植物抗病機制的研究進展

摘要：從抗病反應分子機制、抗病相關基因、抗病基因與防衛基因在抗病反應中的作用等方面闡述了植物抗病機制的研究進展情況，最后對未來的研究進行了展望。

關鍵詞：抗病機制；抗病基因；防衛基因

中圖分類號：S432.2⁺3 文獻標識碼：A 文章編號：1006－6500(2008)04－0045－04

植物在其生長發育過程中常受到一些病原微生物的侵襲，因此，它們在自然生態系統中長期并存，相互適應，相互選擇乃至協同進化，使得植物的抗病性與病原物的致病性之間形成一種動態平衡。但是自從人類開展農業活動之后，經常發生植物病害的大流行。農業上成片種植單一作物，直接降低了遺傳上的多樣性，增加了植物在時空上的連續性，為病原物的發展和連年積累提供了方便。此外，精耕細作下的農田小環境也更加有利于病原物的傳播和侵染。目前，病害造成的損失使農作物產量和品質均下降。因此，病害已成為農業生產上不可忽視的重要問題。

1 植物抗病反應分子機制

植物的抗病性與其它性狀相比有其特殊性，即它不僅決定于植物本身的基因型，還取決于病原物的基因型。因此，植物與病原物互作的遺傳基礎即構成了植物抗病的遺傳基礎。目前，廣為接受的描述植物一病原互作關系的遺傳模式有兩種，即與不親和因子相關的互作模式和與親和因子相關的互作模式。

1.1與不親和因子相關的互作模式

該模式也稱“基因對基因”假說，最早是Flor通過研究亞麻對亞麻銹菌的小種特異抗性提出的，迄今已被證明至少適合于幾十種不同的“植物一病原”互作系統，包括真菌、細菌、病毒所致病害以及線蟲和寄生種子植物所致的病害。其基本內容為：病原物與其寄主植物的關系分親和與不親和兩種類型，親和與不親和病原物分別含毒性基因和無毒基因，親和與不親和寄主分別含感病基因(r)和抗病基因(R)。當攜帶無毒基因的病原物與攜帶抗病基因(R)的寄主互作時，二者才表現不親和，即寄主表現抗病；其他情況下，二者表現親和，即寄主感病。寄主與病原物間的非親和性互作關系取決于病原物產生的無毒(或非親和)因子的變異性或寄主對該因子的敏感性，無毒因子通過改變寄主的生理特性而起作用。現在這種假說在分子水平上能很好地被“配體一受體”模式加以解釋，即病原物的Avr基因直接或間接編碼產物為配體(elicitor)，能被植物互補抗病基因R基因編碼的受體(receptor)所識別，并產生某種形式的次級信號，繼而誘發作用自身的防衛反應基因表達，激發寄主植物發生抗病反應。如果病原物缺少無毒基因或植物缺少抗病基因時，這種識別作用不能完成，結果都是病原物致病而植物感病。

1.2與親和因子相關的互作模式

該模式是Scheffer等首先提出的，它與上述模式的不同在于：病原物與互作有關的基因的作用是導致病原物與其寄主僅發生親和性互作。親和性因子通過改變寄主的生理特性而使其易受病原物侵染，而抗病寄主植物含有相應的抗病基因，其產物能使親和性因子失活而不起作用。玉米葉斑和穗霉病抗病基因Hml和大麥白粉病抗病基因mlo的抗性機制與病原物的親和因子有關，R基因可使親和因子失活，從而表現抗病。

在該領域中，目前研究最清楚的是玉米對由病原物Colchliobolus carbonum所引起的葉斑和穗霉病的抗性機制。該病菌產生的HC-毒素被視為親和因子。玉米的抗病基因包括Hm1和Hm2。Hm1基因使全生育期的整個植株都表現抗病，呈完全顯性；Hm2基因的抗病表現為部分顯性，植株幼苗時感病，近成熟時才表現出抗性。

Mlo基因不同于Hml基因，其所介導的抗性為防衛反應負調控因子的失活。大麥受白粉病菌(Erysiphe grarnini)侵染時，mlo基因組成性表達可使細胞壁迅速進行附著生長，產生乳突狀突起，這不僅使細胞壁強度加大，而且在乳突狀突起中產生抗真菌化合物p-CHA(p-coumaroyoyl-hydrrox-yagmatine)，進而抑制病原真菌的入侵。感病植物M／o也進行附著生長，但產生速度慢，不能有效地抑制病原真菌的入侵，表現為感病。

2 植物抗病相關基因

2.1抗病基因

接收病原物信號，啟動植物抗病反應信號傳導的是植物抗病基因的編碼產物，這是分子植物病理學研究寄主植物的重點和難點。自1992年應用轉座子標簽法分離出第一個抗病基因Hml，1993年應用圖位克隆法分離出第二個抗病基因Pto后，現已至少分離出40多個抗病基因(R基因)。這些基因的克隆為人們從分子水平上揭示植物抗病的內在機理以及植物的信號傳遞機制，并通過基因工程利用R基因快速培育新的抗病作物品種奠定了基礎。盡管R基因之間的序列同源性很低，但是這些R基因編碼的蛋白也具有一些相似的結構特征。

根據R基因的結構特點，已經克隆的R基因可以分為5個大類：STK，LRR-TM，NBS-LRR，LRR-TM-STK和毒素還原酶類R基因。

(1)蛋白激酶類R基因(protein kinase，PK)。如番茄Pro基因，其產物是一個沒有LRR結構域，位于細胞質內的典型的絲氨酸／蘇氨酸激酶(ser／Thr kinase)，通過絲氨酸和蘇氨酸殘基的磷酸化來傳遞信號。目前已經有證據表明，Pto蛋白能與相應無毒基因AvrPto的產物相互作用。

(2)LRR-TM類R基因。其基因產物為錨定于細胞膜上的糖蛋白受體，包括3個區域：LRR結構域，跨膜區域(transmembrane domain，TM)和很短的胞內區域(僅有數十個氨基酸殘基)。信號肽決定了它是胞外輸出的。

(3)NBS-LRR類R基因。這些基因具有的共同點是在它們編碼蛋白的近N端處存在著核苷酸結合位點。而在它們的近c端則存在著富含亮氨酸的重復序列。LRR是蛋白與蛋白相互作用的一種典型結構。

根據NBS前端(N端)的不同結構，對NBS結構域的8個主要基序(motif)進行系統發生學的研究顯示，在植物中此類R基因主要分為兩類：①TIR-NBS-LRR類。這類R基因在N端包含一個TIR類似區域，包括基因N，L6 M，RPP5，RPP1和RPS4等。該類型的R基因主要被發現在雙子葉植物中，擬南芥共有149條NBS-LRR類R基因，其中94條(約占63.1％)為TIR-NBS-LRR類型。在水稻中僅發現極少的基因帶有TIR結構，但是它們不含LRR結構域。因此，并不屬TIR-NBS類R基因的范疇；②non-TIR-NBS-LRR類。這類NBS-LRR類R基因N端不含TIR結構區域，包括基因RPM1，RPS2，RPP8，Xal，Prf和Mi等。該類型R基因在單、雙子葉植物中均有發現㈣，但數量較TIR-NBS-LRR類R基因少，擬南芥的149條NBS-LRR類R基因中有55條(占36.9％)屬于是non-TIR-NBS-LRR類。據報道，植物non-TIR-NBS-LRR類R基因編碼蛋白N端含有一個螺旋卷曲(coiied-coil，CC)結構域。CC結構往往形成一個同型或異型寡聚蛋白聯合體，以利用蛋白質間的相互作用，并且可能在R基因產物與信號傳導途徑下游分子間的相互作用中行使功能(LZ是CC結構的一個特例)。

(4)LRR-TM-STK類R基因。如水稻抗白葉枯病基因Xa21編碼的蛋白是一類受體蛋白激酶，它的產物含有STK和LRR-TM兩類R基因的結構特點。

(5)毒素還原酶類R基因。為玉米抗HC-毒素基因Hml。玉米圓斑病菌C.carbonum 1號小種產生HC-毒素，它是一個環狀的四肽。當玉米在Hml位點隱性純合時，該四肽是有毒致命的。

2.2防衛基因

防衛反應基因是一類在抗病機制中最終起作用的基因，受病原物等分子的誘導，它們的編碼產物直接或間接地作用于病原物。不同的植物其防衛基因可能大同小異，抗、感病品種之間的差別可能在于防衛基因的表達時間和表達量的差別。此外，抗病水平高低不僅要看防衛基因的表達時間和水平，還要看防衛基因的累加效應。因此，這類基因的研究重點是基因的表達調控。

根據基因對基因學說，植物的防衛基因的表達即植物抗病防衛系統的激活依賴于寄主植物與病原物之間的相互作用，具體說就是寄主植物的抗病基因與病原物的無毒基因的非親和性作用。使植物表達抗病性的是防衛基因，而決定植物能否表現抗病性的是抗病基因。

3 抗病基因與防衛基因在抗病反應中的作用

植物的抗病基因(Resistanee genes，R gene)，指基因對基因假說中的寄主植物中與病原物無毒基因表現非親和性互作的基因，除此之外，使植物表現抗病性的基因叫防衛基因(defense genes)。需要指出，防衛基因及其表達并不像抗病基因那樣僅抗病植株所特有，而是感病植株也存在，只是感病植株中的防衛基因相對抗病植株被激活得慢和表達微弱而已。與抗病基因相對的是感病基因(sus-ceptible genes)。事實上，抗、感病基因在原生功能上都一樣地是植物正常代謝所必需的基因，只是在病原物侵染植物后它們才表現了這種截然對立的次生功能，由于前者不易被認識，而后者卻引人注意，致使它們分別被冠之以抗病基因和感病基因的名稱。

抗病基因產物是Avr基因產物的受體。兩者間的互作是植物抗病反應的起始，防衛反應的激活是靶細胞或組織特異于病原物信號的最終反應，抗病植物在受到非親和病原物侵染時，往往表達多種防衛反應，一般先是釋放活性氧，相繼激活防衛基因的表達，最后發生過敏反應和系統獲得抗性。但是，不同的防衛反應之間有時并無必然的聯系。例如，在有些情況下過敏反應發生了，而防衛基因卻未表達，反之亦然。另外，即使是同一類防衛反應，在不同情況下其信號傳導過程也有差異，例如不同防衛基因的表達有時間或空間上的差異。盡管如此，許多研究表明，植物防衛反應的信號傳導過程有著某些共性。首先，蛋白激酶和磷酯酶引起的蛋白磷酸化是各種防衛反應表達的信號傳導中的重要環節。另外，鈣離子的變化、電解質滲透和G蛋白等也常出現在許多防衛反應的信號傳導途徑中，最近的一些研究還發現，水楊乙酸(SA)是激活某些防衛反應的重要信號分子，其作用是作為配體與過氧化氫酶結合，從而抑制該酶的活性，使細胞內的H⁺含量增加，由此誘導防衛反應。與脊椎動物不同，植物尚未進化到以一種基本機制就能有效地抗衡多種病菌的程度，而是以多種結構和生化防衛機制與一種病原物抗衡才勉強奏效。

抗病基因和防衛反應基因的區別還有：(1)抗病基因編碼產物具有特異性，而防衛反應基因編碼產物具有普遍性，即不同的寄主植物中有一套類似的防衛反應基因，如植保素合成鏈中的酶基因、病程相關(PR)蛋白基因、植物細胞壁成分合成酶基因等；(2)抗病基因產物是植物防衛反應基因表達的直接或間接調節因子。防衛反應基因一般是受病原物誘導表達的，編碼產物比較容易分離，而抗病基因是組成型表達的，編碼產物不容易分離。因此，在基因克隆、基因編碼產物的結構和功能分析等方面的研究工作中，防衛反應基因均早于抗病基因。所以植物防衛基因既有普遍性，又有特殊性。除有一部分是相似的外，還有一部分是不同的，如對真菌、細菌毒素的解毒基因，因毒素不同而不同。而人工賦予植物的解毒基因則可能更加不同，有動物源的，也有微生物源的。

4 展望

植物中存在的抗病機制多種多樣，如結構抗性、生化抗性、過敏反應、系統獲得抗性、抗侵染、抗擴展等。這些抗性機制從抗病的作用方式看可分為3種：形成障礙物以阻止病原菌的侵染和擴展；形成具抑菌活性物質以殺死病原菌；形成酶或化學物質解除病原的致病因子。但目前還不清楚抗病相關物質是如何形成的，即形成這些物質的基因是如何被觸發啟動的以及其生化反應的過程。只有研究清楚這些機制，才能對病害的防治更加有效、更加有目的性。