PAD4基因在植物抗性方面的作用

李慶亮+李捷+胡增麗

摘 要：PAD4（pHYTOALEXIN DEFICIENT4）編碼一個核質蛋白，它的序列與脂肪酶類似。屬于水楊酸信號途徑的上游基因，其在植物抗病蟲以及植物衰老方面均起著重要的作用，本方綜述了PAD4在植物防御昆蟲尤其是刺吸式昆蟲方面的研究進展。

關鍵詞：PAD4；植物抗性

中圖分類號：S-3 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170431004

1 PAD4基因的發現

PAD4是在通過尋找突變體植株對脫毒的十字花科黑斑病菌（Pseudomonas syringae pv.maculicola）增強了感病性基因時被首次發現[1]，同時被RPP2和RPP4介導的植物對寄生疫霉；（Phytophthora parasitica）所需要[2]。在病原菌具有感性表型的pad4突變體植物減少了抗毒素、植保素以及信號分子水楊酸（salicylic acid，SA）的積累[2，3]。因此PAD4是SA防御信號途徑中對SA的積累起到調控作用，但是它在R基因介導的抗性中的位置還不是很清楚[3]。

2 EDS1和PAD4基因的關系

EDS1（ENHANCED DISEASE SUSCEPTIBILITY1）和PAD4同時編碼脂類蛋白[4， 5]。更進一步得是在外源噴施SA后導致了EDS1和PAD4的大量表達[4， 5]。通過分析eds1和pad4突變體植株發現EDS1和PAD4都是植物防御病原菌反應所必須的，雖然它們都屬于R基因序列，但是它們在防御途徑中起著截然不同的作用。EDS1是植物過敏反應所必需的，而EDS1和PAD4同時被植物防御信號分子SA所必需的。此外，EDS1和PAD4是由抗性基因（R）基因介導的觸發性免疫反應中的重要調節劑[6， 7]。EDS1是PAD4積累所必需的，然而在PAD4突變體或者減少了SA只是部分減少了EDS1的表達。酵母所雜交分析EDS1和PAD4一塊起作用[7， 8]。PAD4通過與EDS1的相互作用而穩定[6-9]，并且EDS1-PAD4復合物需要PAD4反饋調節增加病原菌感染的組織中的SA積累[7]。推測EDS1有2個功能，第一在植物早期的防御反應所需要，獨立于PAD4；EDS1和PAD4協作放大了PAD4的防御[6]。

3 PAD4在抗病過程中的作用

在研究當中，已經明確表明PAD4和EDS1都是作為依賴SA防御反應的調控子[3， 4]。發現擬南芥植株在被致病的 P.syringae DC3000.處理后的eds1-2和pad4-2突變體嚴重阻礙了SA的積累，這表明EDS1和PAD4調節SA積累的作用被RPS4介導的抗性所需要[6]。

在R基因介導得抗性反應中都需要EDS1和PAD4的積累，eds1和pad4突變體表型是完全不同的。eds1突變體植株沒有能表達過敏反應，對P.parasitica的侵染表現出較強的感性，pad4突變體植株保留了過敏反應，表現出中等感性。但是pad4突變體的HR沒能完全的抑制病原物的侵染，推斷野生型的植株中EDS1和PAD4在防御途徑中有著截然不同的作用[6]。EDS1在特定種類的抗性中起著決定性的作用，然而PAD4負責加強這種原始的抗性反應。這種理論被另一個研究所證實，EDS1與過敏反應的氧激發有關，而不是PAD4[10]。

Zhou et al. （1998）證明當植株被致毒得P.syringae pv. maculicola侵染后PAD4是調節SA積累的重要因子。在依賴EDS1的R基因激活的反應中PAD4負責提供SA，在這個途徑中PAD4的重要功能是積極的調節SA的積累。PAD4除了調節SA的積累，還有其它的防御功能[8]。

4 PAD4在抗蟲方面的作用

刺吸昆蟲特別是韌皮部取食昆蟲，由于取食過程對植物造成傷害較小激活的植物防御信號途徑與咀嚼式昆蟲不同一般為SA信號途徑[11]。

PAD4控制了植物防御信號的合成，這些信號包括酚類分子SA以及吲哚衍生植保素，對蔓延性植物病毒有抗性[2，3，5，12]。PAD4防御與早期的衰老有關，同時會伴隨著韌皮部的防御機制[13，14]。EPG研究表明PAD4具有antixenotic 的功能，蚜蟲與PAD4植株上相比在對照植株上花費較多的時間（增加了35s）進行取食 [14]。Pegadaraju（2005，2007）結果表明PAD4對蚜蟲的防御有抗生性，同時發現PAD4對蚜蟲有不選擇性[13， 14]。

PAD4作為SA上游基因，SA合成需要PAD4，在沉默了PAD4后可能會對SA含量造成影響，那么PAD4在防御蚜蟲的過程中是否依賴SA途徑。Pegadaraju（2005）野生型擬南芥和pad4-突變體擬南芥上接種桃蚜，2d后pad4-1突變體上的蚜蟲數量多于野生型植株[13]。同樣的，比較了野生型擬南芥與過量表達的PAD4植株上蚜蟲的數量，發現野生型植株上蚜蟲的數量明顯多于過表達PAD4的轉基因植株，這表明PAD4在防御桃蚜過程中起著重要的作用。同時比較了野生型和nahG（抑制SA合成的基因）擬南芥上桃蚜的數量，發現兩者的蚜蟲數量沒有明顯差異[8]。另外在ssi2突變體（導致SA積累較高濃度）擬南芥上桃蚜數量明顯少于野生型，這表明了較高SA濃度在ssi2相關的對GPA的抗性中不是很重要[12]。

在葉片中PAD4對病原物的抗性與EDS1密切相關[9]。EDS1在桃蚜為害的擬南芥上相對沒有比被為害的植株積累的多。蚜蟲在pad4突變體上蚜蟲數量比野生植株多。但是在eds1 RNAi 植株相對與植株來看桃蚜的數量沒有差異，發現EDS1對防御GPA沒有重要的作用[14]。

但是對B型煙粉虱沒有特效[15]。通過比較pad4突變體和野生型的寄主對銀葉粉虱的表現，發現在這兩種植物上B型煙粉虱的表現沒有明顯的差異。

參考文獻

[1] GLAZEBROOK J， ROGERS E E， AUSUBEL F M. Isolation of Arabidopsis mutants with enhanced disease susceptibility by direct screening [J]. Genetics， 1996， 143 （2）：973-982.

[2] GLAZEBROOK J， ZOOK M， MERT F， et al. Phytoalexin-deficient mutants of Arabidopsis reveal that PAD4 encodes a regulatory factor and that four PAD genes contribute to downy mildew resistance [J]. Genetics， 1997， 146 （1）： 381-392.

[3] ZHOU N， TOOTLE T L， TSUI F， et al. PAD4 functions upstream from salicylic acid to control defense responses in Arabidopsis [J]. Plant Cell， 1998， 10 （6）： 1021-1030.

[4] FALK A， FEYS B J， FROST L N， et al. EDS1， an essential component of R gene-mediated disease resistance in Arabidopsis has homology to eukaryotic lipases [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America， 1999， 96 （6）： 3292.

[5] JIRAGE D， TOOTLE T L， REUBER T L， et al. Arabidopsis thaliana PAD4 encodes a lipase-like gene that is important for salicylic acid signaling [J]. Proc Natl Acad Sci U S A， 1999， 96 （23）： 13583-13588.

[6] FEYS B J， MOISAN L J， NEWMAN M A， et al. Direct interaction between the Arabidopsis disease resistance signaling proteins， EDS1 and PAD4 [J]. EMBO J， 2001， 20 （19）： 5400-5411.

[7] RIETZ S， STAMM A， MALONEK S， et al. Different roles of Enhanced Disease Susceptibility1 （EDS1） bound to and dissociated from Phytoalexin Deficient4 （PAD4） in Arabidopsis immunity [J]. New Phytologist， 2011， 191 （1）： 107.

[8] WAGNER S， STUTTMANN J， RIETZ S， et al. Structural basis for signaling by exclusive EDS1 heteromeric complexes with SAG101 or PAD4 in plant innate immunity [J]. Cell Host & Microbe， 1931， 14 （6）： 619.

[9] FEYS B J， WIERMER M， BHAT R A， et al. Arabidopsis SENESCENCE-ASSOCIATED GENE101 stabilizes and signals within an ENHANCED DISEASE SUSCEPTIBILITY1 complex in plant innate immunity [J]. Plant Cell， 2005， 17 （9）： 2601-2613.

[10] RUST RUCCI C， AVIV D H， HOLT B F， et al. The Disease Resistance Signaling Components EDS1 and PAD4 Are Essential Regulators of the Cell Death Pathway Controlled by LSD1 in Arabidopsis [J]. Plant Cell， 2001， 13 （10）： 2211.

[11] WALLING L L. The myriad plant responses to herbivores [J]. Journal of Plant Growth Regulation， 2000， 19 （2）： 195-216.

[12] BARTSCH I， WIENCKE C， BISCHOF K， et al. The genus Laminaria sensu lato： recent insights and developments [J]. Eur J Phycol， 2008， 43 （1）： 1-86.

[13] PEGADARAJU V， KNEPPER C， REESE J， et al. Premature leaf senescence modulated by the Arabidopsis pHYTOALEXIN DEFICIENT4 gene is associated with defense against the phloem-feeding green peach aphid [J]. Plant Physiology， 2005， 139 （4）： 1927-1934.

[14] PEGADARAJU V， LOUIS J， SINGH V， et al. Phloem-based resistance to green peach aphid is controlled by Arabidopsis pHYTOALEXIN DEFICIENT4 without its signaling partner ENHANCED DISEASE SUSCEPTIBILITY1 [J]. Plant J， 2007， 52 （2）： 332-341.

[15] KEMPEMA L A， CUI X， HOLZER F M， et al. Arabidopsis transcriptome changes in response to phloem-feeding silverleaf whitefly nymphs. Similarities and distinctions in responses to aphids [J]. Plant Physiol， 2007， 143 （2）： 849-865.