植物病原菌效應因子的毒性功能研究進展

李金玥

摘 要 病原菌與植物在相互排斥的過程中協同進化，病原菌進化出大量的毒性效應因子干擾植物基礎免疫，又稱為病原物相關分子模式觸發的免疫PTI（PAMP- Triggered immunity），植物隨之進化出相應的抗病蛋白感知這些毒性效應因子引發特異性免疫反應ETI（Effector-Triggered Immuntiy）。在抗病植物中效應因子誘發抗病反應，但在感病植物中效應因子能破壞宿主免疫提高病原菌致病性。對比大量的植物-病原菌互作系統發現，許多細菌、真菌或卵菌病原菌獨立進化出不同的效應因子，這些效應因子以不同的方式破壞植物免疫系統的幾個關鍵途徑，如防止病原菌入侵的滲透免疫，模式識別受體PRRs（Pattern Recognition Receptors）介導的基礎免疫，和植物激素的生物合成及其介導的信號途徑。本文著重對大量來自不同病原菌的毒性效應因子根據其生化功能進行歸納總結，為更好地探究病原菌如何與宿主細胞相互作用使植物表現為抗病或感病提供了一個新的視野。

關鍵詞 病原菌 毒性效應因子 植物免疫系統

中圖分類號：Q948 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.04.013

在自然界中存在著大量的植物致病病原體，這些病原菌利用不同的途徑破壞植物防御體系。然而，在大多數時候植物能有效地感知病原菌入侵發揮抗性，保持自身的健康生長。但病原菌偶爾也會克服重重障礙成功毀壞植物免疫系統，侵占宿主細胞。首先，病原菌進入植物體內面臨的第一道障礙是附著于每個細胞表面的一層堅固的細胞壁。然后，病原菌穿過細胞壁，到達細胞膜，它們在植物細胞膜上遇到各式各樣的胞外識別受體PRRs，這些PRRs能識別大多數病原微生物的病原物相關分子模式PAMPs（Pathogen-Associated Molecular Patterns），如細菌鞭毛蛋白、脂多糖、幾丁質等，迅速觸發基礎免疫PTI（PAMP-Triggered immunity），從而阻止病原菌的進一步感染。病原微生物在沖破植物的第二道防御屏障后，將面臨位于細胞內特定區域的R蛋白（Resistance proteins），R蛋白能直接或間接地識別相關效應因子引發抗性更強的免疫反應ETI，避免病原菌的進一步侵染。在植物組織內，PTI和ETI共同作用限制病原菌的入侵和生長繁殖。

隨著微生物基因組測序技術的發展，鑒定出大量的植物病原菌毒性效應因子，針對丁香假單胞菌和黃單胞菌效應因子的系統性特征分析，鑒定出大量的宿主靶標蛋白，這些靶標蛋白在植物免疫系統中起重要作用。相比之下，對真菌和卵菌效應因子的靶標蛋白卻知之甚少，但幾個已知的細菌效應因子破壞宿主免疫的方式也能在真菌和卵菌的效應因子中觀察到。本文主要圍繞不同的病原菌效應因子如何利用不同的方式破壞植物免疫系統這個問題，對各種植物與病原菌的互作系統進行綜述。

1 植物病原菌及其效應因子

根據病原菌寄生于植物上的生活方式，可分為活體營養、半活體營養和死體營養三種類型。活體營養型病原菌侵染活體組織并維持宿主的生存能力，死體營養型則在殺死宿主細胞后靠死體組織為生，半活體營養型病原菌早期寄生于活體殺死宿主細胞后再侵蝕死體。病原菌的生活方式主要取決于自身分泌的效應因子，效應因子能與宿主蛋白直接作用提高病原菌毒性。

半活體營養型細菌如假單胞菌和黃單胞菌，通過氣孔、排水孔或損傷部位進入植物組織，一旦病原菌進入細胞間隙，主要通過類型III分泌系統向宿主細胞內傳遞效應因子。真菌和卵菌類病原菌會產生多種類型的孢子附著于植物表面，在合適的條件下，孢子生長出胚芽管延伸至有利的侵染位點。大多數真菌和卵菌的胚芽管會生長成一個特化的結構，稱為附著胞，附著胞的菌絲尖利用機械力或酶溶解作用穿過植物表皮和細胞壁。病原菌進入植物組織，一些菌絲能通過細胞質膜內陷入侵宿主細胞，形成第二個特化組織吸根。吸根不僅負責病原菌營養物質的攝取，也是效應因子的主要分泌位點。

植物病原菌效應因子除在宿主細胞內發揮毒性功能外，也能在質外體起作用。質外體效應因子主要有細胞壁降解酶（Cell Wall-Degrading Enzymes， CWDEs），毒素和各種富半胱氨酸蛋白，CWDEs和毒素是死體營養型病原菌主要的毒性因子，而活體營養型和半活體營養型病原菌效應因子則是多種富半胱氨酸蛋白。一些效應因子是植物抗微生物水解酶的抑制子，不僅能保護病原菌細胞壁免受水解酶的破壞，還能阻止作為PAMPs的細胞壁成分的釋放以躲避植物PRRs的識別，但質外體效應因子本身能作為PAMPs被植物PRRs蛋白識別引發免疫反應。

2 毒性效應因子介導病原菌的入侵

試圖侵入植物表皮的纖維型病原菌會在侵染位點引發一系列抗病反應如活性氧爆發、胼胝質沉淀以及分泌大量的抗微生物蛋白，這一過程稱為滲透免疫。然而，一些絲狀真菌在侵染位點并沒有誘導胼胝質沉淀，可能是這些真菌能有效抑制或躲避宿主的滲透免疫。研究發現，在炭疽病菌入侵宿主細胞之前，通過附著胞的滲透孔分泌一些效應因子，這些效應因子能麻痹宿主監測系統促使炭疽病菌躲避植物抗性。玉米黑粉菌的效應因子Pep1能直接靶標玉米的過氧化物酶POX12，POX12對活性氧如過氧化氫的產生十分必要，因此Pep1通過對POX12的特異性靶標，抑制活性氧介導的滲透免疫。

植物的滲透免疫也在抵御細菌侵染的過程中發揮關鍵作用，植物免疫受體PRRs感知到病原菌PAMPs，立即誘導氣孔關閉防止病原菌入侵。最近研究表明脫落酸（ABA）信號途徑對PAMP介導的滲透免疫的重要性，ABA誘導產生過氧化氫，H2O2通過類受體激酶GHR1誘導氣孔關閉。然而，一些假單胞菌分泌的冠菌素，是一種類似茉莉酸（JA）的效應因子，能干擾ABA信號途徑防止宿主防衛細胞的氣孔關閉。擬南芥RIN4是丁香假單胞菌效應因子AvrB的靶標蛋白，RIN4蛋白正調控細胞質膜上的ATP酶AHA1和AHA2能抑制氣孔關閉，效應因子AvrB可能通過磷酸化RIN4蛋白調節RIN4對ATP酶的正調控作用。對類型III效應因子是否能在細菌入侵前進入防衛細胞還不太清楚，但可以確定的是，在PAMP誘導氣孔關閉之前，少量細菌的入侵能傳遞類型III效應因子進入宿主細胞。

3 毒性效應因子靶標PTI途徑蛋白

植物PRRs蛋白FLS2和EFR在分別識別細菌鞭毛蛋白和延伸因子Tu后，招募類受體激酶BAK1或其同系物形成一個激活狀態的復合體。幾丁質受體蛋白CERK1通過胞外區LysMs基序結合幾丁質，形成同型二聚體并誘導自身磷酸化激活PTI抗病途徑。FLS2，EFR和CERK1在植物細胞質內與類受體激酶BIK1及其同系物PBL1緊密結合，PRRs感知到PAMPs后，誘導BIK1磷酸化致使BIK1從PRRs蛋白復合體上游離出來，但還不太清楚BIK1作用的下游底物。

許多被假單胞菌和黃單胞菌類型III效應因子作用的靶標蛋白在PTI途徑中發揮重要作用。丁香假單胞菌效應因子AvrPto作為一種蛋白激酶抑制劑，與FLS2、EFR等模式識別受體PRRs相結合，抑制PRRs的激酶區域，進而干擾MAPK級聯信號傳導途徑的上游。在植物體內表達AvrPto能抑制多個PAMPs誘導產生的PTI抗性，表明除FLS2和EFR，AvrPto還可能靶標其他的PRRs。另一個假單胞菌效應因子AvrPtoB也能抑制FLS2，CERK1和BAK1的激酶活性，同時敲除假單胞菌DC3000的毒性基因avrPto和avrPtoB不僅顯著降低細菌毒性，還能致使其他類型III效應因子失活。假單胞菌效應因子AvrPphB是一個半胱氨酸蛋白酶，能切割多個BIK1蛋白家族成員抑制PTI，黃單胞菌效應因子AvrAC具有的尿苷酰基轉移酶活性能抑制BIK1激酶，因此BIK1家族成員是至少兩個細菌效應因子攻擊的靶標蛋白。

除了抑制PRRs復合體的激酶活性，病原菌效應因子也能靶標PTI途徑的下游信號分子。假單胞菌類型III效應因子HopAI1作為一種磷酸蘇氨酸裂解酶，使MAPK級聯信號途徑中的MPK3和MPK6去磷酸化失活，阻止PTI信號的正常傳遞，干擾相關抗性基因NHO1的表達，而另一個效應因子HopF2是利用ADP核糖轉移酶活性抑制MAPK激酶。另外研究發現，假單胞菌的效應因子HopU1能修飾RNA結合蛋白GRP7和GRP8，損害它們的RNA結合功能抑制PTI。

真菌類病原菌效應因子的宿主靶標蛋白還有待進一步確定，但一些真菌分泌的含LysM基序的效應蛋白已被證實能用另一種方式抵御PRRs介導的免疫反應。黃枝孢菌效應因子Avr4含有幾丁質結合結構域LysMs基序，能結合真菌細胞壁的主要成分幾丁質，進而保護細胞壁免受植物幾丁質酶的破壞。同樣地，黃枝孢菌效應因子ECP6和稻瘟病菌效應因子Slp1都含有三個LysMs基序，能與宿主細胞內的幾丁質酶競爭結合幾丁質，以躲避宿主PRRs對幾丁質的識別。

4 毒性效應因子調控宿主基因轉錄

黃單胞菌AvrBs3家族和青枯菌PthA效應子家族成員具有共同的結構特征，位于C端的核定位區域（NLS）和能特異性激活宿主基因轉錄的酸性轉錄激活區域（AAD），這些結構特征暗示這些效應因子能在細胞核內調控宿主基因的轉錄。研究表明，AvrBs3的NLS具有核定位能力，AvrXa10的AAD能在擬南芥和酵母中激活報道基因的轉錄，而且AvrXa7也能結合雙鏈DNA序列。另外，條斑病菌效應因子PthXo1在易感水稻能誘導宿主基因Os8N3表達提高病原菌毒性。因此，AvrBs3和PthA家族成員能通過干擾細胞核基因轉錄下調植物抗病反應。

然而，有一些效應因子介導的轉錄激活卻有助于宿主免疫反應，水稻條斑病菌效應因子AvrXa27在一些水稻品種中激活Xa27抗病基因轉錄引發植物免疫。稻谷病原細菌的類型III效應因子HsvG和HsvB位于宿主的細胞核內，能在易感植物中促進蟲癭形成。兩種效應蛋白都具有轉錄激活區域和DNA結合結構域，轉錄激活區域由一段特定的重復序列組成，改變激活結構域重復子的數量能使效應因子的毒性功能發生改變，表明轉錄激活對效應因子的毒性功能至關重要。

5 毒性效應因子干擾激素抗病途徑

水楊酸（SA）、茉莉酸（JA）和乙烯（ET）是具有抗病功能的植物激素，在大多數情況下，SA信號途徑介導對活體營養型病原菌的抗性，而JA和ET的抗病信號途徑介導對死體營養型病原菌的抗性，SA途徑和JA途徑很大程度上具有拮抗性。許多植物病原菌通過分泌模擬植物激素的效應因子或激活抗病信號干擾植物激素途徑。例如，假單胞菌分泌的冠菌素，一種類似茉莉酸的效應因子能干擾SA介導的抗病反應。另外，效應因子AvrB，AvrPtoB和AvrRpt2能分別激活茉莉酸、脫落酸和生長素誘導的宿主基因表達，AvrPto和AvrPtoB能誘導乙烯的生物合成引發番茄植物的細胞死亡。

最近研究發現，一種半活體營養型的真菌類病原菌玉米黑粉菌利用另一種方式抑制SA信號途徑。黑粉菌效應因子Cmu1是分支酸變位酶，能將分支酸轉化為預苯酸，分支酸是水楊酸生物合成的重要中介物，Cmu1通過有效地變位作用耗盡分支酸，抑制水楊酸的積累。效應因子AvrB與MPK4，RIN4和RAR1相互作用，AvrB以RAR1介導的途徑磷酸化MPK4，進而磷酸化RIN4蛋白，AvrB的誘導促使這三種蛋白上調JA抗病基因的表達從而干擾JA信號途徑。這些研究表明各種病原菌能進化出不同的毒性效應因子以不同的方式抑制植物激素介導的免疫途徑。

6 結語

無論是植物滲透免疫，還是基礎免疫PTI或物種特異性免疫ETI都具有共同的抗病信號轉導分子，并引發一系列相似的抗病相關反應。最近越來越多研究表明，PTI信號途徑和ETI信號途徑有交叉重疊，在功能上相互偶聯。例如，大麥R蛋白MLA通過干擾抑制PTI的WRKY轉錄因子引發ETI，擬南芥RRS1-R蛋白在典型的TIR-NBS-LRR結構的N端融合有一個WRKY結構域，RRS1-R可能在細胞核內調控WRKY介導的基因轉錄，因此植物多層防御體系具有重疊交叉的抗病信號途徑。

細菌、真菌和卵菌病原菌進化出不同生化功能的毒性效應因子，破壞植物普遍存在的免疫系統的關鍵環節。這些獨立進化的效應因子在大多數情況下單獨起作用，但也有可能一些效應因子能相互影響共同作用于植物免疫系統。例如，一種效應因子能特異性地修飾另一種效應因子的活性，AvrRpt2抑制AvrRpm1誘導的HR。確定更多的病原菌效應因子，特別是真菌類病原菌效應因子的生化特征，并探究這些效應因子破壞植物免疫系統的手段，將有助于我們理解植物病原菌是如何導致植物疾病的爆發。

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