植物病原真菌致病基因研究進展

周愛東+徐小明+王嵐+黃冰

摘要：指出了植物病原真菌是引起植物病害最主要的病原體。根據植物病原真菌的致病過程綜述了植物病原真菌致病基因的研究進展，對植物病原真菌致病基因轉移和染色體轉移進行了探討，以助于更好地理解植物病原真菌的致病機理，為植物真菌病害的防治提供理論支持。

關鍵詞：植物病原真菌；致病基因；研究進展

中圖分類號：S432文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）03011303

1引言

在已知的植物病害中，70%～80%是由植物病原真菌引起[1]。植物病原真菌種類繁多，并且它們的侵染方式、分化、侵染結構的功能以及營養策略上存在著很大的變化[2]。真菌病害一般通過氣流或者水流傳播，因此可以通過化學藥劑防治，或者通過改善植物種植管理來防治真菌病害，但是防治效果一般，植物病原真菌的仍然比較嚴重[3]。植物真菌病害是由病原真菌、寄主植物和環境因子三者相互作用、相互影響形成，病原真菌侵入寄主主要有植物病原真菌粘附寄主表面、病原菌侵染結構的形成、病原菌侵入寄主、病原菌在寄主內定殖與擴展4個步驟[4]，這一系列過程中必然涉及相關基因的調控。因此發現和研究植物病原真菌致病過程中的相關基因及其功能，有助于理解病原真菌的致病機理、開發抗病原真菌靶標藥物，以及采取其他的防病抗病措施。

2植物病原真菌粘附寄主過程中的相關基因

植物病原真菌要侵染寄主對寄主產生致病性，首先要能順利吸附在寄主表面，與寄主細胞產生相互作用。不同植物寄主表面的特征存在不同，因此病原菌入侵寄主時需要采取不同的方式，觸發不同的機制粘附到寄主表面[5]。病原真菌附著入侵寄主的機制之一就是釋放一些酶類，以此改變寄主表面特性，如磷酸酶在病原真菌入侵寄主過程中起到重要作用[6]。真菌孢子會產生細胞壁降解酶、蛋白酶來破壞寄主細菌壁從而使真菌入侵[7]。Rogers等[8]研究發現，當編碼果膠酸水解酶基因的受到抑制時，腐皮鐮孢菌（Fusarium solani）致病力才會降低。Isshiki等[9]研究發現，當侵染柑橘果實的鏈格孢菌（Alternaria alternata）內源多聚半乳糖醛酸酶基因突變后，該菌的致病力減弱。因此，在植物病原真菌與寄主植物互作以使病原體粘附于寄主表面的過程中，是受一些編碼分解寄主細胞壁等基因的調控。

3植物病原真菌侵染結構形成的調控基因

植物病原真菌要產生致病作用，必須先入侵寄主。病原菌在入侵寄主時，通常會伴隨著一些侵染結構的產生，這些結構一般由真菌菌絲特化形成[10]。植物病原真菌一般會形成如侵染墊（Infection cushion）、附著胞（Appressorium）侵染釘（Penetration peg）和吸器（Haustorium）來幫助自身入侵并且建立與寄主的寄生關系[11]。在對植物病原真菌染結構形成的調控基因的研究中，主要集中于對附著胞形成相關的基因。

病原真菌入侵寄主的過程一般由分生孢子黏附寄主表面、孢子萌發、形成附著胞、等步驟[8]。真菌附著胞的產生能夠介導病原菌侵入寄主以及誘導寄主產生防御反應[12]。而一些基因則在附著孢形成過程中特異性表達，如MPG1和PMK1基因，MPG1編碼一個真菌分泌疏水蛋白，在真菌附著孢形成過程中大量表達，從而介導真菌菌絲附著在寄主植物體表面。PMK1基因依賴級聯放大系統末端的MAP激酶編碼基因[13，14]。Xu等[15]的研究顯示，PMK1基因的失活，會導致稻瘟病菌（Magnaporthe grisea）不能形成附著胞，同時稻瘟病菌也不能在植物組織中存活。張春紅[16]研究了附著胞階段基因的表達，以稻瘟病菌驅動蛋白Kinesin的EST序列克隆了基因MgKIN1，發現該基因在稻瘟病菌營養菌絲、分生孢子中均得到表達。由這些研究可見，植物病原真菌重要侵染結構—附著胞的形成是受幾種特定的基因調控，這些基因的失活將使真菌不能附著細胞，從而不產生致病性，因此，對這些基因的進一步研究將有利于為開發抗病原真菌藥物的開發提供相應的靶序列。

4植物病原真菌入侵寄主過程中的調控基因

植物病原真菌可以通過多種方式侵入寄主，如自然孔口（氣孔或傷口）入侵，有些病原真菌的入侵可間接穿透植物表面以入侵寄主。植物病原真菌入侵寄主過程中的調控基因研究較多的有黑色素和酶促降解機制。

植物病害中的真菌黑色素是一類生物聚合分子的總稱，被認為是很多植物病原真菌的毒力因子[17]。DOPA黑色素和DHN黑色素是被研究最廣泛的兩種黑色素，這兩種黑色與病原真菌致病力緊密聯系，在植物病原真菌中普遍存在，例如在玉米彎孢菌（Curvularia lunata）侵入玉米過程中，該菌胞內黑色素以DHN為主，而胞外是DOPA[18]。當病原菌侵染寄主時，黑色素沉積在病原菌細胞壁的內層，形成有助于病原菌入侵的機械壓力，利于病原菌入侵寄主[19]。吳楠等[20]確定了玉米大斑病菌（Exserohilum turcicum）胞外黑色素的種類，結果發現玉米大斑病菌胞外黑色素與DHN黑色素不同，為DOPA類型黑色素。Motoyama等[21]克隆了稻瘟病菌的3個黑色素生物合成基因—ALB1、RSY1和BUF1，這些基因的突變體附著胞膨壓喪失，使得稻瘟病菌喪失致病性。

有些植物病原真菌，在入侵寄主的過程中，真菌菌絲不會產生有助于病原菌入侵的形態變化，不能形成侵染結構，例如鐮刀菌屬（Fusarium）或芽枝霉（Cladosporium fulvum）[22]。病原真菌入侵寄主時，沒有分化出明顯侵染結構的真菌，其致病機制主要靠酶促降解[23]。Tonukari[24]研究發現，SNF1A基因編碼旋孢腔菌（Cochliobolus carbonum）的細胞壁降解酶，旋孢腔菌侵染寄主時形成的附著胞沒有黑色素，因此需要通過酶類的釋放來幫助自身侵染寄主。而SNF1A基因的突變菌株不能成功侵染寄主，說明在該菌侵染過程中，起到關鍵作用的就是SNF1A基因編碼的細胞壁降解酶。病原真菌入侵過程中產生的細胞壁降解酶，如果膠酶、木聚糖酶、纖維素酶、漆酶等都受相應基因的調控[25]。

5植物病原真菌在寄主定殖與擴展過程

中相關基因植物病原真菌與寄主植物的互作是一個復雜的過程，當病原菌入侵寄主時，會觸發寄主植物的防衛反應。寄主會產生對植物病原真菌起抵抗和抑制作用的物質，因此病原真菌要成功入侵寄主，誘發病害，就要突破寄主的防衛反應，這個過程中涉及病原真菌特異性的基因調控。

在研究高粱輪紋斑病菌（Gloeoccospora sorghi）侵染高粱過程中，Wang等[26]發現高粱輪紋斑病菌能夠將高粱釋放的防衛物質一氰化物解毒變為無毒化合物，從而有利于病原菌侵入寄主。這是由于高粱輪紋斑病菌中的cht基因編碼氰化物水解酶，該酶能將氰化物降解成無毒化合物。植物病原真菌除了能產生降解植物防衛反應抑制物的物質，還能夠產生一些降解植物細胞壁的酶，如纖維素酶、果膠酶等。一些植物病原真菌產生的毒素對病原菌的致病性也有重要作用。這一系列病程的基因調控機理還有待于進一步研究。

6植物病原真菌致病相關基因的水平轉

移和染色體水平轉移基因水平轉移（Horizontal gene transfer，HGT）和染色體水平轉移（Horizontal chromosome transfer，HCT）是指在差異生物個體之間，或單個細胞內部細胞器之間在基因水平和染色體水平進行的遺傳物質的交流[27，28]。植物病原真菌能夠迅速適應不斷變化的環境，包括克服植物抗病基因。這通常通過病原單一效應基因的突變實現，使它們能夠避免寄主植物的識別和抵制。基因水平轉移和染色體水平轉移通過獲得新的致病基因使得病原能夠擴大寄主范圍。基因水平轉移能夠使真菌獲得對特異性寄主具有致病性的基因。Friesen等[29]發現從長穗菅茅斑葉病菌（Stagonospora nodorum）轉移到小麥黃斑葉枯病菌（Pyrenophoratritici-repentis）的ToxA基因引起了小麥嚴重的真菌病害，這種與種間的基因水平轉移使得一種病原真菌從另一種病原真菌得到了對特定寄主的致病基因。近來，有研究報道在致病性鐮刀菌屬（Fusarium）真菌和致病性鐮刀菌屬真菌之間發生了染色體水平轉移，使得非致病性真菌獲得致病性[30]。染色體水平轉移給真菌之間的遺傳物質交換提供了很好的機制，使得真菌能夠對新的寄主產生致病性。有研究報道了不同病原真菌種間的染色體水平轉移，這使得雜交子代擴大了寄主范圍。Kroon等[31]報道了馬鈴薯晚疫病菌（Phytophthora infestans）和紫茉莉疫霉菌（Phytophthora mirabilis）之間發生了染色體水平轉移，本來這兩種病原菌只分別對馬鈴薯∕西紅柿和紫茉莉（Mirabilis jalapa）具有致病性，但是現在這兩種病原菌一小部分子代對這些寄主都具有致病性。表1列出了都基因水平轉移（HGT）和染色體水平轉移（HCT）產生的真菌致病相關基因，其中包括編碼核糖體和非核糖體毒素的基因[32]。由此可見，基因水平轉移和染色體水平轉移能夠給病原真菌帶來新的基因，也能夠使非病原真菌獲得致病基因。因此，對二者的研究有利于更好地了解植物病原真菌的致病機理和進化過程（表1）[32]。表1由HGT和HCT產生的真菌致病相關基因（包括編碼核糖體和非核糖體毒素的基因）

真菌效應基因基因產物HGT/HCT在真菌致病性中的作用小麥黃斑葉枯病菌（Pyrenophora tritici-repentis）ToxA基因壞死性核糖體多肽HGT對小麥產生新的致病性叢赤殼菌（Nectria haematococca）PEP基因Pisatine脫甲基酶等酶HGT對豌豆致病玉米小斑病菌（Cochliobolus heterostrophus）Tox1基因T-毒素；長鏈聚酮HGT對玉米致病玉米圓斑病菌（Cochliobolus carbonum）Tox2基因HC-毒素；周期肽HGT對玉米致病細交鏈孢菌（Alternaria alternate）寄主蘋果AMT基因AM-毒素；周期肽HCT致病性和寄主特異性寄主草莓AFT基因AF-毒素；不飽和脂肪酸HCT致病性和寄主特異性寄主日本梨AKT基因AK-毒素；不飽和脂肪酸HCT致病性和寄主特異性寄主西紅柿ALT基因AAL-毒素；聚酮化合物HCT致病性和寄主特異性黃瓜枯萎病菌（Fusarium oxysporum）SIX基因核糖體多肽HCT一些具有致病性7結語

植物病原真菌對寄主植物產生致病作用是一個復雜的過程，是在植物、病原真菌和環境三者相互作用、相互影響過程中形成的，因此，深入了解植物病原真菌的致病調控基因，以及這些基因如何發揮作用，對于解釋植物病原真菌的致病機理以及采取適當的方法防治植物真菌病害具有重要的理論和實踐意義。隨著分子生物學尤其是基因組測序技術的發展，越來越多的植物病原真菌基因被發現，因而在基因組水平研究植物病原真菌的致病機理和進化將是未來研究的重要方向。

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