誘導水稻抗瘟性及誘抗機理研究進展

胡 能，涂國全，黃 林

（江西農(nóng)業(yè)大學 生物科學與工程學院，江西 南昌 330045）

誘導水稻抗瘟性及誘抗機理研究進展

胡 能，涂國全，黃 林*

（江西農(nóng)業(yè)大學 生物科學與工程學院，江西 南昌 330045）

稻瘟病是危害水稻三大病害之首，水稻稻瘟病誘導抗病性具有持久性、廣譜性、安全性、系統(tǒng)性等而對未來水稻稻瘟病的防治發(fā)揮巨大的作用。綜述近年來國內外水稻誘導抗瘟性的研究進展，對生物及非生物誘導因子和誘導機理的三個方面進行了介紹，并提出對現(xiàn)在一些研究不足以及未來的發(fā)展方向。

稻瘟??；誘導抗病性；誘導因子；誘導機理

0 前 言

水稻（Oryza sativa）是世界主要糧食作物之一，被世界上超過 60%的人口作為主要食物，其種植區(qū)域主要分布在亞洲 [1] 。稻瘟病是由真菌—稻瘟病菌（Magnaporthe oryzae）引起的威脅著全球水稻種植區(qū)域的三大病害之一，嚴重時可造成水稻減產(chǎn) 50%，甚至更多；據(jù)估計，世界上每年因稻瘟病害導致的水稻減產(chǎn)，足以養(yǎng)活 6 000 萬人 [2-3] 。稻瘟病菌可以感染水稻從成苗至成熟結實的任何生長階段，水稻稻瘟病可分為：苗瘟、葉瘟、節(jié)瘟、穗頸瘟、谷粒瘟，其中穗頸瘟對水稻產(chǎn)量影響最大 [4] 。目前，化學農(nóng)藥是防治水稻稻瘟病害的主要方式，隨著傳統(tǒng)化學農(nóng)藥長期使用造成的污染環(huán)境、病菌抗性增強、發(fā)病增加、破壞生態(tài)平衡等問題日益顯著。因此，尋找經(jīng)濟、節(jié)約、環(huán)保、可持續(xù)的防治稻瘟病害新方法尤為迫切。近年來，通過各種生物和非生物逆境的誘導可以激活植物自身的免疫系統(tǒng)，增強植物抗性，達到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上對病蟲害控制的目的被廣泛研究 [5] 。研究植物誘導抗性防治稻瘟病害不僅可以作為新的防治稻瘟病害的方法，還可以為以后植物誘導抗性的研究提供理論基礎。

1 誘導抗性

誘導抗性(induced resistance)是指利用物理、化學或生物因子預先處理植物，激活植物對病蟲害和逆境的反應而產(chǎn)生的局部抗性（過敏性抗性）或系統(tǒng)抗性 [6] 。前者是指在被誘導的部位直接產(chǎn)生抗性的現(xiàn)象（過敏性反應、植物抗毒素分泌、胞壁強化等）；后者則是指植物經(jīng)局部誘導后在非誘導部位產(chǎn)生抗性的現(xiàn)象 [7] 。這是植物通過各種化學和物理屏障來應對逆境的自然防御現(xiàn)象，這種防御機制不僅可以發(fā)生在病原體侵染的部位，還能延伸至遠側組織，使植物具有持久，廣譜的病原體抗性；此外，植物誘導抗性是基于多種機制共同作用，這使得病原體對這一防御機制不可能很容易產(chǎn)生抗性 [8-9] 。目前，研究的植物誘導抗病性的誘導因子可分為生物誘導因子和非生物誘導因子兩大類。

1.1 生物誘導因子

生物誘導因子包括促進植物生長的根際細菌(PGPR)或促進植物生長的真菌(PGPF)，自身病原物、病原物的非親和小種(株系)、弱致病株系、近似種及其處理物等產(chǎn)生誘導抗病性的因子 [10] 。

Krishnamurthy 等[11]用熒光假單胞菌 7-14（Pseudomonas fuorescens 7-14）和惡臭假單胞桿菌 V14i （P.putida V14i）誘導水稻產(chǎn)生了抗瘟性。相關的菌株或其他種類的菌株可以誘導植物產(chǎn)生抗性，使植物獲得提高抵抗病原體的能力，這種現(xiàn)象被稱之為交叉保護作用 [12] 。范靜華等 [13] 用稻瘟病菌生理非致病小種 ZB25、ZC9、ZA57 對珍龍 13、四豐 43、東農(nóng) 363 三個品種水稻進行誘導，水稻均產(chǎn)生抗瘟性。此外，Kanno等 [14] 研究發(fā)現(xiàn)，白背飛虱可以誘導水稻對稻瘟病菌的抗性，并能強烈的抑制稻瘟病癥狀的發(fā)展。由于生物誘導因子作為誘導劑時本身具有致病性，有時作物會產(chǎn)生局部壞死反應，特別是對其他的作物可能具有較強的破壞性。因此，在田間使用生物誘導因子時需要認真考察實際情況。

1.2 非生物誘導因子

非生物誘導因子主要為化學誘導因子、物理誘導因子。化學誘導因子其本身并不能直接殺死病菌，但經(jīng)過其處理后的水稻可以產(chǎn)生抗瘟性 [10] 。茉莉酸（jasmonic acid，JA）與水楊酸(salicylic acid , SA)是植物體內激活植物抗病防衛(wèi)反應的信號分子，在體外不能抑制稻瘟菌分生孢子萌發(fā)及菌絲生長，但可以作為植物抗性誘導劑 [15-17] 。Daw 等 [5] 利用外源水楊酸處理水稻可以明顯增強水稻對稻瘟病菌的抗性。鄒志燕等 [18] 以外源茉莉酸誘導水稻幼苗抗瘟性，水稻幼苗的誘抗效果超過 55%。還有許多正在被研究的化學誘導劑如：噻菌靈、β-氨基丁酸、哌拉西酸、苯并噻二唑等等 [19] 。

一些重金屬也能夠誘導植物抗病性，Kodama 等 [20] 以 Cu2+、Fe2+、Hg2+、Mg2+、Co2+等金屬離子分別對水稻葉片進行誘導；研究表明，Cu2+誘導水稻葉片生成了水稻素 A、B、C、D 及稻殼酮 A、B，其中對稻殼酮 A 的誘導效率最高，生成滯后期最短；Fe2+和 Hg 2+ 的誘導活性大大低于 Cu 2+ ，僅分別為其的 37%和 20%；而 Mg2+和 Co2+幾乎沒有誘導活性 [21] 。

抗生素可以直接作用于病原菌也可以用于誘導水稻抗性；鐘麗娟等 [22] 對水稻噴施四霉素可以誘導水稻防御酶系活性升高，增強抗病性以防止病菌侵染。

某些物理誘導因子也能誘導水稻稻瘟抗性如：高溫、低溫、光照及機械損傷等處理。Schweizer 等[23]研究發(fā)現(xiàn)受傷處理水稻可以誘導水稻抗稻瘟性，受傷處理的水稻發(fā)生了類似系統(tǒng)性抗性并且有發(fā)病機制相關的 mRNA或蛋白質的積累。

2 誘導抗性機理

2.1 植保素合成與積累

植保素是植物受到生物或非生物因子誘導后，在體內合成并迅速積累在植物抗病過程中起著重要作用的抗微生物活性的小分子化合物 [24] 。 植保素能抑制菌絲生長或使菌絲死亡， 從而抑制病原菌的生長 [25] 。余萍等 [26] 以水稻稻瘟病菌誘導水稻杭病品種“金早 9 號”與感病品種“矮腳南特”后，分離提取到可能屬于黃酮類化合物的植保素。Peng等 [27] 發(fā)現(xiàn)在稻瘟菌侵染水稻后，葉片中特異性合成和累積了兩種未知的抗菌物質 RF1、RF2。范軍等 [28] 以非親和性稻瘟菌侵染水稻，在水稻葉片中檢測出特異性誘導的抗菌性物質RF2及未發(fā)現(xiàn)的水稻植保素P2。 王瑞霞等 [29] 利用水楊酸誘導水稻抗瘟性； 發(fā)現(xiàn)水楊酸誘導處理后CO39 和 CA101A51 兩個品系的水稻產(chǎn)生了分支酸、丁子香酚、稻殼酮 A、稻殼酮 B，4 種化合物，且水楊酸甲酯、苯酚、豆甾醇和 β-谷甾醇、兩種酯類物質、十一碳烷等化合物含量均發(fā)生變化；水楊酸誘導處理后調動了抗病相關的次生代謝及植保素及其他抗菌物質的合成，從而提高植物的抗病性。

2.2 酶活性的變化

誘導后水稻內與酚代謝物相關的酶活性增強，目前研究較多的酶有苯丙氨酸解氨酶（PAL）、過氧化物酶（POD）、多酚氧化酶（PPO）、脂氧合酶(LOX)、過氧化氫酶(CAT)、β-1，3-葡聚糖酶以及幾丁質酶等。

苯丙氨酸解氨酶是苯丙烷類代謝途徑的關鍵酶，也是合成木質素的關鍵酶，參與植物體內類黃酮植保素、木質素的合成 [30-31] 。潘哲超等 [32] 以低濃度稻瘟菌毒素誘導不同品種水稻幼苗的抗病性；研究表明水稻內 POD和 PAL被激活，抗病品種活性比感病品種易被毒素激活。

活性氧和脂氧合酶可以以非酶促和酶促方式攻擊植物膜系統(tǒng)，啟動膜脂過氧化的發(fā)生并直接與植物的過敏性壞死反應相聯(lián)系 [33] 。李云鋒等 [34] 以稻瘟菌來源的 GP66 誘導水稻 C101LAC（親和性互作）及 CO39（非親和性互作）的抗瘟性，研究發(fā)現(xiàn)兩種水稻均出現(xiàn)了超氧陰離子積累和 LOX 活性，其活性的升高導致非親和性互作水稻的膜脂過氧化；SOD 和過 CAT 活性均趨于下降，但非親和性互作水稻 POD 活性則在誘導早期高于親和性互作水稻，可能與其參與其它抗性有關，證明膜脂過氧化的發(fā)生是激發(fā)子誘導水稻抗性的主要生理機制之一。

植物幾丁質酶主要是水解幾丁質多聚體中的 β-1,4-糖苷鍵，特殊的幾丁質酶還具有溶菌酶活性或催化轉糖基反應，幾丁質酶與 β-1,3-葡聚糖酶具有抗病協(xié)同性 [35-36] 。孫萬春等 [37] 發(fā)現(xiàn)接種稻瘟病菌后能誘導幾丁質酶活性的快速上升，β-1,3-葡聚糖酶活性在接種后緩慢上升；并且接種稻瘟病菌后水稻葉片總可溶性酚含量快速上升；水稻葉片中的木質素含量在接種后快速上升并維持較高水平。

過氧化物酶是植物在逆境條件下酶促防御系統(tǒng)的關鍵酶之一，它能與超氧化物歧化酶、過氧化氫酶相互協(xié)調配合，使體內自由基維持在一個正常的動態(tài)水平，提高植物的抗逆性 [38] 。張智慧等 [39] 用外源茉莉酸甲酯(MeJA)處理誘導水稻 CO39 和 C101LAC 幼苗的抗瘟性， MeJA處理后 PAL、 POD、 CAT和 LOX 活性在早期得到增強，并產(chǎn)生了 β-1,3-葡聚糖酶和幾丁質酶活性，結果顯著減輕了稻瘟病的發(fā)生。

多酚氧化酶和過氧化物酶活性提高可以大大增加酚氧化物的含量，并促進木質素的積累，使細胞壁增厚，從而抵抗病原的侵染和擴展 [40] 。黃有凱等 [41] 研究發(fā)現(xiàn)哈茨木霉不僅對病原微生物有拮抗作用，而且能夠誘導植物產(chǎn)生抗病性；對水稻噴施木霉發(fā)酵液后，水稻 PPO 和 POD 酶的活力提高，而且誘導產(chǎn)生了新的同工酶譜帶。

2.3 病程相關蛋白

病程相關蛋白是由植物寄主基因編碼，在病程相關情況下誘導生成的一類蛋白質，它們與過敏性反應和系統(tǒng)性獲得抗性的關系極其密切，病程相關蛋白在與病原物作用，植物抗性表達，誘導抗性信號的傳遞及協(xié)同作用等方面發(fā)揮重要的作用 [42-43] 。蔡新忠等 [44] 以 0.01 mmol/L水楊酸噴霧處理或稻瘟菌孢子懸浮液接種稻苗后，葉片中 PAL和定位于細胞不同部位的 POD，與細胞壁結合的 POD 和細胞間隙 POD 的活性迅速升高，沒有檢測到新 POD 同功酶帶出現(xiàn)，葉片中木質素含量迅速增加；在 SA處理后的稻葉中提取到能抑制稻瘟菌分生孢子萌發(fā)、含有稻殼酮 A的抑菌物質，并檢測到分子量分別為 48、52、59、 106.5 ku的堿性病程相關蛋白。劉文文等 [45] 研究用烯丙異噻唑誘導水稻，找到了 10個水稻蛋白質差異表達位點；對其中 3個進行質譜分析，發(fā)現(xiàn)其分別具有泛醌一細胞色素 C 還原酶、蘇氨酸肽鏈內切酶和蘋果酸脫氫酶活性；這些蛋白可能是通過提高植物的呼吸作用和啟動泛肽依賴性的蛋白質降解途徑的活化參與植物的誘導抗病機制。

3 展 望

水稻稻瘟病誘導抗病性具有持久、廣譜、安全、系統(tǒng)等特性，被世界各地的學者研究，并對誘導抗性的機理有了初步的了解。但我們對誘導抗性的機理還有許多空白地帶，加之大多數(shù)實驗數(shù)據(jù)并不是田間試驗得到的，限制了誘抗劑在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的運用。植物誘導抗性是由多因素、多基因共同調控的，因此，誘導劑的預防作用的意義大于防治作用。但植物誘導抗性可作為其他農(nóng)業(yè)防治方法如：化學農(nóng)藥、抗生素等重要的補充、輔助方法。如何對不同易感優(yōu)產(chǎn)品種的水稻，選用何種高效、合適的誘導劑以達到最好的抗瘟效果，這仍然需要我們繼續(xù)研究摸索。隨著誘導抗性機理研究的深入以及田間試驗數(shù)據(jù)的完善，水稻稻瘟誘導抗病性將會作為一種安全高效用量少，易降解低殘留，穩(wěn)定可持續(xù)的方法被廣泛運用。

[1] Sharma T R, Rai A K, Gupta S K, et al. Rice blast management through host-plant resistance: Retrospect and prospects[J]. Agricultural Research, 2012, 1(1): 37-52.

[2] Talbot N J. On the trail of a cereal killer: Exploring the biology of Magnaporthe grisea[J]. Annual Reviews in Microbiology, 2003, 57(1): 177-202.

[3] Parker D, Beckmann M, Enot D P, et al. Rice blast infection of Brachypodium distachyon as a model system to study dynamic host/pathogen interactions[J]. Nature Protocols, 2008, 3(3): 435-445.

[4] Daw B D, Zhang L H, Wang Z Z. Salicylic acid enhances antifungal resistance to Magnaporthe grisea in rice plants[J]. Australasian Plant Pathology, 2008, 37(6): 637-644.

[5] Shah J. The salicylic acid loop in plant defense[J]. Current Opinion in Plant Biology, 2003, 6(4): 365-371.

[6] 魏國汶, 羅林廣, 張祥喜. 水稻誘導抗病性研究進展[J]. 江西農(nóng)業(yè)學報, 2007, 19(8): 46-49.

[7] 徐芬芬, 葉利民, 夏瑾華. 植物誘導抗病性研究進展[J]. 生物學教學, 2011, 36(1): 2-3.

[8] Kessmann H, Staub T, Ligon J, et al. Activation of systemic acquired disease resistance in plants[J]. Uropean Journal of Plant Pathology, 1994, 100(6): 359-369.

[9] Someya N, Nakajima M, Tadaaki H, et al. Induced resistance to rice blast by antagonistic bacterium, Serratia marcescens strain B2[J]. Journal of General Plant Pathology, 2002, 68(2): 177-182.

[10] 翁啟勇, 李開本. 誘導植物系統(tǒng)抗性研究及進展[J]. 福建農(nóng)業(yè)學報, 1998, 13(4): 23-28.

[11] Krishnamurthy K, Gnanamanickam S S. Short Communication: Induction of systemic resistance and salicylic acid accumulation in Oryza sativa L. in the biological suppression of rice blast caused by treatments with Pseudomonas spp.[J]. World Journal of Microbiology and Biotechnology, 1998, 14(6): 935-937.

[12] Hilda A, Suryanarayanan S. Cross-protection in the blast disease of Panicum repens L.[C]//Proceedings of the Indian Academy of Sciences-Section B. Springer India, 1976, 84(6): 215-225.

[13] 范靜華, 周惠萍, 陳建斌, 等. 稻瘟病誘導抗性研究初報[J]. 云南農(nóng)業(yè)大學學報, 2002, 17(4): 325-327.

[14] Kanno H, Fujita Y. Induced systemic resistance to rice blast fungus in rice plants infested by white-backed planthopper[J]. Entomologia Experimentalis et Applicata, 2003, 107(2): 155-158.

[15] Choudhary D K, Prakash A, Johri B N. Induced systemic resistance (ISR) in plants:Mechanism of action[J]. Indian Journal of Microbiology, 2007, 47(4): 289-297.

[16] 蔡新忠, 鄭重. 水楊酸對水稻幼苗抗瘟性的誘導作用[J]. 植物病理學報, 1996, 26(1): 7-12.

[17] 徐偉, 嚴善春. 茉莉酸在植物誘導防御中的作用[J]. 生態(tài)學報, 2005, 25(8): 2074-2082.

[18] 鄒志燕, 王振中. 茉莉酸誘導水稻幼苗對稻瘟病抗性作用研究[J]. 植物病理學報, 2006, 36(5): 432-438.

[19] Oostendorp M, Kunz W, Dietrich B, et al. Induced disease resistance in plants by chemicals[J]. European Journal of Plant Pathology, 2001, 107(1): 19-28.

[20] Kodama O, Yamada A, Yamamoto A, et al. Induction of phytoalexins with heavy metal ions in rice leaves[J]. Journal of Pesticide Science (Japan), 1988.

[21] 王煜, 李文新. 水稻植保素的誘導生成及其特性[J]. 武漢植物學研究, 1999, 17(9): 105-109.

[22] 鐘麗娟, 趙新海, 張慶華, 等. 四霉素誘導水稻對稻瘟病的抗性研究[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學, 2010 (12): 6263-6264.

[23] Schweizer P, Buchala A, Dudler R, et al. Induced systemic resistance in wounded rice plants[J]. The Plant Journal, 1998, 14(4): 475-481.

[24] 蔣常姣, 譚海文. 植保素誘導形成因素的研究進展[J]. 硅谷, 2013 (3): 57-58.

[25] 李曉兵, 吳爽. 稻瘟病抗性的生理生化機制[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學, 2002, 30(4): 515-518.

[26] 余萍, 陳盛, 林玉滿. 水稻植保素誘導初探[J]. 植物生理學通訊, 1997(2): 3.

[27] Ohta H, Shide K, Peng Y L, et al.The occurrence of lipid hydroperoxidedecom posing activities in rice and relationship of such activities to the form ation of antifungalsubstance [J]. Plantcell Physiol,1990,31:1117-1122.

[28] 范軍, 彭友良. 一種新的水稻植保素的誘導, 純化及特性研究[J]. 植物病理學報, 1996, 26(3): 217-221.

[29] 王瑞霞, 王振中, 紀春艷, 等. 水楊酸誘導水稻抗菌物質對稻瘟病菌的抑制作用[J]. 華中農(nóng)業(yè)大學學報, 2011, 30(2): 193-196.

[30] Ueno M, Kumura Y, Ueda K, et al. Indole derivatives enhance resistance against the rice blast fungus Magnaporthe oryzae[J]. Journal of General Plant Pathology, 2011, 77(3): 209-213.

[31] 江昌俊, 余有本. 苯丙氨酸解氨酶（PAL）的研究進展[J]. 安徽農(nóng)業(yè)大學學報, 2001, 28(4): 425-430.

[32] 潘哲超, 陳建斌, 范靜華, 等. 稻瘟菌粗毒素對水稻防御性相關酶系的誘導[J]. 云南農(nóng)業(yè)大學學報, 2008, 23(2): 162-166.

[33] 李云鋒, 王振中, 賈顯祿. 稻瘟菌糖蛋白激發(fā)子誘導的水稻葉片膜脂過氧化及過敏性反應[J]. 植物生理與分子生物學學報, 2004, 30(2): 147-152.

[34] 李云鋒, 王振中. 稻瘟菌 GP66 激發(fā)子誘導的水稻膜脂過氧化及其保護酶活性變化[J]. 植物病理學報, 2005, 35(1): 43-48.

[35] 張志忠, 吳菁華, 呂柳新, 等. 植物幾丁質酶及其應用研究進展[J]. 福建農(nóng)林大學學報: 自然科學版, 2005, 34(4): 494-499.

[36] 蔣選利, 李振岐, 康振生. β-1, 3-葡聚糖酶與植物的抗病性[J]. 西北農(nóng)業(yè)學報, 2006, 14(4): 135-139.

[37] 孫萬春, 薛高峰, 張杰, 等. 硅對水稻病程相關蛋白活性和酚類物質含量的影響及其與誘導抗性的關系[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2009, 15(4): 756-762.

[38] 梁艷榮, 胡曉紅, 張潁力, 等. 植物過氧化物酶生理功能研究進展[J]. 內蒙古農(nóng)業(yè)大學學報: 自然科學版, 2003, 24(2): 110-113.

[39] 張智慧, 聶燕芳, 何磊, 等. 外源茉莉酸甲酯誘導水稻抗瘟性相關防御酶和內源水楊酸的變化[J]. 植物病理學報, 2010 (4): 395-403.

[40] 陳桂華, 柏連陽, 肖艷松. 水稻稻瘟病誘導抗病性的研究進展[J]. 中國農(nóng)學通報, 2005:6.

[41] 黃有凱, 羅曼, 蔣立科, 等. 哈茨木對水稻過氧化物酶及多酚氧化酶活性的影響[J]. 微生物學通報, 2003, 30(5): 5.

[42] Van Loon L C. Induced resistance in plants and the role of pathogenesis-related proteins[J]. European Journal of Plant Pathology, 1997, 103(9): 753-765.

[43] 劉利華, 林奇英, 謝華安, 等. 病程相關蛋白與植物抗病性研究[J]. 福建農(nóng)業(yè)學報, 1999, 14(3): 53-58.

[44] 蔡新忠, 鄭重. 水楊酸誘導水稻幼苗抗瘟性的生化機制[J]. 植物病理學報, 1997, 27(3): 231-236.

[45] 劉文文, 李永剛, 楊明秀, 等. 利用雙向電泳分析烯丙異噻唑誘導后水稻的蛋白質變化[J]. 東北農(nóng)業(yè)大學學報, 2009, 39(12): 10-13.

Research Progress of Induced Resistance against Rice Blast and Its Resistance Mechanisms

HU Neng, TU Guo quan, HUANG Lin*

(College of Biological Science and Engineering, Jiangxi Agricultural University, Nanchang, 330045, China)

Rice blast is the most harmful rice disease among three major rice diseases. Induced resistance against rice blast will play an important role in the control of rice blast for its following characteristics: persistence, broad spectrum, safety, systemic， etc. Recent researches on induced resistance against rice blast, the biotic and abiotic induced resistance elicitors, and resistance mechanisms were introduced in this paper. Existing problems about the research and its development direction about induced resistance against rice blast in the future were also discussed.

rice blast? induced resistance? resistance factors? resistance mechanism

胡能, 涂國全, 黃林. 誘導水稻抗瘟性及誘抗機理研究進展[J]. 生物災害科學, 2015, 38(1):66-70.

2015-03-01

國家自然科學基金項目(31360450)

胡能，男，碩士生，主要從事微生物所產(chǎn)生物活性物質研究，E-mail:huneng678@sina.com；*通訊作者：黃林，博士，E-mail:huanglin213@126.com。

S435.11

A

2095-3704（2015）01-0066-05