番茄抗葉霉病分子機制研究進展

牛義嶺 商麗敏

摘要 葉霉病是番茄常見病害之一，發病后不僅會阻礙植株生長，果實品質和產量也顯著下降。抗病育種依然是防治該病害最有效的方法。在與葉霉病的長期互作過程中，番茄已經進化出一系列抗性機制以抵抗病原菌入侵。在分子水平上關于番茄對葉霉病抗性機制的研究已有很多，主要集中在Cf抗性基因的克隆及抗病機制分析等。本文主要綜述了番茄葉霉病的生理小種、抗病基因結構和功能等分子抗性機制的研究進展，以期為番茄抗病育種提供一定的參考。

關鍵詞 番茄；葉霉??；分子抗性機制

中圖分類號 S436.412? ?文獻標識碼 A

文章編號 1007-7731（2023）09-0137-03

葉霉病又稱黑毛病，病原菌是半知菌亞門真菌，其定名為黃枝孢菌。當植株被侵染后，發病快、蔓延快，若防控不到位，很可能造成絕產。該病害雖然可以侵染植株的整株器官，但主要危害葉片，當環境適宜或病情嚴重時也會危害莖、花和果。植株被病菌侵染后，光合能力減弱，養分汲取和積累下降。葉片最先出現病癥，主要表現為葉表面出現橢圓形或不規則的淡黃色病斑，葉背面長出白色霉層，為病原菌的菌絲體，隨著病情加重，白色霉層褐變直至變為黑褐色絨毛狀，即為病原菌的分生孢子、分生孢子梗。在高溫高濕環境下，發病葉片正面也會長出黑霉。

1 番茄葉霉病菌的侵染機制

番茄葉霉病菌的侵染能否成功取決于與寄主植株的親和性。番茄葉霉病菌的侵染機制包括2種，①與抗病番茄品種的非親和互作類型。在適宜的溫濕度條件下，病原菌分生孢子落在葉片上，萌發形成芽管，而后生長形成菌絲，菌絲通過葉片氣孔向維管組織生長、吸收營養。在這一過程中會激發寄主對病原菌的防御反應，防御反應啟動后一方面部分菌絲則不能穿過氣孔或穿過氣孔后會生長停止，另一方面菌絲腫脹彎曲，無法在葉片內生長蔓延，因此病菌菌絲只存在于侵染部位附近區域內，形成壞死病斑，這一過程也被稱為過敏反應[1]。②與感病番茄品種的親和互作類型。菌絲伸長進入氣孔后增粗，在海綿組織細胞間隙中生長，長滿間隙后，菌絲從氣孔伸出，形成分生孢子梗，并產生新的分生孢子繼續侵染植株，最終導致植株發病枯萎。

2 葉霉病菌生理小種的分化

番茄葉霉病菌的生理小種分化能力強、易變異。1890年前后，歐洲國家發現了高度分化的生理小種1.2、2.3、1.2.3、2.5、2.4.11、2.4.5.11和2.4.5.9.11等。據加拿大、荷蘭等國研究報道，在長期的互作過程中，病原菌生理小種針對1個抗病基因能分化出2個以上的生理小種。研究表明，生理小種群體能夠通過基因變異，攜帶多類型的Avr和ECP基因等發生分化[2]，2021年新的生理小種2.4.9和9分別在日本和古巴被發現[3]。研究表明，環境和生產管理也可能加速生理小種分化。中國葉霉病生理小種分化概況和歐美等國家相比，選擇壓力較小，所以處于較低水平。伴隨著番茄抗病品種相繼選育推廣、大面積生產等，葉霉病菌在我國南北方的分布更加廣泛，生理小種分化數量呈上升趨勢。

3 番茄對葉霉病的生理抗性機制

番茄抗病品種與感病品種相比，葉片表皮細胞排列更加緊密；當植株被病原菌侵染后，抗病品種葉肉細胞產生木質素以改變細胞壁的通透性或發生局部組織壞死或合成胼胝質、侵填體并分泌到細胞外的空間以阻礙菌絲擴展；海綿組織會發生膨脹使得病菌不能獲得養分。寄主會產生大量的活性氧，活性氧能激發植株的自我防御系統，如植保素的合成和病程相關蛋白的積累，促進細胞壁成分的聚合和交聯，從而強化細胞壁的物理屏障作用，阻止病菌的二次侵入和擴散。同時，活性氧的存在也會使寄主細胞的氧化作用增強，從而產生大量的降解產物，這些降解產物具有殺菌抑菌作用。

4 番茄對葉霉病的抗性遺傳機制

研究表明，番茄對葉霉病的抗性受顯性單基因控制，大多表現為質量性狀遺傳[5]。研究表明，番茄對葉霉病菌的抗性符合Flor提出的“基因對基因”假說，即當抗性基因Cf編碼產物和葉霉病菌種對應的Avr基因產物識別后，通過植物的信號傳導，激活下游抗病基因表達，植株表現出抗病性，相反若Cf基因未識別對應的Avr基因產物，植株則表現出感病性。目前發現的24個Cf抗性基因依次被命名為Cf-1～Cf-24，已經全部被精細定位到番茄的12條染色體上，這些抗病基因來源于番茄及其近緣野生種，而感病品種Monkey-Maker被稱為Cf-0。其中Cf-1、Cf-4、Cf-4E、Cf-9、Cf-19位于1號染色體短臂端，Cf-2、Cf-5、Cf-6基因位于6號染色體長臂端；Cf-7、Cf-8位于9號染色體的長臂端，Cf-10、Cf-12位于8號染色體的長臂端，Cf-3、Cf-11、Cf-13、Cf-16、Cf-17位于11號染色體，Cf-14、Cf-15位于3號染色體，Cf-18、Cf-20位于2號染色體，Cf-21位于4號染色體，Cf-23位于7號染色體，Cf-24位于5號染色體。

5 Cf基因的結構與功能研究

近年來，對Cf-4/Avr4和Cf-9/Avr9模型的研究較多較成熟，其結果很大程度地促成了番茄免疫學框架的建立。隨著越來越多的Cf基因被克隆，對Cf免疫應答機制的研究也在不斷加深。Cf-4、Cf-9是最先被克隆的抗病基因，隨后Cf-2、Cf-5也被分離出來[7]。目前已克隆的抗葉霉病基因有Cf-2、Cf-4、Cf-4A、Cf-5、Cf-6、Cf-9、Cf-ECP1、Cf-ECP2、Cf-ECP4、Cf-ECP5、HCr9-4E、Cf-10、Cf-11、Cf-12、Cf-16、Cf-19等。研究表明，Cf基因編碼的蛋白產物結構域相似，主要由7個結構域組成，從N—C端分為：信號肽結構、富含半胱氨酸結構、亮氨酸重復結構、無明顯特征結構、富含酸性氨基酸結構、跨膜結構、富含堿性氨基酸結構。其中亮氨酸重復所占比重最大。進一步研究發現，Cf特異性基因是和許多非功能基因串聯的，形成復合基因座Cf-4/9或Cf-2/5，這些基因座中的成員被稱為HCr9和HCr2基因。其中Cf-4、Cf-4A和Cf-9基因屬于HCr9s基因家族，Cf-2和Cf-5基因屬于HCr2s蛋白基因家族；多數HCr9蛋白含有27個亮氨酸重復，而HCr2蛋白中亮氨酸重復數目差異較大。由此推測亮氨酸重復數目不同，可能與Cf基因和Avr基因相互識別的特異性相關[9]。

6 Cf基因與信號轉導

在激活抗病信號后，番茄與葉霉病菌的互作可分為早期、中期、晚期3個階段。Cf蛋白抗病模型表明，整個防御反應包括過敏反應、磷酸化和活性氧積累，活性氧的積累導致膜脂過氧化，細胞膜破壞，進而導致電解質泄漏。此外，Cf還能激活MAP激酶、鈣依賴性蛋白激酶、K+通道，H+通道和Ca2+通道。這些變化發生在疾病反應過程的早期階段，在反應的早期有許多蛋白參與，這些蛋白可能參與保護酶的活性和谷胱甘肽積累的中期和水楊酸積累、程序性細胞死亡、疾病體征的后期。研究發現，磷脂酸在Avr4/Cf-4相互作用過程中積累，通過沉默磷脂C家族基因，研究人員發現PLC4和PLC6基因在Cf-4介導的過敏反應和抗病性中發揮重要作用，SAMDC在Cf-19/Avr相互作用系統的一條或多條通路中起作用，SOBIR1和BAK1的激酶活性是免疫相關信號傳遞所必需的。SAP18可以與SOBIR1相互作用，植物的抗性可以通過SAP18的沉默而減弱，研究發現EFR-Cf-9嵌合體通過對elf18的SOBIR1和bak1依賴性識別增強對細菌病原體的抗性[10]。對Cf-10基因介導的耐藥反應的轉錄組分析表明，Cf-19和Cf-12的反應過程有共同的部分，其中大部分與Cf-12的反應過程不同。此外，在Cf-10、Cf-12、Cf-16和Cf-19介導的抗性反應中，大量轉錄因子的表達模式發生了明顯的變化，說明轉錄因子在Cf基因的信號傳遞中起著重要的調控作用[10]。在Cf-19介導的抗病反應中，確定了10個關鍵調控因子，包括SAUR、WRKY、JAZ基因家族等。通過建立抗病反應預測模型，觀察到ETI（效應子誘導的免疫反應）和PTI（病原菌相關分子模式誘導的免疫反應）均有發生。ETI是由Avr和Cf-19蛋白相互識別引起的，而PTI是由CERK和幾丁質相互識別引起的。識別之后是Ca2+的涌入，其中一些與不同的CAM/CML蛋白結合，激活下游信號通路。胞質Ca2+濃度的增加也可以為CDPK信號元件的激活創造適當的條件。MAPK模塊也可以在上游更改后激活，包括激活HSP90。許多轉錄因子，尤其是WRKY轉錄因子，積累并間接調控防御相關基因的表達。這些變化最終導致了防御相關基因的表達和過敏反應[11]。

7 展望

Cf/Avr互作系統是番茄免疫學研究中典型的抗性模式，雖然Cf基因的抗病機制研究已經持續多年，但還有許多未知和不確定性。如同一位點的具有極其相似的結構同源等位基因Cf-4和Cf-9是否具有相似的抗性表型；分布在不同染色體的抗性基因在抗病反應中功能是否存在差異等。未來可以研究Cf基因抗病過程中的重要調控反應，如病原體的識別、復合物的形成、下游信號的啟動，挖掘其他Cf基因等。同時，對Cf/Avr系統進行整合分類，以便更好地利用該互作模型。

參考文獻

[1] 劉冠，趙婷婷，李寧，等.番茄與葉霉菌互作機制研究進展[J].東北農業大學學報，2016（9）：91-99.

[2] JONGE R D，VAN-ESSE H P，KOMBRINK A. Conserved fungal LysM effector Ecp6 prevents chitin-triggered immunity in plants[J].? Science，2010，329（5994）：953-955.

[3] BERNAL-CABRERA A，MART?NEZ-COCA B，HERRER A- ISLA L，et al.The first report on the occurrence race 9 of the tomato leaf mold pathogen Cladosporium fulvum （syn. Passalora fulva） in Cuba[J]. European Journal of Plant Pathology，2021，160（3）：731-736.

[4] KVBOTA M，MASAJI M，IIDA Y. First occurrence of tomato leaf mold caused by the novel races 2.5.9 and 4.5.9 of Passalora fulva in Japan[J].Journal of General Plant Pathology，2015，81（4）：320-323.

[5] DE JONG C F，LAXALT A M，BARGMANN B O R，et al. Phosphatidic acid accumulation is an early response in the Cf-4/Avr4 interaction[J]. The Plant Journal，2004，39（1）：1-12.

[6] FLOR H H.Current status of the gene-for-gene concept[J]. Annual Review of Phytopathology，1971，9（1）：275-296.

[7] 洪薇.番茄抗葉霉病分子機理及抗病相關基因分離技術體系的建立[D].杭州：浙江大學，2007.

[8] HAANSTRA J. Characterization of resistance genes to Cladosporium fulvum on the short arm of chromosome 1 of tomato[D]. Nederland：Wageningen Universiteit，2000.

[9] 張祥喜，羅林廣.植物抗病基因研究進展[J]. 分子植物育種，2003，1（4）：531-537.

[10] 畢國志.類受體激酶SOBIR1互作蛋白的鑒定及功能分析[D]. 哈爾濱：東北農業大學，2015.

[11] ZHAO T T，PEI T，JIANG J B，et al. Understanding the mechanisms of resistance to tomato leaf mold：A review[J]. Horticultural Plant Journal，2022，8（6）：1-9.

（責編：何 艷）

作者簡介 牛義嶺（1993—），女，碩士，農藝師，從事作物栽培技術推廣工作。