葉建仁,黃麟
(南京林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院,江蘇省有害生物預(yù)防與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210037)
松材線(xiàn)蟲(chóng)病又稱(chēng)松樹(shù)萎蔫病,可在短時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致松樹(shù)死亡,是松樹(shù)上的一種毀滅性病害。該病寄主包括黑松、赤松和馬尾松等數(shù)十種松屬植物,也危害少數(shù)非松屬針葉樹(shù)[1]。日本1905年首次報(bào)道了該病在長(zhǎng)崎縣引起松樹(shù)大面積枯死。目前該病分布于美國(guó)、加拿大、墨西哥、葡萄牙、韓國(guó)、日本及中國(guó)等多個(gè)國(guó)家,其中在日本、中國(guó)和韓國(guó)發(fā)生最為嚴(yán)重[2-3]。我國(guó)自1982年在南京中山陵首次發(fā)現(xiàn)該病短短30年時(shí)間里,疫情已擴(kuò)大到江蘇、安徽、廣東、浙江、山東、福建、江西、廣西、四川等16個(gè)省區(qū),每年發(fā)生面積近10萬(wàn)hm2,累計(jì)致死松樹(shù)5 000多萬(wàn)株,直接經(jīng)濟(jì)損失25億元,間接損失250億元。近年來(lái)疫情擴(kuò)散蔓延呈加劇之勢(shì),已逼近黃山等著名風(fēng)景名勝區(qū)、世界自然文化遺產(chǎn)地和重點(diǎn)生態(tài)區(qū)域,對(duì)我國(guó)大面積松林構(gòu)成嚴(yán)重威脅,是我國(guó)最具危險(xiǎn)性的頭號(hào)森林病害[4]。該病涉及到寄主松樹(shù)、線(xiàn)蟲(chóng)、天牛、真菌、細(xì)菌以及環(huán)境因素等多個(gè)方面[5-6],至今其致病機(jī)理尚未完全弄清,對(duì)其治理也較為被動(dòng),還沒(méi)有特別有效的防治措施。病原學(xué)的深入研究是揭示松材線(xiàn)蟲(chóng)病致病機(jī)制和流行規(guī)律的前提,也是科學(xué)有效實(shí)施防治的基礎(chǔ)。關(guān)于該病的病原、致病分子機(jī)理等基礎(chǔ)性問(wèn)題的研究有助于突破松材線(xiàn)蟲(chóng)病研究中長(zhǎng)期未能解決的關(guān)鍵問(wèn)題,為該病的科學(xué)防控提供理論基礎(chǔ)。
關(guān)于松材線(xiàn)蟲(chóng)病的病原,長(zhǎng)期以來(lái)松材線(xiàn)蟲(chóng)被認(rèn)為是該病的惟一病原,接種實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)松材線(xiàn)蟲(chóng)能引起松樹(shù)萎蔫[7-9]。在接種的早期階段即樹(shù)脂分泌停止階段,松樹(shù)體內(nèi)線(xiàn)蟲(chóng)量較少;當(dāng)松樹(shù)針葉變黃時(shí)樹(shù)體內(nèi)線(xiàn)蟲(chóng)的蟲(chóng)口數(shù)快速增長(zhǎng),病情逐漸惡化;松樹(shù)死后線(xiàn)蟲(chóng)數(shù)量又逐漸減少[10]。將松材線(xiàn)蟲(chóng)經(jīng)制霉菌素、青霉素消毒后得到無(wú)菌線(xiàn)蟲(chóng),接種實(shí)驗(yàn)證實(shí)無(wú)菌線(xiàn)蟲(chóng)的致病性并未喪失[11]。研究還發(fā)現(xiàn)接種黑松1周后黑松的水分輸導(dǎo)即受阻,但松樹(shù)體內(nèi)的微生物相和健康松樹(shù)相似,直至接種5周后,藍(lán)變菌開(kāi)始出現(xiàn),細(xì)菌才開(kāi)始增多,因此認(rèn)為接種松材線(xiàn)蟲(chóng)的致病性與其它微生物無(wú)關(guān)[12]。最新的研究發(fā)現(xiàn)從卵階段就開(kāi)始無(wú)菌化處理獲得的無(wú)菌線(xiàn)蟲(chóng),在無(wú)菌條件下對(duì)無(wú)菌組培苗的致病性測(cè)定表明,無(wú)菌松材線(xiàn)蟲(chóng)及帶菌松材線(xiàn)蟲(chóng)接種均能使赤松和濕地松無(wú)菌苗發(fā)生萎蔫,無(wú)菌化處理并未使松材線(xiàn)蟲(chóng)喪失致病性,而松材線(xiàn)蟲(chóng)體表細(xì)菌單獨(dú)接種未能使無(wú)菌苗發(fā)病。無(wú)菌松材線(xiàn)蟲(chóng)在發(fā)病植株體內(nèi)大量繁殖,病株體內(nèi)的線(xiàn)蟲(chóng)回收后依然保持無(wú)菌狀態(tài)[13],這些工作表明松材線(xiàn)蟲(chóng)可以單獨(dú)引起松樹(shù)萎蔫,松材線(xiàn)蟲(chóng)是導(dǎo)致松樹(shù)發(fā)病的直接原因。
早期的研究發(fā)現(xiàn)感染松材線(xiàn)蟲(chóng)病的病木生理和組織病理學(xué)變化往往在線(xiàn)蟲(chóng)數(shù)量快速增長(zhǎng)之前出現(xiàn),因此推測(cè)可能其他因素參與了該病的病理學(xué)過(guò)程,并認(rèn)為松材線(xiàn)蟲(chóng)攜帶的產(chǎn)毒素細(xì)菌 Pseudomonas spp.可能在松材線(xiàn)蟲(chóng)病中發(fā)揮作用[14-15]。后來(lái)的研究發(fā)現(xiàn),松材線(xiàn)蟲(chóng)攜帶包括細(xì)菌和真菌在內(nèi)的大量伴生微生物類(lèi)群[16-18]。有研究認(rèn)為松材線(xiàn)蟲(chóng)攜帶的伴生細(xì)菌在該病的病程中發(fā)揮重要作用,該病是由松材線(xiàn)蟲(chóng)和伴生細(xì)菌共同引起的復(fù)合侵染病害。該觀點(diǎn)認(rèn)為松材線(xiàn)蟲(chóng)病是松材線(xiàn)蟲(chóng)與其體表攜帶的致病細(xì)菌共同侵入寄主,致病細(xì)菌分泌毒素導(dǎo)致寄主萎蔫和死亡。松材線(xiàn)蟲(chóng)攜帶細(xì)菌侵入樹(shù)體后,線(xiàn)蟲(chóng)在為致病細(xì)菌提供營(yíng)養(yǎng)和保護(hù)作用,而致病細(xì)菌在產(chǎn)毒和促進(jìn)線(xiàn)蟲(chóng)繁殖等方面起重要作用,二者對(duì)誘發(fā)寄主的萎蔫和死亡缺一不可。松材線(xiàn)蟲(chóng)的無(wú)菌化處理會(huì)導(dǎo)致其致病性減弱,甚至完全喪失其致病性[19-26]。
但是目前松材線(xiàn)蟲(chóng)攜帶細(xì)菌致病的觀點(diǎn)存在較大爭(zhēng)議。如很難對(duì)松材線(xiàn)蟲(chóng)的致病性分化,特別是對(duì)同一地區(qū)的松材線(xiàn)蟲(chóng)的致病性分化做出合理的解釋?zhuān)谧匀粭l件下存在部分松材線(xiàn)蟲(chóng)蟲(chóng)株完全喪失了致病力的現(xiàn)象,其中蟲(chóng)株C14-5就是被廣泛使用的松材線(xiàn)蟲(chóng)的無(wú)毒突變株[27-32]。另外,松材線(xiàn)蟲(chóng)蟲(chóng)株間攜帶細(xì)菌種類(lèi)和數(shù)量差異較大[33-36]。不同地區(qū)、不同寄主體上致病力相同的蟲(chóng)株,它們所攜帶的細(xì)菌種類(lèi)和數(shù)量可能是不同的,或致病力不同的蟲(chóng)株可能帶有相似的細(xì)菌菌株。目前的研究沒(méi)能從具有致病力不同的線(xiàn)蟲(chóng)蟲(chóng)株體表獲得有相同的或共同的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌種類(lèi),因此很難做出其與致病性相聯(lián)系的合理解釋。此外,該觀點(diǎn)也無(wú)法很好的評(píng)價(jià)松材線(xiàn)蟲(chóng)作為一種植物線(xiàn)蟲(chóng)在松樹(shù)體內(nèi)的取食、移動(dòng)、繁殖以及松材線(xiàn)蟲(chóng)及其代謝產(chǎn)物與寄主植物互作過(guò)程中可能引起的植物細(xì)胞的破壞及病變反應(yīng)在病程發(fā)展中的作用。植物線(xiàn)蟲(chóng)對(duì)植物的致病作用已經(jīng)有大量的實(shí)驗(yàn)證實(shí)[37-38]。因此,關(guān)于松材線(xiàn)蟲(chóng)攜帶的細(xì)菌在松材線(xiàn)蟲(chóng)病的致病過(guò)程中的作用,哪些細(xì)菌在松材線(xiàn)蟲(chóng)的體表是普遍存在的,這些細(xì)菌是如何影響或發(fā)揮致病作用的,都還需要大量的研究給予進(jìn)一步的證實(shí)。目前國(guó)內(nèi)外大量的有關(guān)松材線(xiàn)蟲(chóng)病的致病性形成機(jī)制的研究工作主要還是將松材線(xiàn)蟲(chóng)作為松材線(xiàn)蟲(chóng)病的病原來(lái)展開(kāi)的[39]。
2.1 食道腺在松材線(xiàn)蟲(chóng)致病中的作用 線(xiàn)蟲(chóng)在侵染寄生過(guò)程中,用口針刺入植物組織中,食道腺分泌物通過(guò)口針注入植物細(xì)胞,這些分泌物可以改變細(xì)胞質(zhì)以利于取食。與其他植物線(xiàn)蟲(chóng)一樣,松材線(xiàn)蟲(chóng)的食道腺位于其身體的前端,包括1個(gè)背食道腺和2個(gè)亞腹食道腺細(xì)胞[40]。線(xiàn)蟲(chóng)食道腺分泌物含有高濃度的蛋白,在不同的寄生階段和不同的食道腺中蛋白的種類(lèi)和數(shù)量均有差別[41-42]。食道腺分泌的蛋白可能在植物線(xiàn)蟲(chóng)不同的寄生階段具有不同的作用,在線(xiàn)蟲(chóng)侵染寄主植物的早期亞腹食道腺分泌的蛋白起主要作用,而在線(xiàn)蟲(chóng)寄生后期亞腹食道腺開(kāi)始萎縮,背食道腺活性明顯增加[43-44]。分泌物對(duì)植物細(xì)胞及其內(nèi)含物的修飾作用,有利于植物線(xiàn)蟲(chóng)的取食與移動(dòng)[41]。因此,基因表達(dá)位點(diǎn)分析可以作為植物線(xiàn)蟲(chóng)致病基因功能分析的重要參考,如某些植物線(xiàn)蟲(chóng)致病基因的作用位點(diǎn)在食道腺細(xì)胞,那么它們可能就與植物線(xiàn)蟲(chóng)的取食、寄生和對(duì)寄主植物的致病性密切相關(guān)。目前,分析基因的表達(dá)位點(diǎn)可以通過(guò)對(duì)mRNA的原位雜交[45]以及針對(duì)蛋白的原位免疫熒光分析[46]確定。在對(duì)南方根結(jié)線(xiàn)蟲(chóng)的研究中,采用微吸法獲得食道腺細(xì)胞內(nèi)含物并構(gòu)建了食道腺特異表達(dá)的cDNA文庫(kù),獲得包括185個(gè)含有信號(hào)肽序列的線(xiàn)蟲(chóng)分泌蛋白cDNA的2 452個(gè)克隆,經(jīng)高通量的原位雜交的方法鑒定了37個(gè)含有信號(hào)肽序列,其中13個(gè)基因在亞腹食道腺表達(dá),24個(gè)在背食道腺表達(dá),并推測(cè)這些基因可能在南方根結(jié)線(xiàn)蟲(chóng)致病過(guò)程中發(fā)揮重要作用[47]。
2.2 松材線(xiàn)蟲(chóng)的致病相關(guān)基因克隆 植物線(xiàn)蟲(chóng)在侵染植物過(guò)程中需要抵御寄主植物的防衛(wèi)反應(yīng),通過(guò)在寄主體內(nèi)取食和移動(dòng)等來(lái)維持正常的生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖。近年來(lái),隨著分子生物學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,越來(lái)越多的涉及線(xiàn)蟲(chóng)在寄生過(guò)程中與致病相關(guān)的基因被克隆,這些基因的功能研究有助于對(duì)植物線(xiàn)蟲(chóng)的寄生、致病機(jī)理做出科學(xué)的推測(cè)及闡釋。
2.2.1 內(nèi) 切 β-1,4-葡 聚 糖 酶 (β-1,4-endoglucanase) 植物細(xì)胞壁是植物抵御病原菌的物理屏障,病原物通過(guò)分泌細(xì)胞壁降解酶分解寄主植物細(xì)胞壁,侵入寄主植物組織,并從其酶解過(guò)程中獲得生長(zhǎng)發(fā)育、繁殖及定殖于寄主植物必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。植物細(xì)胞壁主要成分是纖維素,一些植物病原細(xì)菌和病原真菌,通過(guò)自身分泌的纖維素酶破壞植物組織細(xì)胞壁纖維素來(lái)侵染寄主植物[48-49]。植物線(xiàn)蟲(chóng)的研究表明植物線(xiàn)蟲(chóng)分泌物中也含有大量的纖維素酶蛋白,該類(lèi)蛋白參與了植物線(xiàn)蟲(chóng)對(duì)植物細(xì)胞壁的修飾作用,是一類(lèi)植物線(xiàn)蟲(chóng)重要的致病因子[50-52]。
纖維素酶包含有14個(gè)糖基水解酶家族,其中有5 個(gè)(GHF5,6,9,10,45)在動(dòng)物研究中有報(bào)道,它們?cè)谙到y(tǒng)進(jìn)化上有明顯差異。利用松材線(xiàn)蟲(chóng)蟲(chóng)卵與蟲(chóng)體的抑制消減雜交與RACE技術(shù)相結(jié)合的方法從松材線(xiàn)蟲(chóng)中克隆的內(nèi)切β-1,4-葡聚糖酶基因ENGL1,全長(zhǎng)cDNA為797 bp,包含1個(gè)675 bp的開(kāi)放閱讀框,5′非翻譯區(qū)長(zhǎng)24 bp,不含有線(xiàn)蟲(chóng)剪接引導(dǎo)序列SL1,3′非翻譯區(qū)長(zhǎng)97 bp,含有加尾信號(hào)序列TATAAA。ENGL1含有1個(gè) N-糖基化位點(diǎn)(84 NLSY)、5個(gè)蛋白激酶磷酸化位點(diǎn)、5個(gè)酪蛋白激酶II磷酸化位點(diǎn)、6個(gè)N端酰基化位點(diǎn)、1個(gè)酰胺化位點(diǎn)和1個(gè)Prokaryotic membrane lipoproteinlipid attachment site和1個(gè)糖基水解酶GHF45家族活性位點(diǎn)(21 TTRYWDCCKPSC)。ENGL1含有2個(gè)低復(fù)雜度區(qū)域,分別為 4Lys-15Ala,58Gly-70Ser(53)。ENGL1與數(shù)據(jù)庫(kù)中松材線(xiàn)蟲(chóng)內(nèi)切β-1,4-葡聚糖酶蛋白 ACD12136,BAD34546,ACN42745的相似性分別為99%,91%,75%。與ACD12136的相似性最高,二者的氨基酸序列僅有3個(gè)殘基差異,分別出現(xiàn)在ENGL1信號(hào)肽序列的6L的缺失和11D殘基取代了G,以及216E殘基取代了K殘基。
目前在松材線(xiàn)蟲(chóng)上發(fā)現(xiàn)GHF45家族蛋白內(nèi)切β-1,4-葡聚糖酶基因的催化活性位點(diǎn)與真菌短帚霉和米根霉的GHF45家族高度相似,而在自由生活線(xiàn)蟲(chóng)秀麗隱桿線(xiàn)蟲(chóng)和Caenorhabditis briggsae的全基因組中并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)GHF45家族基因,因此認(rèn)為該類(lèi)基因可能通過(guò)水平基因轉(zhuǎn)移的方式從真菌中獲得。真核表達(dá)產(chǎn)物分析表明,松材線(xiàn)蟲(chóng)的Bx-eng-1是以非糖基化的單體形式存在,而B(niǎo)x-eng-2和Bx-eng-3是以糖基化的二聚體形式存在,體外表達(dá)產(chǎn)物的酶學(xué)性質(zhì)分析表明三者具有相似的酶學(xué)特性,其最適的pH為6.0,最佳活性溫度為60℃[53-54]。RNAi研究表明,dsRNA浸泡24 h能顯著導(dǎo)致該基因的轉(zhuǎn)錄后基因沉默效應(yīng),降低其纖維素酶活性,同時(shí)浸泡處理能顯著減少F1的線(xiàn)蟲(chóng)個(gè)體數(shù)量,因此認(rèn)為該基因可能在松材線(xiàn)蟲(chóng)的致病性和線(xiàn)蟲(chóng)的取食、發(fā)育和繁殖中發(fā)揮作用[55]。
2.2.2 內(nèi) 切 β-1,3-葡 聚 糖 酶 (β-1,3-endoglucanase) β-1,3-葡聚糖酶催化水解 β-1,3-D-葡聚糖糖苷鍵,內(nèi)切 β-1,3-葡聚糖酶和外切 β-1,3-葡聚糖酶兩大類(lèi)。該類(lèi)酶廣泛分布于細(xì)菌、真菌和高等植物。細(xì)菌β-1,3-葡聚糖酶的功能主要是真菌細(xì)胞壁的降解從而有利于細(xì)菌的營(yíng)養(yǎng)攝取;真菌中該酶參與真菌的細(xì)胞發(fā)育與分化,并在植物病原真菌與寄主的互作中發(fā)揮重要功能;植物中的參與了植物細(xì)胞分化和對(duì)病原真菌的防御反應(yīng)[56-58]。在海洋無(wú)脊椎動(dòng)物和線(xiàn)蟲(chóng)中均有β-1,3-葡聚糖酶基因克隆的報(bào)道[59-60]。
Kikuchi等[61]分別從松材線(xiàn)蟲(chóng)和擬松材線(xiàn)蟲(chóng)中克隆了1個(gè)內(nèi)切β-1,3-葡聚糖酶基因 Bx-lam16A,推導(dǎo)氨基酸序列含有明顯的信號(hào)肽特征序列和GHF16家族保守序列殘基,BxLAM16A與來(lái)自Xanthomonascampestris,X.Axonopodis,Pseudomonas sp.的β-1,3-葡聚糖酶的相似性達(dá)到了49%~43%。BxLAM16A體外表達(dá)產(chǎn)物酶活性分析發(fā)現(xiàn),該酶對(duì)可溶性的β-1,3-葡聚糖昆布多糖的水解活性最高,β-1,3-1,4-交聯(lián)葡聚糖表現(xiàn)出較低活性,β-1,4-交聯(lián)葡聚糖底物無(wú)催化水解活性。該酶活最適pH為4.9,最適溫度為65℃,該蛋白的表達(dá)位點(diǎn)為食道腺細(xì)胞,推測(cè)該基因可能參與了松材線(xiàn)蟲(chóng)對(duì)植物細(xì)胞壁的修飾作用。序列同源性分析表明細(xì)菌β-1,3-葡聚糖酶屬于GHF16家族,而大多數(shù)植物和真菌源的β-1,3-葡聚糖酶則屬于GHF17家族。系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)分析發(fā)現(xiàn)BxLAM16A與來(lái)自細(xì)菌的GHF16家族高度同源,而與來(lái)自其他動(dòng)物的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系較遠(yuǎn),認(rèn)為該基因很可能是通過(guò)水平基因轉(zhuǎn)移的方式從原核生物中獲得的。
2.2.3 果膠質(zhì)酶 植物細(xì)胞果膠質(zhì)沉積于初生細(xì)胞壁和細(xì)胞間層,在初生壁中與不同含量的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的微纖絲以及某些伸展蛋白相互交聯(lián),使得細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)堅(jiān)硬,表現(xiàn)出固體的形態(tài),同時(shí)構(gòu)成抵御病原微生物入侵的天然屏障[62]。果膠酶通過(guò)β-消去反應(yīng)催化降解α-1,4-果膠酸鹽,該反應(yīng)在果膠質(zhì)的降解過(guò)程中發(fā)揮了重要作用[63]。果膠酶廣泛存在于植物病原細(xì)菌、真菌和線(xiàn)蟲(chóng)中,主要作用是降解植物細(xì)胞壁從而有利于病原物的侵入和定殖[63]。在植物線(xiàn)蟲(chóng)中,果膠質(zhì)酶在食道腺細(xì)胞產(chǎn)生,通過(guò)口針?lè)置谶M(jìn)入植物細(xì)胞,在侵染和致病性等方面發(fā)揮重要作用。在部分孢囊線(xiàn)蟲(chóng)和根結(jié)線(xiàn)蟲(chóng)中均有果膠質(zhì)酶基因克隆的報(bào)道[64-66]。
目前從松材線(xiàn)蟲(chóng)中成功克隆了2個(gè)果膠酶基因Bx-pel-1和Bx-pel-2,推測(cè)的氨基酸序列BxPEL1和BxPEL2的N端含有明顯的信號(hào)肽特征序列,與多糖降解酶家族3PL3有著較高的相似性,BxPEL1和BxPEL2的氨基酸序列相似性為64%。原位雜交分析發(fā)現(xiàn)Bx-pel-1在植物線(xiàn)蟲(chóng)的食道腺部位特異表達(dá)。體外重組蛋白活性分析表明,BxPEL1對(duì)聚半乳糖醛酸具有明顯的催化降解活性,而對(duì)甲基化果膠質(zhì)具有較低的催化降解活性,研究還發(fā)現(xiàn)Bx-PEL1為Ca2+依賴(lài)蛋白,其最適溫度是55℃,最適pH 是 8 ~10[67]。
2.2.4 過(guò)氧化物酶(Peroxidase) 活性氧的產(chǎn)生在植物的免疫防衛(wèi)反應(yīng)和對(duì)病原物的識(shí)別中發(fā)揮著重要作用,其參與了信號(hào)傳導(dǎo)、抑菌作用、membrane lipoxidation、細(xì)胞壁修飾、誘導(dǎo)抗性和細(xì)胞過(guò)敏性壞死[68-69]。而病原物則通過(guò)產(chǎn)生抗氧化劑來(lái)有效抵御寄主的活性氧防衛(wèi)反應(yīng)[70]。因此,能否清除寄主植物產(chǎn)生的活性氧就成為病原物能否在寄主植物體內(nèi)成功定殖的關(guān)鍵。在真核生物中,主要的抗氧化劑包括對(duì)超氧根陰離子具有解毒作用的超氧化物歧化酶、過(guò)氧化氫酶、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(Glutathione peroxidase,GPX)和 Peroxiredoxin(Prx)等。有研究發(fā)現(xiàn)植物線(xiàn)蟲(chóng)的真皮層能夠分泌一種硫氧化蛋白過(guò)氧化物酶,該蛋白具有特異代謝過(guò)氧化氫的活性,推測(cè)該蛋白可能與線(xiàn)蟲(chóng)抵御植物防衛(wèi)反應(yīng)有關(guān)[71]。谷胱甘肽過(guò)氧化物酶是生物消除過(guò)氧化氫抵御氧脅迫的主要方式。Prx蛋白屬于抗氧化蛋白超家族,在原核生物、植物、無(wú)脊椎動(dòng)物和哺乳動(dòng)物中廣泛存在[72]。大量的研究表明,Prx蛋白在病原物與寄主植物的互作中發(fā)揮重要作用,是許多病原物防治的重要靶標(biāo)[73]。Prx作為抗氧化還原酶對(duì)過(guò)氧化氫的分解需要有氧化還原活性半胱氨酸的參與。根據(jù)其保守Cys的數(shù)目不同,可以分為2個(gè)亞家族,即1-Cys Prx和2-Cys Prx。Prx與過(guò)氧化氫酶和GPX不同,其催化活性不需要金屬離子或者輔基等氧化還原因子的參與[74]。
在松材線(xiàn)蟲(chóng)中有1個(gè)Prx基因BxPrx已經(jīng)被克隆,BxPrx含有2個(gè)保守的半胱氨酸位點(diǎn)Cp和Cr,1個(gè)threonine-cysteine-arginine催化三元體,2個(gè)對(duì)過(guò)氧化氫敏感的標(biāo)簽元件GGLG和YF。保守結(jié)構(gòu)域分析和三維結(jié)構(gòu)模擬的結(jié)果都表明BxPrx具有氧化還原功能。BxPrx盡管沒(méi)有信號(hào)肽結(jié)構(gòu),但其結(jié)構(gòu)中還有23個(gè)連續(xù)的疏水氨基酸形成α-螺旋的跨膜結(jié)構(gòu),BxPrx在不含有信號(hào)肽的條件下,可能依賴(lài)于這一跨膜結(jié)構(gòu)或ATP結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)子實(shí)現(xiàn)其跨膜運(yùn)輸。體外表達(dá)產(chǎn)物的酶活分析表明BxPrx在以谷胱甘肽作為電子供體的情況下表現(xiàn)出了對(duì)過(guò)氧化氫的還原活性[75]。
2.2.5 擴(kuò)展蛋白(Expansin) 擴(kuò)展蛋白是植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中具有調(diào)節(jié)功能的重要蛋白,該蛋白通過(guò)在植物細(xì)胞壁中的纖維素纖絲和基質(zhì)多糖交叉處,以一種可逆的方式作用于微纖絲表面的基質(zhì)聚合物,使多聚網(wǎng)絡(luò)間的非共價(jià)鍵斷裂,促進(jìn)聚合物滑動(dòng),在植物細(xì)胞壁的生長(zhǎng)和分解等方面發(fā)揮重要作用,該類(lèi)蛋白在植物線(xiàn)蟲(chóng)中普遍存在[76-78]。Kikuchi等[79]從松材線(xiàn)蟲(chóng)和擬松材線(xiàn)蟲(chóng)中分離獲得的擴(kuò)展蛋白在食道腺細(xì)胞的特異表達(dá),與來(lái)自馬鈴薯金線(xiàn)蟲(chóng)等植物線(xiàn)蟲(chóng)的擴(kuò)展含有碳水化合物結(jié)合位點(diǎn)不同,在松材線(xiàn)蟲(chóng)和擬松材線(xiàn)蟲(chóng)的擴(kuò)展蛋白中不含有類(lèi)似的結(jié)合位點(diǎn),推測(cè)該基因參與了寄主植物與植物線(xiàn)蟲(chóng)的互作,最有可能在協(xié)助線(xiàn)蟲(chóng)在植物體內(nèi)的移動(dòng)方面發(fā)揮重要作用。
2.2.6 毒液過(guò)敏蛋白(Venom allergen-like protein)
毒液過(guò)敏蛋白作為SCP蛋白家族成員,在真核生物中普遍存在,在其結(jié)構(gòu)中含有SCP/TAPS保守結(jié)構(gòu)域,許多含有這一結(jié)構(gòu)域的蛋白為胞外泌出蛋白[80-81]。研究發(fā)現(xiàn)該類(lèi)基因在大豆孢囊線(xiàn)蟲(chóng)和南方根結(jié)線(xiàn)蟲(chóng)等植物線(xiàn)蟲(chóng)的寄生階段高量表達(dá),但其功能尚不清楚[82-84]。
從松材線(xiàn)蟲(chóng)中克隆了3個(gè)類(lèi)毒液過(guò)敏蛋白Bxvap-1,Bx-vap-2,Bx-vap-3,表達(dá)位點(diǎn)都位于松材線(xiàn)蟲(chóng)的食道腺細(xì)胞。結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)3個(gè)基因都含有信號(hào)肽特征序列及SCP/TAPS保守序列,表達(dá)量分析發(fā)現(xiàn)Bx-vap-1在松樹(shù)體內(nèi)的繁殖型階段的蟲(chóng)體上表達(dá)量最高,dsRNA介導(dǎo)的Bx-vap-1基因沉默顯著降低了松材線(xiàn)蟲(chóng)在松樹(shù)體內(nèi)的遷移速率[85]。因此,該基因的功能可能協(xié)助線(xiàn)蟲(chóng)在樹(shù)體內(nèi)的遷移,參與了植物線(xiàn)蟲(chóng)抑制寄主植物的防衛(wèi)反應(yīng)。
收集我國(guó)1982-2005年間松材線(xiàn)蟲(chóng)病疫情普查數(shù)據(jù)、專(zhuān)項(xiàng)調(diào)查報(bào)告、疫情分析報(bào)告、國(guó)家報(bào)告等資料,應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和克里格插值方法分析松材線(xiàn)蟲(chóng)病在我國(guó)的空間分布結(jié)構(gòu)和空間相關(guān)性。在全國(guó)和江蘇、安徽、廣東、浙江5個(gè)不同空間尺度下,松材線(xiàn)蟲(chóng)病發(fā)生疫點(diǎn)的空間半變異函數(shù)均為球形,在空間格局上呈聚集分布。松材線(xiàn)蟲(chóng)病在中國(guó)有著2個(gè)明顯的聚集分布區(qū)域,一個(gè)位于30.5~32.5 N,117.7~120.5 E,以南京為中心,包括江蘇、安徽大部和浙江西北部;另一個(gè)位于22.5~24 N,113~114.5 E,在廣東境內(nèi)[86]。
對(duì)收集自我國(guó)13個(gè)省、49個(gè)縣(市、區(qū))的173個(gè)松材線(xiàn)蟲(chóng)蟲(chóng)株以及南京林業(yè)大學(xué)江蘇省有害生物預(yù)防與控制實(shí)驗(yàn)室保存的部分來(lái)自美國(guó)、日本的松材線(xiàn)蟲(chóng)蟲(chóng)株和擬松材線(xiàn)蟲(chóng)蟲(chóng)株的RAPD分析及遺傳多樣性分析表明,松材線(xiàn)蟲(chóng)與擬松材線(xiàn)蟲(chóng)種間與種內(nèi)都存在著較高的遺傳多樣性,且二者種間的遺傳變異大于種內(nèi)。中國(guó)松材線(xiàn)蟲(chóng)群體間的遺傳相似性較高,平均在0.9以上,與日本的平均遺傳距離是0.274 2,與美國(guó)的是0.424 2,中國(guó)群體與日本群體的親緣關(guān)系比與美國(guó)更為接近。山東長(zhǎng)島群體與日本群體的遺傳距離僅為0.15[87]。
松材線(xiàn)蟲(chóng)的遺傳多樣性分析同樣證實(shí)我國(guó)存在以廣東和江蘇為中心的2個(gè)聚集分布區(qū),但2個(gè)聚集分布區(qū)形成原因迥異,蘇皖聚集分布區(qū)域的形成是松材線(xiàn)蟲(chóng)病傳入南京后依靠自然或人為因素不斷圍繞始發(fā)區(qū)域向外擴(kuò)散的內(nèi)源性擴(kuò)散所致,區(qū)域內(nèi)各疫點(diǎn)松材線(xiàn)蟲(chóng)具有較高的同源性,很可能來(lái)自同一個(gè)疫源。廣東聚集分布區(qū)各域疫點(diǎn)間松材線(xiàn)蟲(chóng)的遺傳特性具有一定的異質(zhì)性,其形成主要體現(xiàn)為外源性,是由于區(qū)域外松材線(xiàn)蟲(chóng)的不斷入侵所致[87]。
根據(jù)各線(xiàn)蟲(chóng)蟲(chóng)株的遺傳相似性模擬的松材線(xiàn)蟲(chóng)在我國(guó)可能的傳播路徑發(fā)現(xiàn),安徽松材線(xiàn)蟲(chóng)疫源最初很可能來(lái)自江蘇,此后在全省范圍內(nèi)流行。廣東松材線(xiàn)蟲(chóng)病可能存在不同的源頭,東莞市和韶關(guān)市乳源縣疫情最有可能來(lái)自浙江寧波的象山市,惠州市惠城區(qū)和廣州增城市的松材線(xiàn)蟲(chóng)可能分別源自不同的國(guó)外地區(qū)。象山市疫點(diǎn)疫源最有可能來(lái)自安徽,杭州富陽(yáng)市可能有2個(gè)分別來(lái)自國(guó)外的疫源。江西贛州市章貢區(qū)疫情最有可能來(lái)源于安徽馬鞍山。湖南益陽(yáng)市松材線(xiàn)蟲(chóng)可能分別來(lái)源于國(guó)外、浙江和貴州等3個(gè)不同區(qū)域。廣西桂林和防城港兩地疫情均可能來(lái)自象山市。湖北恩施市松材線(xiàn)蟲(chóng)最有可能由安徽馬鞍山、明光等地傳入。貴州遵義縣松材線(xiàn)蟲(chóng)可能來(lái)源于浙江舟山市普陀區(qū)。四川鄰水縣松材線(xiàn)蟲(chóng)與全國(guó)大部分地區(qū)松材線(xiàn)蟲(chóng)具有較高的同源性,從浙江、江蘇和廣西傳入的可能性大。重慶松材線(xiàn)蟲(chóng)來(lái)源于安徽、廣西、浙江和江蘇的可能性較大。山東省松材線(xiàn)蟲(chóng)來(lái)自于日本[87]。以上可能的疫情傳播路徑充分反映了松材線(xiàn)蟲(chóng)病疫情主要依賴(lài)于人為因素傳播而呈現(xiàn)出跳躍式發(fā)展的特點(diǎn)。Cheng等[88]早期采用AFLP對(duì)來(lái)自我國(guó)的松材線(xiàn)蟲(chóng)28個(gè)蟲(chóng)株、美國(guó)4個(gè)蟲(chóng)株和日本2個(gè)蟲(chóng)株的遺傳多樣性分析與可能的傳播路徑分析認(rèn)為,該病的疫情最早起源于廣東,一條傳播路徑是由廣東傳播至安徽、浙江;另一條是由廣東傳入江蘇,再至湖北、重慶、貴州和安徽明光地區(qū)。兩種觀點(diǎn)都認(rèn)為廣東是松材線(xiàn)蟲(chóng)病疫情在我國(guó)流行的一個(gè)重要的傳播源。但也存在差異,后期的研究認(rèn)為江蘇也是該病另外一個(gè)傳播源,造成這種差異的原因可能與疫情后期的進(jìn)一步發(fā)展和樣本收集數(shù)量進(jìn)一步豐富有關(guān)。
松材線(xiàn)蟲(chóng)病疫情數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析也表明,該病在我國(guó)的傳播方式以人為成分為主。人為傳播載體中,37.66%是由于調(diào)運(yùn)感病松木攜帶傳入,41.56%是隨貨物包裝流通傳入,18.18%是由于實(shí)施電網(wǎng)改造工程時(shí)大量電纜盤(pán)攜帶傳入,2.60%是架設(shè)通訊設(shè)備時(shí)光纜盤(pán)攜帶傳入。其在我國(guó)快速擴(kuò)散蔓延是由大量攜帶病原的木包裝材料境外傳入、國(guó)內(nèi)疫區(qū)疫木管理不嚴(yán)、檢測(cè)檢驗(yàn)手段落后、疫情監(jiān)測(cè)不及時(shí)等原因共同造成的[87]。
4.1 松材線(xiàn)蟲(chóng)伴生微生物的多樣性 自然界松材線(xiàn)蟲(chóng)存在伴生微生物是一種普遍現(xiàn)象,有關(guān)松材線(xiàn)蟲(chóng)與伴生真菌的研究認(rèn)為伴生真菌在松材線(xiàn)蟲(chóng)病的后期階段松樹(shù)細(xì)胞死亡后可以作為線(xiàn)蟲(chóng)的飼料維持線(xiàn)蟲(chóng)正常的種群繁衍,伴生真菌也可以通過(guò)松材線(xiàn)蟲(chóng)及其傳播媒介在天牛羽化階段實(shí)現(xiàn)真菌生存領(lǐng)域的擴(kuò)展和種群的擴(kuò)張,二者形成互惠關(guān)系[89-92]。關(guān)于細(xì)菌與松材線(xiàn)蟲(chóng)的關(guān)系,特別是與松材線(xiàn)蟲(chóng)致病性的關(guān)系目前還存在爭(zhēng)議,正如前文所述。同時(shí)關(guān)于松材線(xiàn)蟲(chóng)伴生細(xì)菌的攜帶部位,早期的研究認(rèn)為松材線(xiàn)蟲(chóng)的伴生細(xì)菌只分布在松材線(xiàn)蟲(chóng)的體表,而在體內(nèi)沒(méi)有觀察到細(xì)菌的存在[93]。但最近的研究認(rèn)為松材線(xiàn)蟲(chóng)和擬松材線(xiàn)蟲(chóng)的腸道區(qū)內(nèi)均有細(xì)菌的存在,并且從體表無(wú)菌的松材線(xiàn)蟲(chóng)和擬松材線(xiàn)蟲(chóng)分離獲得了線(xiàn)蟲(chóng)體內(nèi)細(xì)菌,包括寡養(yǎng)單胞菌屬Stenotrophomonas和愛(ài)文氏菌屬Ewingella在內(nèi)的細(xì)菌類(lèi)群[94]。但關(guān)于松材線(xiàn)蟲(chóng)體內(nèi)細(xì)菌存在的普遍性與獲取方式以及體內(nèi)細(xì)菌對(duì)松材線(xiàn)蟲(chóng)的影響、與線(xiàn)蟲(chóng)的協(xié)同進(jìn)化等諸多方面的研究都有待于進(jìn)一步深入。
4.2 松材線(xiàn)蟲(chóng)的功能基因的研究與利用 松材線(xiàn)蟲(chóng)基因組測(cè)序工作初步完成,測(cè)完18 000多個(gè)基因,為揭示松材線(xiàn)蟲(chóng)的致病基因奠定了重要基礎(chǔ)[39]。為了充分闡明松材線(xiàn)蟲(chóng)病的分子機(jī)制,還有必要在已知基因組信息的基礎(chǔ)上借助松材線(xiàn)蟲(chóng)的轉(zhuǎn)錄組測(cè)序與表達(dá)譜分析,特別是結(jié)合該病的病程篩選松材線(xiàn)蟲(chóng)及與寄主互作過(guò)程中的病程相關(guān)效應(yīng)因子,這無(wú)疑是松材線(xiàn)蟲(chóng)致病機(jī)制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前,多種植物寄生線(xiàn)蟲(chóng)大規(guī)模的EST測(cè)序以及cDNA文庫(kù)的測(cè)序?yàn)橹参锛纳€(xiàn)蟲(chóng)致病相關(guān)的基因的研究提供了數(shù)以萬(wàn)計(jì)的表達(dá)序列標(biāo)簽[47,64,66,95],結(jié)合基因組表達(dá)譜分析及其他模式生物的功能基因注釋信息,獲得了包括果膠裂解酶[66]、多聚葡聚糖醛酸酶[96]、β-1,4-木聚糖酶[97]和 β-1,4-內(nèi)切葡聚糖酶[98]在內(nèi)的大量植物寄生線(xiàn)蟲(chóng)致病相關(guān)基因。其中松材線(xiàn)蟲(chóng)的混合階段、分散型幼蟲(chóng)階段轉(zhuǎn)錄組分析,以及松材線(xiàn)蟲(chóng)和擬松材線(xiàn)蟲(chóng)轉(zhuǎn)錄組的比較分析[95,99],為松材線(xiàn)蟲(chóng)的致病性、發(fā)育、生態(tài)適應(yīng)性等性狀相關(guān)功能基因的挖掘與利用提供了重要的材料。
隨著松材線(xiàn)蟲(chóng)基因組和轉(zhuǎn)錄組的測(cè)序,數(shù)據(jù)庫(kù)中積累了大量松材線(xiàn)蟲(chóng)的基因序列信息,但目前僅有非常有限的基因獲得了明確的功能注釋。目前從松材線(xiàn)蟲(chóng)克隆的與致病性相關(guān)的基因主要有細(xì)胞纖維素酶GHF45家族、果膠酶、擴(kuò)展蛋白、毒液過(guò)敏蛋白、過(guò)氧化物還原蛋白等基因[75,79,85,100-101]。關(guān)于這些基因的功能分析大都采用同源性比對(duì)和體外表達(dá)產(chǎn)物的酶學(xué)分析方法進(jìn)行,但這類(lèi)方法只能滿(mǎn)足于某些酶類(lèi)的功能分析,而對(duì)一些非酶類(lèi)的基因功能分析則受到很大限制。此外由于酶學(xué)功能分析大多借助于原核和真核體外表達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行,因此也很難完全闡明該基因的確切功能以及該基因在宿主體內(nèi)的差異表達(dá)可能導(dǎo)致宿主的表型變化。近年來(lái),隨著RNAi干擾技術(shù)在植物線(xiàn)蟲(chóng)基因功能分析方面的應(yīng)用發(fā)展,也被用于松材線(xiàn)蟲(chóng)基因功能的鑒定[55,76,102-104]。盡管目前已經(jīng)有部分學(xué)者開(kāi)展了松材線(xiàn)蟲(chóng)部分催化酶的 RNA 干擾研究[55,103-104],但還沒(méi)有關(guān)于松材線(xiàn)蟲(chóng)致病相關(guān)基因RNA干擾后松材線(xiàn)蟲(chóng)致病力變化的報(bào)道,特別是干擾后線(xiàn)蟲(chóng)對(duì)松樹(shù)的致病力的變化。此外,目前的報(bào)道大多基于浸泡法進(jìn)行松材線(xiàn)蟲(chóng)的RNA干擾,但由于浸泡法具有不持續(xù)性和干擾效果逐步衰退的劣勢(shì),使其應(yīng)用受到很大限制。松材線(xiàn)蟲(chóng)有不同于秀麗線(xiàn)蟲(chóng)和其他植物寄生線(xiàn)蟲(chóng)的特性,松材線(xiàn)蟲(chóng)在離體條件下具有取食部分真菌菌絲的特點(diǎn),這就使得構(gòu)建由真菌介導(dǎo)的高效、穩(wěn)定的RNAi干擾體系成為可能。可被松材線(xiàn)蟲(chóng)取食的真菌包括灰葡萄孢、擬盤(pán)多毛孢、盤(pán)多毛孢等多種真菌[105]。初步研究表明異角狀擬盤(pán)多毛孢真菌遺傳轉(zhuǎn)化體系的建立為今后探討由真菌飼喂法實(shí)現(xiàn)松材線(xiàn)蟲(chóng)功能基因的持續(xù)高效的RNAi干擾效應(yīng)成為可能[106]。
功能基因的正確表達(dá)調(diào)控作為基因功能實(shí)現(xiàn)的重要方面,siRNA、miRNA及其他小RNA等非編碼RNA參與了生命活動(dòng)的基因的表達(dá)調(diào)控,其中包括轉(zhuǎn)錄、染色體的形成、RNA的剪接和修飾、mRNA的穩(wěn)定和翻譯、蛋白質(zhì)的穩(wěn)定和轉(zhuǎn)運(yùn),其中miRNA的表現(xiàn)尤為突出。miRNA在動(dòng)植物、微生物的生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖、致病等方面發(fā)揮重要作用。在秀麗新桿線(xiàn)蟲(chóng)中發(fā)現(xiàn)部分miRNA在線(xiàn)蟲(chóng)的發(fā)育過(guò)程具有重要的調(diào)控作用,同時(shí)也為研究線(xiàn)蟲(chóng)的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控研究提供了重要借鑒[107-108]。在松材線(xiàn)蟲(chóng)的研究中目前僅見(jiàn)Huang等[109]通過(guò)深度測(cè)序的方法分析了不同地理來(lái)源的松材線(xiàn)蟲(chóng)miRNA,共發(fā)現(xiàn)了810個(gè)miRNA,其中含有保守的miRNA 49個(gè)。miRNA可能在松材線(xiàn)蟲(chóng)的生態(tài)適應(yīng)性和進(jìn)化中具有重要作用。但關(guān)于這些miRNA的靶標(biāo)基因及其對(duì)靶標(biāo)基因的調(diào)控等方面的研究還未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。致病相關(guān)基因的表達(dá)調(diào)控研究是研究松材線(xiàn)蟲(chóng)致病分子機(jī)制的重要方面,由于miRNA在基因的表達(dá)調(diào)控方面,尤其是mRNA的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控具有重要的作用,也將是松材線(xiàn)蟲(chóng)致病機(jī)制研究的重要方面。
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