從功能基因到生物學性狀：大麗輪枝菌致病性形成的分子基礎

田李 李俊嬌 戴小楓 張丹丹 陳捷胤

（1. 曲阜師范大學生命科學學院，濟寧 273165；2. 中國農業科學院植物保護研究所，北京 100193）

大麗輪枝菌（Verticillium dahliae Kleb.）引起的黃萎病是農作物生產上毀滅性的土傳維管束真菌病害，在全世界范圍內廣泛流行與傳播，危害棉花、馬鈴薯、茄子、番茄等38科600多種寄主，造成嚴重經濟損失［1］。自20世紀初發現大麗輪枝菌以來，科研工作者一直致力于病原學、流行規律、種群結構鑒定、為害機制等研究，但由于大麗輪枝菌休眠結構—微菌核具有很強的抗藥性、加上作物連作等問題，導致從病原菌角度控制黃萎病的效果不甚理想［1-2］。造成這一原因與大麗輪枝菌復雜的生物學特性和為害機制密切相關：一是土壤中的大麗輪枝菌通過侵染植物根部進入維管束并定殖，殺菌劑難以發揮作用［1］；二是作為土傳病原，大麗輪枝菌在土壤中具有極強的生命力，形成的休眠結構微菌核可在土壤中存活14年以上，并且具有極強的抗藥性［3］；三是大麗輪枝菌種群演化機制復雜，進化出了多元的種群結構［4］，現有抗病品種極易發生抗性丟失，而目前陸地棉中缺乏抗黃萎病的優良材料；四是大麗輪枝菌進化出復雜的為害機制，除依賴定殖外，其分泌的“毒素”（狹義概念：指病原分泌的胞外蛋白）可直接引起植物葉片萎蔫壞死，最終造成寄主植物死亡［5-6］。因此，圍繞大麗輪枝菌定殖維管束、微菌核形成、種群演化及“毒素”致萎等重要生物學性狀與其致病性形成的關系研究［4］，一直是大麗輪枝菌為害寄主研究的熱點和焦點問題。特別是，隨著基因組解析和以基因敲除為代表的基因功能研究技術的發展［7-10］，已鑒定出了一系列與大麗輪枝菌重要生物學特性相關的功能基因，并聚焦這些基因的致病機制研究［11］。這些研究結果極大推動了人們對大麗輪枝菌復雜致病機制的認識，也為理解大麗輪枝菌重要生物學性狀與致病性的形成關系提供了可能。

因此，本文以當前鑒定的大麗輪枝菌重要生物學特性（定殖導管、“毒素”致萎、種群分化、寄主適應性、微菌核、育性等）功能基因為切入點，系統梳理這些基因功能多元化與大麗輪枝菌致病性形成的關系，為進一步理解和揭示大麗輪枝菌為害機制研究及靶向大麗輪枝菌重要生物特性的防治策略研發提供理論依據。

1 大麗輪枝菌功能基因挖掘的發展歷程

1.1 傳統策略：大麗輪枝菌“毒素”組分鑒定的起始階段

鑒于大麗輪枝菌為害嚴重，20世紀中葉以來，科研人員依據大麗輪枝菌粗提液（胞外培養液）具有致萎的特性，即開始了利用傳統生理生化方法和蛋白分離純化技術研究大麗輪枝菌的“毒素”組分（本文“毒素”主要指大麗輪枝菌分泌的胞外蛋白生物大分子），并試圖建立“毒素”致萎與致病性的關系。這一時期，陸續鑒定到一些分泌到胞外的蛋白-脂質、蛋白-多糖復合體等致萎組分，并發現這些組分與大麗輪枝菌致病性密切相關［5］。如早在1982年Buchner等［12］利用瓊脂糖凝膠層析和高效液相色譜技術從大麗輪枝菌分泌液中分離得到一個高分子量的蛋白質脂多糖復合物，該復合物具有的“毒素”活性并可導致易感寄主植物產生黃萎癥狀。類似的研究還包括從大麗輪枝菌粗提液中分離到194 kD脂多糖植物毒素蛋白［13］和65 kD可誘導植物細胞合成植保素的糖蛋白［14］，這些組分均可以引起植物葉片黃化萎蔫。國內科研工作者也開展了類似的研究，如將大麗輪枝菌培養濾液濃縮后，經過透析、DEAE纖維素柱層析和瓊脂糖凝膠親和層析等步驟，得到一個具有致萎活性峰的蛋白質脂多糖［15］；通過層析、雙向電泳和SDS梯度電泳等手段，分離到一個26 kD的糖蛋白，可誘導海島棉培養細胞中棉酚等倍半萜的合成并引起植物細胞死亡［16］。盡管這個時期受限于技術原因，科研工作者獲得的致萎組分多為蛋白復合物，并未鑒定出明確的功能基因信息，但這些研究極大推動了人們對大麗輪枝菌“毒素”與致病性關系的理解，時至今日仍為大麗輪枝菌效應子操控寄主免疫反應的為害機制研究提供了重要理論支撐。

1.2 T-DNA隨機插入技術：從突變體到功能基因

上世紀末，利用農桿菌介導的T-DNA隨機插入法創建突變體成功應用于植物功能基因挖掘與鑒定工作［17］，通過突變體功能性狀鑒定和T-DNA插入位置關聯的編碼基因分析，尤其是在基因組信息的支撐下，即可很快確定出與目標性狀關聯的功能基因。這一研究策略成為當時鑒定功能基因最有效、使用最廣泛的手段，并很快成功應用于絲狀真菌的功能基因鑒定工作［18］。T-DNA隨機插入技術也被廣泛應用于大麗輪枝菌功能基因的篩選和鑒定，國內外多個研究單位先后開展了T-DNA突變庫構建工作，并鑒定出了一系列與致病相關的功能基因［19-21］，如內切葡聚糖酶VdEG-1［21］、富含谷氨酸的蛋白質VdGARP1［22］、致病相關蛋白 VdPR1/3［23-24］、轉錄因子VdFTF1［25］等。因此，T-DNA隨機插入技術的應用極大推動了大麗輪枝菌重要生物學性狀功能基因的鑒定與研究工作，至今仍有相關工作報道［26-27］。

1.3 基因組學驅動的功能基因規?；b定

隨著基因組學技術的快速發展，功能基因組研究策略很快被應用于大麗輪枝菌重要生物學性狀功能基因的鑒定與研究。最先被鑒定的是來源于生菜的大麗輪枝菌VdLs.17基因組，發現了大麗輪枝菌通過擴張植物細胞壁降解酶家族來適應維管束寡營養環境的進化機制［8］，這一研究為后續大量細胞壁降解酶的致病性功能研究奠定了基礎。隨后，通過來源番茄大麗輪枝菌JR2（1號生理小種）的基因組解析，揭示了染色體重排介導真菌無性繁殖的進化機制，并鑒定出1號生理小種無毒基因［9，28］。國內科研工作者也開展了大麗輪枝菌基因組研究工作，通過來源棉花大麗輪枝菌Vd991的基因組解析，闡明了大麗輪枝菌寄主廣譜背景下優勢適應棉花的基因組學基礎，并成功解析了引起寄主棉花落葉性狀的分子機制［10，26］。更重要的是，這些研究工作為病原功能基因的鑒定和發掘提供了重要的參考基因組，支撐了功能基因組比較、同源基因注釋與鑒定及基于轉錄組/蛋白組等功能基因鑒定工作。

上述參考基因組解析工作極大推動了大麗輪枝菌重要生物學性狀的功能基因研究，并展示出了良好的發展前景。第一，通過功能基因組比較鑒定潛在重要性狀功能基因，如功能基因組比較發現擴增的細胞壁降解酶家族成員在維管束適應性過程中發揮重要作用［8］；通過不同菌株基因組的特有基因比較鑒定出1號和2號生理小種無毒基因以及落葉性狀關聯的功能基因［26，28-29］。第二，基因組解析為基于模式生物（酵母、稻瘟病菌等）已知功能基因的同源基因功能研究提供直接有效的靶點，如大麗輪枝菌轉錄因子VdSge1［30］，絲裂原活化蛋白激酶信號通路成員［31］。第三，基因組研究為基于轉錄組和蛋白組解析大麗輪枝菌重要生物學性狀形成的基因網絡研究和功能鑒定提供了重要支撐，如微菌核形成、紫外脅迫、侵染寄主應答等的轉錄分析［32-34］，胞外蛋白質組致萎活性組分鑒定［6］。第四，基因組解析工作為病原真菌特征特性功能基因研究提供了支撐，如依據病原菌操控免疫反應效應子具有小分子量富含半胱氨酸殘基及胞外亞細胞定位的特征［35-36］，可以基于生物信息分析策略全局鑒定出大麗輪枝菌潛在的效應子，并明確了操控寄主免疫反應的若干功能基因［37］?？傊?，基因組學的發展提供了大量大麗輪枝菌候選基因；同時，病原真菌基因功能鑒定手段的進步，比如高效基因敲除［8］、寄主誘導的基因沉默［11］等，為這些候選致病基因的功能鑒定提供了研究體系，由此迎來了大麗輪枝菌功能基因的規?；b定。

2 大麗輪枝菌重要生物學特性功能基因鑒定情況

基于上述策略，科研工作者圍繞大麗輪枝菌重要生物學特性功能基因鑒定開展了大量研究工作，并以植物病原菌致病性這一重要特征為主線，解析基因功能與致病性的關系。截至目前，已經報道了近百個大麗輪枝菌功能基因，并著重研究了這些基因與大麗輪枝菌重要生物學性狀的關系，包括生長發育、微菌核形成、黑色素合成、維管束適應性、致病性等，這些基因影響或調控的生物學性狀及與致病性的關系見表1。其中，參與侵染結構（附著枝、侵染釘等）形態建成、分泌結構形成、維管束適應性（營養脅迫、氧化脅迫等）、“毒素”致萎、種群分化、微菌核/黑色素形成等相關功能的基因受到了廣泛關注，并建立了多數基因與大麗輪枝菌致病性的關系（表1）。相較于大麗輪枝菌全基因組，現階段被鑒定并開展研究的功能基因仍占較小比例，且對于每個基因在病原菌生命周期中可能發揮的多重功能也欠缺全面認知，但這些研究進展仍為從大麗輪枝菌重要生物學性狀及基因功能多元化的角度理解致病性形成的分子基礎提供了重要理論支撐。

表1 已報道的大麗輪枝菌重要生物學性狀的功能基因Table 1 Reported functional genes of major biological characteristics in Verticillium dahliae

表1 續表 Continued

表1 續表 Continued

3 侵染結構形態建成與維管束適應相關基因

大麗輪枝菌侵染循環起始于微菌核在土壤中萌發（一般認為是根系分泌物誘導），繼而通過菌絲生長接觸并吸附在寄主根表面；為實現侵染，菌絲開始形成特化的侵染結構附著枝、并產生侵染釘以刺穿根部表皮細胞，逐步侵入并最終到達導管；在導管中，侵染的菌絲再次萌發產生分生孢子［5］。在此過程中，大麗輪枝菌通過多種策略來感知寄主信號萌發侵染、適應維管束的脅迫和寡營養環境并實現定殖和擴繁，最終引起導管變褐、植株黃化萎蔫等黃萎病癥狀。

3.1 侵染過程信號感應及信號轉導相關基因

雖然早期研究沒有發現大麗輪枝菌侵染寄主時是否會形成與稻瘟病菌附著胞類似的侵染結構—附著枝和侵染釘，但近年研究發現，大麗輪枝菌在緊密接觸寄主根部表皮細胞時也會分化形成特化的頂端膨大的菌絲分枝，被稱為附著枝［88］。有研究發現大麗輪枝菌膜穿透誘導基因VdCSIN1通過cAMP介導的信號通路調控附著枝形成［87］；跨膜受體 VdMsb［38］以及轉錄因子 Som1、Vta3［52］和VdMcm1［55］也影響了大麗輪枝菌的附著能力。此外，大麗輪枝菌黏附轉錄激活子Vta2可以通過調控黏附素蛋白以及分泌性蛋白的表達，促進菌絲黏附在寄主表面［53］。進一步研究發現，附著枝特異表達NADPH氧化酶催化亞基VdNoxB和膜蛋白VdPls1基因，二者介導超氧化物（ROS）產生并引起胞內鈣離子（Ca2+）內流，促使轉錄因子VdCrz1進入細胞核而誘導下游基因表達，進一步調控侵染釘的發育和形成，最后侵染釘刺穿植物根細胞表皮開啟其侵染過程［88］。另一方面，研究發現侵染釘形成過程中，細胞骨架組分Septin5和F-actin以成環的形式衍化成菌絲頸環，與寄主細胞表面形成緊密的互作界面，促使蛋白高效分泌到寄主細胞表面或轉運至寄主細胞內，表明大麗輪枝菌附著枝除發揮附著功能外，還形成了獨特的分泌結構以促進蛋白分泌，達到成功侵染寄主的目的［90］。針對蛋白分泌過程中膜泡轉運蛋白的功能研究也證實了菌絲頸環結構參與了蛋白外泌的過程，膜泡轉運蛋白VdSec22、VdSso1、VdSyn8和胞吐體亞基VdExo70均參與了分泌蛋白的胞內轉運，包括效應子和植物細胞壁降解酶，其缺失后均可導致效應子滯留在菌絲頸環內［90-91］。此外，有研究發現肌球蛋白家族成員VdMyo5參與了大麗輪枝菌菌絲頂端的分泌囊泡轉運，其缺失嚴重影響了包括活性氧降解相關蛋白和細胞壁修飾蛋白的分泌［92］。不言而喻，因大麗輪枝菌侵染過程信號感應及信號轉導相關基因同時影響了病原對寄主的附著能力及許多致病相關因子轉運至寄主細胞的能力，它們缺失后對寄主均表現出不同程度的致病力缺陷。

3.2 環境脅迫適應相關基因

在維管束環境中，大麗輪枝菌的定殖與擴繁須應對滲透壓、氧化等各種脅迫。比較基因組分析發現，維管束病原真菌（大麗輪枝菌、苜蓿輪枝菌和尖孢鐮刀菌）相較其他生態位病原真菌編碼了部分特異基因，這些基因可能參與了病原對維管束環境的適應［8］。以大麗輪枝菌葡聚糖葡萄糖基轉移酶基因GT2為例，該基因可能通過參與調節植物細胞周質葡聚糖的代謝，導致導管滲透壓力降低，維持病原的正常定殖與擴繁，該基因缺失后顯著降低了對煙草的侵染和定殖能力［8］。另外，大麗輪枝菌膜絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信號通路中蛋白激酶 VdSsk2［31］、VdPbs2［42］和 VdHog1［43］正向調控了病原對滲透壓脅迫的適應性，受體蛋白VdSho1則與細胞膜通透性有關［39］。這些基因均不同程度上參與了病原對維管束逆境脅迫的適應性，缺失后均會引起菌株致病力下降。

另一方面，活性氧（ROS）是寄主防衛病原侵染的重要策略，大麗輪枝菌在突破植物細胞屏障和定殖維管束導管中同樣需要面對寄主活性氧的攻擊［118］。目前研究發現，與植物維管束真菌尖孢鐮刀菌類似［11］，大麗輪枝菌主要通過分泌超氧化物歧化酶（superoxide dismutases，SODs）至胞外行使寄主活性氧清除功能，從而促進病原菌對寄主的侵染，基因缺失后致病力均顯著下降［80-82］。有趣的是，大麗輪枝菌可能為逃避寄主的防衛反應，利用了不同的策略將SODs轉運至細胞外，如帶有信號肽結構的VdSOD5依賴于經典的內質網-高爾基體通路分泌至胞外；而VdSOD1和VdSOD3不具有信號肽，其外泌依賴于非經典分泌系統的關鍵調控蛋白VdGRASP（Golgi reassembly stacking protein）［80-82］。 類 似 地，蛋白激酶 VdPbs2［42］和多個轉錄因子 VdHapX［49］、VdYap1［51］、VdSkn7［51］、Som1 和 Vta2［52］均可通過正向調控大麗輪枝菌對氧化脅迫的適應性，提升病原在寄主維管束的定殖能力和侵染寄主的致病力。

3.3 營養物質利用與維管束定殖

維管束環境營養極為貧瘠，大麗輪枝菌如何適應維管束寡營養環境一直是研究的熱點問題?；蚪M學研究為理解這一機制提供了可能。比較基因組研究發現，與其他非維管束病原真菌相比，大麗輪枝菌基因組進化出了復雜的植物細胞壁降解網絡，共編碼了504個降解植物細胞壁的碳水化合物酶類，其中果膠裂解酶（包括PL1、PL3、PL9家族）家族成員相比于其他植物病原真菌發生了顯著擴增［8］，這與侵染和定殖過程中需要降解富含果膠的寄主細胞壁、進入導管和在導管內繁殖的功能需求呈正相關。因此，大麗輪枝菌通過植物細胞壁降解酶基因家族擴張并分泌至胞外發揮功能，是其適應維管束寡營養環境的重要策略。這種作用進一步體現在大量細胞壁降解酶參與了大麗輪枝菌的侵染與定殖過程，并顯著影響了病原的致病力。如糖苷水解酶VdSSP1通過降解植物細胞壁組分參與大麗輪枝菌致病性［86］；纖維素酶VdEG-1被證明在寄主早期定殖木質部發揮重要功能［21］；分泌型果膠酶VdPL3.1參與了果膠的降解和利用，缺失突變體對寄主的致病力顯著下降［6］。此外，多個參與細胞壁降解酶調控的信號因子也參與了大麗輪枝菌對植物細胞壁組分的降解和利用，在侵染和維管束定殖過程中發揮作用，包括蔗糖非發酵蛋白激酶VdSNF1［45］、轉錄因子 VdFTF1［25］、雷帕霉素靶蛋白 VdTOR［46］等。

大麗輪枝菌在維管束寡營養環境中對氮源的吸收和利用在侵染和定殖過程中也發揮重要作用［58］。轉錄組分析發現大麗輪枝菌存在不同的調控機制來實現對氮（銨）和硝酸鹽的區別利用，如MADS-box轉錄因子VdMcm1［55］、堿性亮氨酸拉鏈（bZIP）轉錄因子VdHapX等均參與這一過程［49］。研究還發現，另一個bZIP轉錄因子VdAtf1參與了對活性氮的應答，并調控了大麗輪枝菌胞內硝酸和銨的代謝平衡［58］。此外，大麗輪枝菌通常會啟動自身氨基酸的合成通路以應對維管束缺乏氮源的環境脅迫［58］。這一作用過程在近緣種長孢輪枝菌中已得到證實，其轉錄因子VlCPC1參與了氨基酸的合成，缺失后其在氨基酸缺乏的環境中生長顯著抑制［60］。類似地，這些功能基因參與大麗輪枝菌適應維管束寡營養環境的重要生物學過程，決定了大麗輪枝菌在維管束的定殖和擴繁能力，必然與大麗輪枝菌的致病性顯著相關，缺失后均不同程度喪失了對寄主的致病力。

總之，大麗輪枝菌通過一系列信號感應及轉導，特化形成的附著枝和侵染釘等結構可以使其成功侵入寄主并最終到達導管，同時分泌大量的效應蛋白和細胞壁降解酶類，發揮致病功能；另外，通過多種策略來適應維管束的環境脅迫和寡營養條件實現菌體擴繁。上述功能基因構成了大麗輪枝菌維管束定殖和適應的分子基礎。

4 “毒素”致萎組分及操控寄主免疫反應

大麗輪枝菌成功侵染寄主后，通常會引起寄主葉片黃化、萎蔫、褪綠等典型黃萎病發病癥狀。這一病癥的成因主要有“毒素”和“堵塞”兩種學說［5］?！岸舅亍睂W說認為是大麗輪枝菌分泌的毒性蛋白誘發了寄主葉片黃化萎蔫［12］，“堵塞”學說則認為是大麗輪枝菌在維管束中大量繁殖以及寄主防衛反應產生的多糖（侵填體、木栓質等）堵塞導管，導致水分和養分運輸困難而造成葉片萎蔫黃化［119］。實際上，因大麗輪枝菌分泌蛋白在菌體繁殖和誘發寄主反應過程中均發揮了重要作用［63-64］，兩種學說可能存在關聯，但二者之間的交互機制尚不清楚。近年來，隨著大量分泌蛋白組分及其功能被鑒定和報道，“毒素”學說在大麗輪枝菌對寄主致病性的貢獻日漸清晰；同時，“毒素”組分操控寄主免疫反應的功能也被大量研究和報道。

4.1 “毒素”致萎組分

針對大麗輪枝菌為害機制的研究，科研工作者很早就注意到其可以產生植物毒素而引起寄主細胞死亡［120］。隨后，圍繞大麗輪枝菌引起寄主細胞死亡和誘發葉片黃化萎蔫的組分開展了系列研究，并基于傳統生理生化方法從大麗輪枝菌胞外培養液中鑒定了一批具有誘導植物葉片黃化萎蔫的組分［13-16］。這些組分均可以不同程度引起類似病原侵染誘發的植物葉片黃化萎蔫癥狀，并逐漸形成了大麗輪枝菌為害寄主的“毒素”致萎學說。隨著分子生物學技術的發展，科研工作者通過構建表達序列標簽文庫篩選出表達壞死和乙烯誘導蛋白的同源基因VdNEP（V. dahliae Necrosis- and ethylene-inducing peptide），并證實該基因編碼蛋白為“毒素”致萎的關鍵組分，可以誘導植物葉片黃化萎蔫［121］。隨后，國內外科研工作者先后通過基因組學驅動研究發現大麗輪枝菌壞死和乙烯誘導蛋白具有8個成員，并證明其中兩個成員VdNLP1（V. dahliae NEP1-like proteins）和VdNLP2（同上述VdNEP）具有致萎功能［67-68］。新近研究發現，大麗輪枝菌還可以分泌木聚糖酶VdXyn4（V. dahliae xylanase family member 4）并操控寄主免疫反應而發揮毒性功能［76］。有趣的是該基因可以特異誘導維管束細胞萎蔫死亡，這有可能為下一步揭示大麗輪枝菌“毒素”和“堵塞”兩種學說之間的關系提供研究切入點［76］。新近有研究發現，大麗輪枝菌效應子VDAL（Verticillium dahliaesecreted Asp f2-like）處理棉花子葉后同樣可以引起萎蔫癥狀，表現出毒性功能［79］。然而，“毒素”組分遠非如此簡單，對大麗輪枝菌胞外蛋白鑒定發現，共有271個蛋白在誘導棉花子葉黃化萎蔫過程中豐度顯著提高［6］，暗示在大麗輪枝菌胞外蛋白中存在其他“毒素”致萎組分并可能通過協作發揮毒性功能，后續亟須進一步深入研究。

4.2 誘導寄主免疫反應相關基因

植物經典免疫反應理論認為，植物通過識別病原效應子激發免疫反應以阻止病原的侵染，病原進一步分泌效應子抑制寄主免疫反應以促進侵染，二者在長期的互作中呈現出寄主抗性和病原侵染性的競爭進化［122-123］。在基因組學研究驅動下，大量大麗輪枝菌分泌型蛋白被鑒定出來并發現它們多數遵循植物與病原互作的免疫反應理論，通過操控寄主免疫反應實現病原菌的毒性功能。

大麗輪枝菌被寄主識別并誘導免疫反應的效應子已被廣泛報道。在基因組學驅動下，基于某些效應子通常具備小分子量富含半胱氨酸殘基的特征（small cysteine-riche proteins，SCPs），發現大麗輪枝菌基因組編碼100多個潛在的SCPs類效應子［8，10］。通過煙草瞬時表達規?；Y選，發現至少有3個成員（VdSCP27、VdSCP113和VdSCP126）可作為質外體效應子被寄主識別并誘導免疫反應，并且其中2個成員（VdSCP27/VdSCP126）在侵染寄主過程中還發揮了毒力功能［37］。另外一項獨立研究顯示，定位于細胞核的VdSCP7可激活寄主水楊酸和茉莉酸信號通路，負向調控大麗輪枝菌致病性［78］。大麗輪枝菌激發子PevD1可誘導寄主細胞壞死［72］，在棉花中可與抗病蛋白GhPR5互作，抑制GhPR5的抗真菌活性［124］，在煙草中則與富含天冬酰胺蛋白NbNPR1互作來調控植物抗毒素倍半萜的合成［125］；新近通過模式植物擬南芥研究發現PevD1還可以靶向植物衰老調控核心轉錄因子ORE1，從而促進葉片衰老，這與病原定殖后期主要通過吸收衰老葉片和莖的營養并進入腐生階段相吻合［126］。此外，作為攻擊寄主植物的“先鋒”—細胞壁降解酶自身或其降解產物也通常被寄主識別而引起免疫反應。大麗輪枝菌分泌型糖基水解酶12家族（glycoside hydrolase 12，GH12）的纖維素內切酶VdEG1和VdEG3（不依賴于酶活）可作為PAMPs被寄主識別而誘導煙草免疫反應［62］。而角質酶VdCUT11和果膠酶VdPEL1則依賴于酶活引發煙草和棉花細胞壞死［63-64］，這一作用可能是通過二者的酶解功能，由降解產物來識別寄主受體而引發免疫反應。大麗輪枝菌木聚糖酶（糖苷水解酶11家族蛋白）也有類似功能：VdEIX3（V.dahliae ethylene-inducing xylanase 3）在煙草中表現出免疫誘導活性，可被煙草PRR類表面受體NbEIX2識別激發下游的免疫反應［66］；定位于寄主細胞核的木聚糖酶Vd424Y（即先前報道的VdXyn4）也可誘發寄主免疫反應［77］；除了引起植物葉脈、葉柄等維管束細胞壞死外，還發現VdXyn4具有操控茉莉酸信號介導的免疫反應［76］。盡管上述細胞壁降解酶類在與寄主互作過程中被識別激發了免疫反應，但多數效應子缺失后均不同程度影響了病原的致病力［64，76］。因此，大麗輪枝菌侵染寄主過程中分泌了相當數量的效應子參與二者互作并發揮毒性功能。

4.3 抑制寄主免疫反應相關基因

病原侵染寄主過程中不可避免會激發寄主的免疫反應，而利用效應子抑制寄主免疫反應則是病原實現對寄主成功侵染的重要策略［127］。類似地，大麗輪枝菌也可以外泌大量的效應子來抑制寄主的免疫反應，促進病原對寄主的成功侵染［128］。對大麗輪枝菌小分子量富含半胱氨酸蛋白（VdSCPs）的篩選發現，至少有7個VdSCPs能夠抑制多種效應子激發的寄主免疫反應［37］。另一項獨立研究顯示，小分子量富含半胱氨酸蛋白VdSCP41可以轉運到寄主細胞核內，通過直接與植物鈣調素結合蛋白家族重要免疫轉錄因子CBP60g和SARD1相結合，干擾其轉錄因子活性從而抑制植物免疫相關基因的表達［73］。大麗輪枝菌纖維素結合結構域蛋白VdCBM1也屬于小分子量富含半胱氨酸蛋白，可以抑制多種PAMPs（包括VdEG1/3，VdCUT11和VdSCP27/113/126等）所誘導的寄主免疫反應［37］。CBM1可以通過偶聯細胞壁降解酶結構域來操控免疫反應，如糖苷水解酶VdEG3因其GH12結構域偶聯了CBM1（GH12-CBM1）而導致誘導免疫反應能力顯著下降［62］；不僅如此，含有CBM1結構域的家族在大麗輪枝菌基因組中發現了顯著擴張［8］，且多數CBM1結構域具有抑制免疫反應功能［129］，表明大麗輪枝菌可能利用CBM1結構來抑制細胞壁降解酶發揮作用過程中可能誘發的寄主免疫反應，從而促進病原對寄主的成功侵染，這可能也與大麗輪枝菌半活體營養的特性密切相關。幾丁質介導的免疫反應是病原與寄主爭奪的重要“陣地”，大麗輪枝菌效應子在該過程中同樣發揮了重要作用。大麗輪枝效應蛋白Vd2LysM可以通過競爭性結合幾丁質寡糖，阻斷幾丁質和植物膜受體結合以抑制幾丁質誘發的免疫反應［70］；SnodProt家族蛋白VdCP1也可以結合幾丁質，通過對大麗輪枝菌細胞壁幾丁質成分保護作用實現其致病功能［71］；絲氨酸蛋白酶VdSSEP1在質外體空間抑制寄主幾丁質酶Chi28對病原菌細胞壁的降解從而降低寄主對大麗輪枝菌的免疫識別［75］；而效應子VdPDA1則通過乙酰化酶活性對幾丁質寡糖進行修飾，產生不具免疫誘導活性的殼聚糖，從而逃避了寄主對大麗輪枝菌的識別［74］。此外，非典型分泌蛋白（缺乏信號肽）異分支酸酶VdIsc1則可以轉運至寄主胞質中，通過降解寄主水楊酸的前體物質異分支酸進而抑制寄主水楊酸介導的免疫反應［69］?？傊?，在病原與寄主互作過程中，大麗輪枝菌通過大量的效應子來操控寄主免疫反應，使寄主植物處于易感狀態，協助發揮毒性功能并促進病原對寄主的成功侵染。

5 種群結構分化相關基因

普遍認為，大麗輪枝菌是嚴格的無性繁殖真菌，但研究發現其具有復雜的種群結構，依據生理小種劃分為3個種群（1號、2號和3號），依據寄主病癥劃分為2個種群（落葉型/非落葉型）、依據遺傳多樣性或者營養親和性劃分為6-8個種群，而基于配子型分子證據則可以劃分為MAT1-1和MAT1-2配子型［4］。這些種群分化往往和病原對寄主的致病力顯著關聯，因此，挖掘鑒定決定種群形成的遺傳基礎及關鍵功能基因一直是揭示大麗輪枝菌種群結構演化及其對寄主適應性機制的重大挑戰。

5.1 生理小種無毒基因

早在1951年，科研工作者即發現番茄存在的Ve位點，可以介導其對部分大麗輪枝菌（定義為1號生理小種）的抗性，而其他類型病原被定義為2號生理小種（傳統定義）［1］；同時，針對1號生理小種的抗病基因也于本世紀初被鑒定并進行了功能確證［28，130］。然而，在很長的一段時間，由于未發現針對2號生理小種的抗病材料，2號生理小種的遺傳背景一直不清楚。直至2017年，科研工作者通過番茄資源的大規模篩選鑒定出可以抗部分2號生理小種的番茄材料（單顯性位點V2），由此進一步將2號生理小種劃分為現今的3個生理小種［131］。在生理小種無毒基因克隆方面，借助于基因組學技術優勢，通過1號和2號生理小種全基因組重測對參考基因組（JR2，1號生理小種）全基因組覆蓋分析，鑒定出了僅存在于1號生理小種的特異片段，并結合轉錄組分析鑒定出1號生理小種無毒基因Ave1；遺傳學驗證證實Ave1是1號生理小種的無毒基因，該基因缺失可以侵染含有Ve1基因的番茄，而不能侵染不含Ve1基因的番茄［28］。采用類似的策略，科研工作者很快也鑒定出了大麗輪枝菌2號生理小種特異遺傳變異并明確了無毒基因Av2［29］。關于3號生理小種的遺傳學證據及無毒基因尚未被發現和報道。

5.2 寄主適應性：落葉性狀功能病基因

雖然大麗輪枝菌寄主極為廣泛，但在侵染寄主中存在交互致病性/寄主適應性，即存在不同寄主來源的大麗輪枝菌對分離寄主表現出較強致病力的趨勢［132］。決定這一適應性的遺傳變異的分子基礎直到近年基于基因組學研究才被發現：通過來源于番茄、生菜和棉花的3株大麗輪枝菌全基因組比較分析發現，每個基因組中均含有特異的基因組區段；其中來源于棉花的大麗輪枝菌Vd991基因組的一個區段（G-LSR2）中的7個基因僅在其侵染棉花時高表達，而侵染番茄和生菜則低表達或者不表達，缺失這7個基因后對寄主棉花的致病力顯著下降，而對番茄和生菜的致病力無影響，是決定大麗輪枝菌對寄主棉花適應性的功能基因［10］。進一步通過群體基因組學研究發現，G-LSR2僅存在于落葉型菌株中，在非落葉型菌種中完全缺失。通過精細表型鑒定發現，上述7個基因（VdDf1 - VdDf7）是決定大麗輪枝菌引起寄主落葉性狀的功能基因，并發現其中VdDf5和VdDf6是其中兩個關鍵功能基因，它們參與化合物N-酰基乙醇胺的合成和將其轉運至寄主，引起寄主植物激素失衡并增加易感性，最終引起寄主葉片脫落［26］。有意思的是，VdDfs與棉花枯萎病菌基因高度同源，分子進化分析支持這些基因是由棉花枯萎病菌水平轉移至大麗輪枝菌［26］。因此，這些研究暗示，大麗輪枝菌可能通過基因水平轉移從同一生態位的維管束病原真菌—棉花枯萎病菌中獲得基因，逐漸形成了對寄主棉花的優勢適應性，并最終進化出引起寄主棉花落葉的性狀。

5.3 其他種群結構分化相關基因

針對大麗輪枝菌其他種群結構分化的遺傳變異基礎及功能基因研究報道較少。在交配型上，雖然普遍認為大麗輪枝菌為嚴格的無性繁殖真菌，但仍然保留著兩種配子型（MAT1-1和MAT1-2）的遺傳證據［133］，并發現大麗輪枝菌以MAT1-2配子型為優勢種群［134］。基于基因組注釋，科研工作者很快獲得了決定兩種配子型育性的功能基因VdMAT1-1-1和VdMAT1-2-1，并通過基因選擇壓力分析及其他育性相關基因功能活性鑒定，推測大麗輪枝菌祖先種存在有性生殖能力或者為“隱性”有性世代［111］。然而決定育性的功能基因VdMAT1-1-1和VdMAT1-2-1是否和致病性有關尚不清楚。作為無性繁殖真菌，科研工作者利用遺傳多樣性分析開展了種群結構研究，多數結論認為大麗輪枝菌已分化為6-8個無性系［135-136］，且同基于營養親和性鑒定的種群結構（4-8個營養親和型）相關性較強［135，137-138］。盡管有限的種群結構與分離寄主關聯分析研究認為，無性系/營養親和性型種群分化與病原對寄主的致病性無顯著相關［135-136］，但決定這些種群分化的遺傳基礎及其與病原的致病性關系仍不清楚，有待進一步深入研究。

6 微菌核形成和黑色素合成相關基因

大麗輪枝菌完成侵染循環后形成休眠結構微菌核并重新進入土壤環境［139］。微菌核是由大麗輪枝菌外層菌絲細胞膨大、分泌出黑色素填充細胞間隙而形成的休眠結構，具有很強的抗逆性，能保護大麗輪枝菌度過低溫等嚴酷的環境，在適合條件下（如寄主根系分泌物）重新誘導萌發并開始新的侵染循環［5］。因此，感應外界環境信號（如營養條件）對大麗輪枝菌形成微菌核或微菌核重新萌發均發揮至關重要的作用?；谶@一原因，科研工作者更多關注了信號感應和傳導元件對微菌核形成的調控機制研究。確實如此，MAPK信號通路的許多相關組件（VdHog1、VdPbs2、VMK1、VdSsk2和 VdSte11等）均調控了微菌核的形成，缺失這些基因后導致微菌核形成能力受限［42-44］；與之相反，cAMP信號通路的2個功能元件（VdPKAC1和VGB）則負調控微菌核的形成能力［40-41］。轉錄因子作為重要的信號傳導元件同樣與大麗輪枝菌微菌核的發育密切相關，已經報道的大多數轉錄因子（如真菌特有轉錄因子Vdpf、鈣調控轉錄因子VdCrz1等）缺失均抑制了大麗輪枝菌微菌核的形成能力［50，56］；而少數轉錄因子（如VdSge1、VdMsn2和Vta2）缺失后則會誘導產生更多微菌核［30，53，57］；Velvet家族調控蛋白成員（VdVel1、VdVel2、VdVel3和VdVos1）則通過協同作用影響了微菌核的形成［61］。此外，也有報道某些分泌蛋白和微菌核形成相關，如疏水蛋白VDH1缺失后喪失了形成微菌核的能力，其可能通過影響菌絲黏附過程來調控微菌核形成［85］；類過敏原蛋白VdASP F2［84］和 α-1，6-甘露糖基轉移酶 VdOCH［83］同樣也是微菌核形成所必需的，但這些基因如何影響微菌核形成的機制尚不清楚。上述調控微菌核形成的基因多數與感應和傳導信號有關，決定了大麗輪枝菌侵染的狀態，因此多數與大麗輪枝菌致病性直接相關，缺失后通常喪失了對寄主的致病能力，如 VdSge1、VdSsk2、Vta2 等［30-31，53］。

另一方面，黑色素在細胞間隙的積累和填充對微菌核形成也發揮了重要作用，故一般認為微菌核的形成和黑色素的積累緊密相關［140-141］。大麗輪枝菌黑色素合成途徑已被系統研究和報道，科研工作者基于轉錄組和基因組分析首先明確了大麗輪枝菌中催化黑色素合成的基因簇，該基因簇跨越基因組48.8 kb區域，包含多個黑色素合成相關催化酶基因［140］；通過構建該途徑關鍵基因突變體分析發現其中5個關鍵酶（VdPKS1、VdT4HR、VdSCD、VdT3HR 和 VdLAC［142］）及轉錄因子 VdCmr1［48］均參與了黑色素合成過程；縮鏈催化酶VdVayg1也被報道參與了大麗輪枝菌黑色素的合成［94］。有意思的是，這些突變體中僅有VdVayg1和VdT3HR參與了微菌核的形成，其他基因缺失后雖然黑色素合成缺陷，但微菌核的形成能力不受影響，表明黑色素積累與微菌核形成并不直接相關，二者可能存在交叉調控信號通路［142］。此外，針對膜受體或者轉錄因子的研究證據表明微菌核形成與黑色素積累并沒有直接關系，如跨膜受體VdSho1缺失后黑色素合成能力受限、但并不影響微菌核的形成能力［39］；類似黑色素合成關鍵基因VdPKS1缺失突變體［93］，轉錄因子Vta1缺失后仍能夠形成沒有黑色素沉積的微菌核［54］。因此，推測大麗輪枝菌微菌核形成可能存在從菌絲細胞膨大到“微菌核前體”，再通過黑色素沉積形成成熟微菌核的兩個相對獨立過程。這也是黑色素合成相關基因不同于調控微菌核形成基因，缺失后并不影響大麗輪枝菌對寄主的致病力的重要原因［48］。

7 其他功能相關基因

除了上述描述的功能基因外，仍有大量參與或調控不同生物過程的功能基因通過影響大麗輪枝菌的其他生物學性狀，最終影響了其對寄主的侵染能力（表1）。如染色質重塑相關基因VdDpb4和VdIsw2通過影響基因組DNA修復來應答寄主植物ROS脅迫［114］。組蛋白E3連接酶VdBre1通過調控大麗輪枝菌脂質代謝，進而影響次生代謝物的合成發揮致病功能［97］；Velvet家族調控蛋白成員［61］及細胞素色氧化酶VdCYP1［95］也同樣調控了病原的次級代謝通路，表現出與致病性相關的特性。部分基礎代謝基因如磷酸鹽代謝通路的關鍵基因VdNUC-2［108］和參與維生素 B1 運輸的 VdThit基因［110］也與致病性有關，缺失后病原對寄主的致病力顯著下降。參與細胞器形成的基因（如細胞自噬體相關基因VdATG8/12［100］）也被報道和病原的致病性有關。

8 總結與展望

上述針對大麗輪枝菌功能基因的鑒定和作用機制研究，為理解其重要生物學性狀的形成及其與致病性的關系提供重要支撐。大麗輪枝菌的致病性在很大程度上是由于其決定生物學性狀的功能基因來決定的，厘清這一關系將為準確理解大麗輪枝菌致病相關基因概念及致病性形成的分子基礎提供重要理論依據。

目前的研究成果大部分只是對單個基因的研究，未能系統揭示大麗輪枝菌重要生物學性狀的功能基因網絡。隨著研究的進一步深入，特別受益于基因組學研究蓬勃發展時代的來臨，越來越多與大麗輪枝菌重要生物性狀相關的功能基因及其與病原的致病性關系將被陸續闡明，最終形成與重要生物學性狀和致病性關聯的功能基因網絡。目前，美國國立生物技術信息中心（NCBI）已經公布了來源不同寄主的36個大麗輪枝菌基因組（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/genome/browse/# ！ /eukaryotes/832/）， 近期國內發起的黃萎病菌基因組研究計劃（Verticilli-Omics）釋放了來源10個國家的26個寄主共159株大麗輪枝菌基因組［4］。可以預見通過這些基因組數據的挖掘與比較分析工作，將極大推動大麗輪枝菌主要生物學性狀的功能基因鑒定與研究。后續針對大麗輪枝菌功能基因和重要生物學性狀及致病性關系的研究重點包括：一是需要明確致病性相關的功能基因，其決定了什么重要生物學性狀，如定殖維管束、僅侵染雙子葉植物等；二是真正“毒素”致萎組分還有哪些，這對豐富和完善“毒素”學說具有重要意義；三是亟需明確決定大麗輪枝菌種群分化（特別是無性系）的功能基因，以及這些基因與寄主適應性或者致病性的關系；四是系統建立決定大麗輪枝菌重要生物學性狀的功能基因網絡，并明確這些功能基因與致病性的關系。這些后續研究將最終為從功能基因決定生物性狀角度闡明大麗輪枝菌致病形成的分子基礎提供重要理論支撐，并為有針對性地開發新型農藥或利用RNAi“跨界打靶”技術防控黃萎病提供理論指導。