植物激素在稻瘟病菌-水稻病理系統中的作用

賀丹 李鵬 趙珅 趙婷婷 田苗 姜虹

摘? 要：植物激素是植物產生的化學物質，用于調節植物發育、應激反應和防御的各個方面。最近的研究表明，病原真菌也可以產生植物激素或植物激素模擬分子，但對于這種真菌產生的植物激素分子在植物-真菌相互作用中的作用和調控機制的細節仍知之甚少。稻瘟病菌對全球糧食安全構成了巨大威脅。闡明稻瘟病菌致病性和水稻針對稻瘟病菌的防御機制，以便為開發新的病害控制策略以及培育抗性品種提供理論基礎。過去研究已證明植物激素在調節水稻生長平衡和提高水稻的免疫力方面發揮著重要的作用。但近年來一些研究發現，稻瘟病菌進化出精細的方式來控制水稻植物激素的代謝，甚至在其入侵過程中直接產生和分泌植物激素。通過研究稻瘟病菌-水稻病理系統來展示植物激素是如何參與這種跨界交流的。

關鍵詞：真菌-植物相互作用；植物激素；防御反應；跨界交流

中圖分類號：S435.111.4+1;S432.1;Q943.2? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1673-6737（2023）01-0055-04

Action of Plant Hormones in Pathologic System of Grisea

HE Dan ， LI Peng ， ZHAO Shen ， ZHAO Ting-ting ， TIAN Miao ， Jiang Hong

（Institute of Comprehensive Utilization of Agricultural and Livestock Products， Heilongjiang Academy of Land Reclamation Sciences， Harbin 150036， China）

Abstract： Plant hormones are chemical substances produced by plants， which are used to regulate various aspects of plant development， stress response and defense. Recent studies have shown that pathogenic fungi can also produce plant hormones or plant hormone-mimicating molecules， but details of the role and regulatory mechanisms of plant hormone molecules produced by this fungus in plant-fungus interactions remain poorly understood. Rice blast fungus poses a great threat to global food security. To elucidate the pathogenicity of rice blast fungus and the defense mechanism of rice against rice blast fungus in order to provide a theoretical basis for developing new disease control strategies and breeding resistant varieties. Previous studies have proved that plant hormones play an important role in regulating rice growth balance and improving rice immunity. But in recent years， some studies have found that Magnaporthe grisea has evolved elaborate ways to control the metabolism of plant hormones in rice， and even directly produces and secretes plant hormones during its invasion. This paper demonstrates how plant hormones are involved in this transboundary communication by studying the pathologic system of rice blast fungus.

Key words： Fungus-plant interaction; Plant hormone; Defensive response; Cross-border communication

當水稻受到病原體入侵時，病原體和植物之間的寄生關聯體現了復雜的協同進化，包括相互感知和反應[1]。在感染的初始階段，植物能夠通過其先天免疫系統識別真菌病原體特有的分子模式——通常稱為病原體相關分子模式（PAMP），從而觸發免疫（PTI）的防御反應。為了克服植物PTI，病原體將效應蛋白分泌到宿主細胞的質外空間或進入宿主細胞，抑制植物的免疫感知，最終促進病原體在宿主的定殖。病原體效應物可以被宿主植物的抗性蛋白識別并觸發第二層植物先天免疫，以阻止疾病的惡化[2]。在這種競爭關系中，植物產生的植物激素是植物抵御真菌入侵的防御機制之一，而真菌病原體已經開發出多種方式來破壞植物激素的生物合成或信號傳導。更有趣的是，最近的研究表明，病原體真菌也可能會為了更好地侵染宿主而產生一些植物激素或模擬植物激素的代謝物。

目前，八種植物激素在植物生長、發育、非生物和生物脅迫抗性中的生理作用已得到充分證明。這八種植物激素包括生長素（吲哚-3-乙酸，IAA）、細胞分裂素（CKs）、油菜素內酯（BRs）、脫落酸（ABA）、赤霉素（GAs）、水楊酸（SA）、茉莉酸（JAs）和乙烯（ET）。在擬南芥中，SA、JAs和ET主要參與植物防御反應。特別是，SA介導植物對生物營養性或半生物營養性病原體的抗性，并參與植物系統獲得性抗性（SAR），其中對植物的一個部分的病原攻擊會誘導其他部分的抗性；JAs和ET能夠誘導致死性植物病原體的抗性。IAA、CKs、BRs、ABA、GAs主要參與調控植物生長發育的各個階段，包括根莖生長、開花、葉片衰老、果實成熟、種子休眠和發芽等，但也可能在植物受到病害侵染時通過SA、JAs或ET信號調節產生抗性[3]。

在真菌病理學家的一項調查中，根據其科學和經濟重要性，稻瘟病菌是排名前10位的真菌病原體[4]。由子囊菌引起的稻瘟病是最具破壞性的水稻病害，每年可在全球范圍內導致10%～30%的產量損失，對全球糧食安全構成重大威脅。因此，應對稻瘟病菌進行深入的研究。本文對在稻瘟病菌-水稻病理系統中真菌操作和真菌衍生的生長素、細胞分裂素、脫落酸和茉莉酸的作用進行了闡述。

1? 生長素（IAA）

生長素是一類含有一個不飽和芳香族環和一個乙酸側鏈的內源激素，其化學本質是吲哚乙酸，是最早被發現的促進植物生長的激素[5-6]。有研究發現稻瘟病菌感染通過下調生長素反應基因ARF1和IAA9來抑制水稻未感染葉片中的生長素信號通路，這可能是導致未感染葉片生長減少和作為SAR限制稻瘟病菌侵染的原因。由于生長素反應的下調和抗性基因的誘導，生長素結合酶OsGH3.1的過表達導致對稻瘟病的敏感性降低。相比之下，根結線蟲感染水稻根部導致生長素的積累導致水稻葉片對稻瘟病的易感性增強。因此，水稻在感知到稻瘟病菌感染后可能會抑制其自身的生長素反應，以阻止其生長并誘導防御反應。為了抵消宿主體內的這種激素變化，稻瘟病菌可以在其菌絲和分生孢子中產生IAA，可能是為了誘使水稻生長而不是為了防御[7]。多項研究表明，生長素信號通路正調控水稻生長，負調控稻瘟病抗性。因此，通過下調參與抑制生長素反應的基因對其進行操作有利于稻瘟病感染[8]。

2? 細胞分裂素（CKs）

除生長素外，稻瘟病菌在其菌絲和分生孢子中也產生了多種CK。稻瘟病菌CKS1基因編碼推定的tRNA-IPT蛋白，被證明是CK生物合成所必需的，特別是植物生長和毒力所必需的。此外還發現CK在生產后會釋放到培養基中，CKs可能促進稻瘟病菌的養分轉運[1]。另一方面，稻瘟病菌感染引發水稻幼苗中CK的積累，激活CK信號，隨后誘導抗性基因OsPR1b和PBZ的表達，從而激活水稻對稻瘟病的抗性，這種CK介導的稻瘟病抗性受到SA信號通路的協同調控[9]。同樣的，CKs和SA共同處理水稻葉片強烈誘導防御基因PR1b和PBZ1的表達，而單獨處理任何一種僅略微增加它們的表達水平。水稻和稻瘟病菌都能夠產生CK。稻瘟病菌為了促進其自身的營養轉運而產生和分泌CKs（分泌CKs這種信號分子的說法被提出但尚未得到證實），被宿主水稻感知并觸發植物CKs信號通路從而調節防御反應，以及調控SA信號通路。與生長素功能相似，這種植物生長激素的相互操縱可能代表一種平衡植物生長的機制，尤其是水稻中的細胞分裂、細胞死亡以及防御反應[10]。

3? 脫落酸（ABA）

由于SA、JA和ET信號通路介導的SAR被抑制，植物中ABA的過量產生可能對病害抗性產生不利影響。水稻中ABA分泌的減少或ABA信號傳導的破壞，都能夠增強水稻對稻瘟病的抵抗力。相反，ABA處理水稻幼苗導致水稻產生了易感性，說明真菌衍生的ABA可能成為毒力因子[11]。一些真菌病原體被發現產生ABA主要通過甲羥戊酸途徑，這與植物中的ABA生物合成途徑不同。在灰葡萄孢菌（B. cinerea）中鑒定了一個基因簇，包括BcABA1、BcABA2、BcABA3和BcABA4都能夠參與ABA合成，ABA在稻瘟病菌營養生長和孢子形成階段均被檢測到[12]。三個ABA基因同源物（MoABA1、MoABA2和MoABA4）和ABA G蛋白偶聯受體在稻瘟病菌中被鑒定出來，MoABA4基因的缺失導致致病性喪失，表明ABA的產生可能對稻瘟病菌的致病性至關重要。稻瘟病菌能夠上調水稻NCED3基因（用于水稻ABA生物合成）的表達，這表明它可能會刺激水稻中的ABA合成以促進其自身的致病性并破壞宿主的抗性。因此，筆者等人得出的結論是，在稻瘟病菌-水稻相互作用中，ABA通過抑制植物抗性和加速真菌本身的發病機制在病害嚴重程度方面發揮雙重作用[13-14]。

4? 茉莉酸（JAs）

JA及其衍生物存在于多種高等植物中，參與調節植物的生長發育和植物免疫反應。水稻產生被稱為植物抗毒素的低分子量抗菌化合物，主要由二萜和類黃酮組成[15]。茉莉酸異亮氨酸（JA-Ile）是JA的一種生物活性物質，其水平會隨著稻瘟病感染而增加。內源性JA-Ile主要通過促進黃酮類植物抗毒素sakuranetin的產生而參與防治稻瘟病。JA-Ile合成由JA-Ile合酶催化。最近的研究表明，兩種JA-Ile合酶OsGH3.5（OsJAR1）和OsGH3.3（OsJAR2）在水稻的JA-Ile生產中發揮重要作用。特別是OsJAR1的表達與稻瘟病感染后JA-Ile的積累有關，表明通過JA信號傳導在稻瘟病抗性中的作用[16]。JA合成途徑基因OsAOC缺失突變體對稻瘟病菌抗性降低，表現為菌絲生長更快且JA含量降低，揭示OsAOC能通過JA信號途徑調控水稻對稻瘟病菌的免疫反應；過表達OsWRKY30可誘導JA途徑中OsLOX、OsAOS2表達，同時伴隨內源JA積累，對稻瘟病菌的抗性增強[17]。

最新研究發現，SRB-SDV的SP8蛋白、RSV的P2蛋白以及RSMV的M蛋白是一類具有抑制轉錄活性的轉錄抑制子，它們都能與JA信號途徑的關鍵成分水稻中介體亞基25（rice mediator subunit 25，OsMED25）、茉莉酸轉錄抑制蛋白（rice jasmonate zim-domain protein，OsJAZ）、茉莉酸bHLH轉錄因子2（rice JA-inducible basic helix-loop-helix transcriptional factor 2，OsMYC2）和茉莉酸bHLH轉錄因子3（rice JA-inducible basic helix-loop-helix transcriptional factor 3，OsMYC3）相互作用。這些轉錄抑制因子通過直接干擾OsMED25-Os-MYC復合物，抑制OsMYC2和OsMYC3的轉錄激活功能，然后與OsJAZ蛋白結合，共同減弱JA途徑。稻瘟病菌通過操縱水稻JA信號通路成功地打破了水稻防御。稻瘟病菌特異性誘導水稻miR319的表達，其靶基因編碼轉錄因子OsTCP21是水稻對稻瘟病的防御反應的正調節因子，可能是通過誘導JA合成基因LOX2和LOX5。因此，稻瘟病菌能夠通過誘導水稻miR319抑制JA合成來降低水稻產生JA的水平。此外，稻瘟病菌能夠通過過氧化物酶將水稻JA分子修飾為無活性物質12-OH JA，從而破壞宿主的自身免疫[18]。

綜上所述，水稻響應稻瘟病感染誘導JA-Ile合成，而稻瘟病菌通過水稻miR319途徑抑制JA合成，并可能將水稻JA轉化為12-OH JA，進而轉化為無活性的JA介導的SAR。

5? 結語

植物激素是植物響應各種生理或環境刺激而產生的調節生長發育的小分子，本文想強調植物激素不僅是植物生長調節劑，還是植物和真菌之間使用的一種化學語言，用來更有效地進行跨界（競爭性）交流。在長期的協同進化過程中，病毒為了逃脫植物的防御反應，也向著對自身有利的方向不斷進化，編碼一系列的致病因子與宿主植物相互作用，最終抑制植物防御反應來增強病毒自身的致病性以及完成自身生命周期所需的生命活動，從而促進病毒侵染。稻瘟病菌會利用宿主的養分來維持自身的生存，在與宿主植物共同進化的過程中學會使用這種植物激素語言。本文通過研究稻瘟病菌-水稻病理系統來展示植物激素如何參與這種跨界交流。稻瘟病菌能夠合成（并且可能分泌）植物激素分子，包括IAA、ABA和各種CK，還能夠誘導水稻ABA合成。稻瘟病菌可以減少水稻JA合成，并將JA轉化為12-OH JA合成，而不是產生活性抗稻瘟病JA衍生物JA-Ile。本文提到的稻瘟病菌與水稻相互作用中的每種植物激素，其信號通路都處于一個復雜的網絡中，相互之間存在多重串擾。

參考文獻：

[1] Chanclud E， Kisiala A， Emery NR， et al. Cytokinin Production by the Rice Blast Fungus Is a Pivotal Requirement for Full Virulence[J]. PLoS Pathogens， 2016， 12（2）： e1005457.

[2] 陳星彤，杜春梅.植物激素調控植物與尖孢鐮刀菌的互作研究進展[J].應用與環境生物學報，2021，27（3）：816-822.

[3] Chanclud E， Morel JB. Plant hormones： a fungal point of view[J]. Molecular Plant Pathology， 2016， 17（8）： 1289-1297.

[4] Dean R， Van Kan JAL， Pretorius ZA， et al. The Top 10 fungal pathogens in molecular plant pathology[J]. Molecular Plant Pathology， 2012， 13（4）： 414-430.

[5] Domingo C， Andrés F， Tharreau D， et al. Constitutive Expression of OsGH3.1 Reduces Auxin Content and Enhances Defense Response and Resistance to a Fungal Pathogen in Rice[J]. Molecular Plant-Microbe Interactions， 2009， 22（2）： 201-210.

[6] Hagen G， Guilfoyle T. Auxin-responsive gene expression： genes， promoters and regulatory factors[J]. Plant Molecular Biology， 2002， 49（3-4）： 373-385.

[7] Kazan K， Lyons R. Intervention of Phytohormone Pathways by Pathogen Effectors[J]. Plant Cell， 2014， 26（6）： 2285-2309.

[8] 曠永潔，柳浪，嚴芳，等.水稻與病原物互作中植物激素功能的研究進展[J].生物技術通報，2018，34（2）：74-86.

[9] Jiang CJ， Shimono M， Sugano S， et al. Cytokinins act synergistically with salicylic acid to activate defense gene expression in rice[J]. Molecular Plant-Microbe Interactions， 2013， 26（3）： 287-296.

[10] Walters DR， McRoberts N， Fitt BDL. Are green islands red herrings？ Significance of green islands in plant interactions with pathogens and pests[J]. Biol Rev Camb Philos Soc.， 2008， 83（1）： 79-102.

[11] Siewers V， Kokkelink L， Smedsgaard J， et al. Identification of an abscisic acid gene cluster in the grey mold Botrytis cinerea[J]. Appl Environ Microbiol， 2006， 72（7）： 4619-4626.

[12] Spence CA， Lakshmanan V， Donofrio N， et al. Crucial roles of abscisic acid biogenesis in virulence of rice blast fungus Magnaporthe oryzae[J]. Front Plant Sci， 2015， 6（155）： 1082.

[13] Mine A， Berens ML， Nobori T， et al. Pathogen exploitation of an abscisic acid- and jasmonate-inducible MAPK phosphatase and its interception by Arabidopsis immunity[J]. Proc Natl Acad Sci U S A， 2017， 114（28）： 7456-7461.

[14] Mittler R， Blumwald E. The roles of ROS and ABA in systemic acquired acclimation[J]. Plant Cell， 2015， 27（1）： 64-70.

[15] 李欣，李影，曲子越，等.bHLH轉錄因子在茉莉酸信號誘導植物次生產物合成中的作用及分子機制[J].植物生理學報，2017，53（1）：1-8.

[16] Sun Q， Wang GH， Zhang X， et al. Genome-wide identification of the TIFY gene family in three cultivated Gossypium species and the expression of JAZ genes[J]. Scientific Reports， 2017， 7： 42418.

[17] Svetaz LA， Bustamante CA， Goldy C， et al. Unravelling early events in the Taphrina deformans-Prunus persica interaction： an insight into the differential responses in resistant and susceptible genotypes[J]. Plant， Cell & Environment， 2017， 40（8）： 1456-1473.

[18] 丁麗娜，楊國興.植物抗病機制及信號轉導的研究進展[J].生物技術通報，2016，32（10）：109-117.

基金項目：黑龍江省自然科學基金項目“多粘類芽孢桿菌X-11對作物病害的防效及機理研究”（LH2019C080）；黑龍江省自然科學基金項目“類芽胞桿菌源新型蛋白激發子誘導作物抗病性的研究”（LH2019C079）；黑龍江省自然科學基金項目“蛋白激發子EsxA在水稻的互作蛋白研究”（LH2021C086）；黑龍江省自然科學基金項目“多粘類芽孢桿菌X-11抗菌蛋白研究”（LH2021C087）；北大荒集團項目“農用微生物在水稻上的應用與研究”。

收稿日期：2022-06-24

作者簡介：賀丹（1990-），女，碩士，助理研究員，從事農業微生物、農業生態學研究。