徑及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)綜復(fù)雜，這些途徑中任何一個(gè)關(guān)鍵性蛋白功能的缺失或獲得都有可能引發(fā)HR，導(dǎo)致類(lèi)病斑壞死的形成。

表1 植物中已克隆的與類(lèi)病斑性狀相關(guān)的基因

3 LMM類(lèi)病斑表型的形成機(jī)制

隨著越來(lái)越多LMM基因的克隆與功能分析，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)植物類(lèi)病斑突變體壞死斑表型形成的機(jī)制進(jìn)行了廣泛而深入的研究，依研究結(jié)果推測(cè)，可能存在以下幾個(gè)方面的原因。

3.1 抗病基因的改變或過(guò)量表達(dá)

抗病基因的突變，可能導(dǎo)致信號(hào)傳導(dǎo)途徑的改變從而啟動(dòng)HR，形成類(lèi)病斑壞死癥狀。支持這一觀點(diǎn)的最直接證據(jù)是玉米的rp1基因[27]，該基因控制玉米對(duì)銹菌專(zhuān)一小種的抗性。Hu等發(fā)現(xiàn)rp1基因的突變是導(dǎo)致玉米葉片類(lèi)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(lèi)病斑表型。如，Tang等[26]將抗病基因Pto在番茄中過(guò)量表達(dá)，可誘導(dǎo)番茄類(lèi)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(dǎo)致光活化代謝物富集的突變都有可能引起類(lèi)病斑壞死的形成。Hu等[24]對(duì)玉米les22基因序列的分析結(jié)果表明，該基因編碼一個(gè)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(dǎo)致酶反應(yīng)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)榛钚匝酰l(fā)玉米葉片中類(lèi)病斑壞死的發(fā)生。類(lèi)似的研究在擬南芥中也有報(bào)道[3]，說(shuō)明卟啉代謝途徑的紊亂是導(dǎo)致類(lèi)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(dǎo)致類(lèi)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(guān)鍵酶——脂烯酰基酰基載體蛋白還原酶，在突變體中該基因編碼的蛋白發(fā)生了一個(gè)氨基酸殘基的變異，導(dǎo)致脂烯酰基酰基載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(lèi)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(yīng)外界不良環(huán)境的本能反應(yīng)，是植物發(fā)育與抗病反應(yīng)的重要組成部分。植物體內(nèi)存在一整套復(fù)雜的機(jī)制用以調(diào)控細(xì)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(lèi)病斑壞死的形成。擬南芥類(lèi)病斑壞死突變體中克隆的lsd1基因編碼一個(gè)類(lèi)似轉(zhuǎn)錄因子的蛋白，對(duì)植物防衛(wèi)反應(yīng)和PCD起負(fù)調(diào)控作用[29]。Brodersen等[4]敲除編碼擬南芥鞘氨醇轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的acd11基因后能激活植物PCD和防衛(wèi)反應(yīng)。這些研究表明，植物類(lèi)病斑壞死形成與植物PCD失控有關(guān)。

3.4 ROS的作用

在類(lèi)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(shí)間內(nèi)，會(huì)在壞死斑及周?chē)焖俜e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(xì)胞不死亡，而lsd1可以誘發(fā)不受控制的細(xì)胞死亡，這說(shuō)明ROS可以傳導(dǎo)細(xì)胞死亡信號(hào)。但如果超氧化物歧化酶（SOD）和X-XO同時(shí)注入lsd1，壞死斑的形成就會(huì)大大減少，這說(shuō)明ROS誘導(dǎo)了突變體lsd1類(lèi)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(yīng)的內(nèi)源信號(hào)分子，可以介導(dǎo)局部的植物過(guò)敏反應(yīng)，誘發(fā)SAR。細(xì)菌NahG基因負(fù)責(zé)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(duì)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(huì)受到抑制，表明SA在類(lèi)病斑壞死的形成中起了關(guān)鍵作用。

3.6 乙烯和茉莉酸的作用

乙烯和茉莉酸是與果實(shí)成熟、花粉形成、根系發(fā)生等植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程密切相關(guān)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(duì)病原菌的防衛(wèi)反應(yīng)，在許多擬南芥類(lèi)病斑壞死突變體都有表達(dá)。這些結(jié)果說(shuō)明，一些LMM可表達(dá)乙烯和茉莉酸依賴(lài)的基因，通過(guò)過(guò)量表達(dá)這些信號(hào)分子，或者通過(guò)異常調(diào)節(jié)下游信號(hào)實(shí)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(lèi)病斑壞死延遲出現(xiàn)，說(shuō)明乙烯在細(xì)胞死亡的正確的起始和擴(kuò)大上發(fā)揮作用。

4 小結(jié)

植物類(lèi)病斑壞死突變體的表現(xiàn)型類(lèi)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(duì)了解HR信號(hào)傳導(dǎo)途徑和抗病機(jī)理具有重要意義。目前，相關(guān)研究已取得了不少進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)HR涉及PCD、抗病生理、光信號(hào)和水楊酸、茉莉酸以及乙烯等相關(guān)因子轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑和活性氧與自由基的生理生化活動(dòng)等眾多方面。但這些途徑相互作用的機(jī)制，目前為止，人們并不清楚。通過(guò)研究植物類(lèi)病斑突變體壞死斑的形成機(jī)制，能進(jìn)一步加深對(duì)HR機(jī)理和植物抗病防御體系的理解。研究結(jié)果不僅能豐富分子植物病理學(xué)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(lèi)病斑壞死突變體比野生型具有更強(qiáng)的抗病能力，可為抗病育種提供了新的資源。

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