植物激活蛋白提高植物抗病性的機制研究進展

陳勇輝，殷瑞雪，萬園，溫平周，羅小霞

（1.江西生物科技職業學院，江西南昌 330200；2.江西科技師范大學 生命科學學院，江西南昌 330013）

植物的正常生長受到各種病原微生物的侵襲。植物通過與病原物之間長期的相互影響、相互適應、協同進化，形成了一系列對抗病原菌的防御機制。其中，誘導抗性是植物重要的抗病機制之一[1]。激活蛋白（activator protein）是從鐮刀菌、交鏈孢菌及稻瘟菌等真菌中分離純化而得的一類新型的蛋白質激發子，它可以誘導植物產生抗病性，提高植株免疫力，幫助植物在受到病蟲侵擾時提高生存能力[2]。因此，針對植物激活蛋白提高植物抗病性的研究非常必要。

1 植物激活蛋白

激活蛋白是稻瘟菌、黃曲霉菌和交鏈孢菌等病原真菌表達的一種熱穩定蛋白激發子，它本身沒有任何殺菌和抑菌活性，主要通過結合一些存在于宿主細胞表面的激發子受體，經信號轉換和細胞內部水楊酸、茉莉酸/乙烯兩條信號途徑的傳導，激活植物自身的免疫系統，提高植物抵御病蟲害和不良自然環境脅迫的能力[3]。同時，該蛋白可以誘導植物產生系統抗性，促進植物生長繁殖，提升作物品質，并可將其用來生產高效的多功能生物農藥[4]。

國外已有許多有關激活蛋白應用于病蟲害防治的研究報道，如美國Eden生物公司就曾利用歐文氏菌激活蛋白誘導植物獲得抗病性，并應用于農業生產中[5]；1922年，WEI等[6]發現植株在感染梨火疫歐文氏桿菌（Erwnia amyotvoar）后，可以產生一種抗植物病蟲害的過敏性蛋白質。現階段，國內對激活蛋白提高植物抗病性的研究主要以水稻、番茄、煙草和絲瓜等農作物為對象。

2 植物抗病反應的類型

植物的抗病性常常表現為限制病菌的生長和擴散，將其控制在感染部位的小區域內。多數情況下，植物與病原菌相互識別引發局部抗病反應，即過敏性反應（Hypersensitive Response，HR）；經過一段時間后，被侵染植株的抗性水平擴展到整個植株，形成系統獲得性抗性（Systemic Acquired Resistance，SAR）。

2.1 過敏性反應

過敏性反應（HR）這一概念最早由STAKMAN提出，用來描述銹病在其谷類抗病品種上形成的快速、局部的植物細胞死亡[7]。過敏性反應是植物與病原菌不親和作用時，植物所產生的一種自身防衛反應，主要包括植物識別病原菌、植物細胞死亡、抗病反應的激發以及病原菌生長的抑制這4個環節[8]。研究發現，HR與植物的抗病性有關，植物在受到病原菌侵襲后，受侵染點及臨近的組織會快速壞死，從而抑制病原菌的生長。

2.2 系統獲得性抗性

系統獲得性抗性(SAR)是植物受到病原微生物初次侵染時，自局部侵染點激發的防御機制，并會進一步激活的整株水平上的持久廣譜抗性[9]。SAR是在HR后，通過一系列的信號轉導，又引發的整株植物對病原菌的廣譜抗性，植物體感染病原菌后，產生SAR并伴隨著系統性水楊酸含量的增加和誘導病程相關蛋白質的表達[10]。

3 植物激活蛋白提高植物抗病性機制

植物激活蛋白提高植物抗病性的機制十分復雜，在此過程中一些活性氧及相關酶類起著重要的調控作用。不少研究發現，活性氧的含量增加以及一些抗病相關防御酶類的活性增強是植物激活蛋白提高植物抗病性的主要表現，這些都可以作為植物抗病能力的指標，判斷植物激活蛋白對植物抗病性的影響[11]。

3.1 活性氧

活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）主要有超氧陰離子（O2-）、過氧化氫（H2O2）和羥自由基（·OH），濃度過高的活性氧對植物細胞不利。植物在遭受到病原菌的侵染后會產生一系列的生理生化反應，活性氧類物質的產生是早期的防衛反應之一，它可直接減少病原菌的存活率，其中以H2O2最具典型，適量濃度的H2O2可抑制病原菌孢子的萌發和傳播[12]。饒力群等[13]研究發現，H2O2不僅可以直接殺滅病原菌，還能參與細胞的膜脂質過氧化反應，干涉過敏反應，導致植物細胞壁木質化和細胞的死亡，誘導對植物病害的抗性。

3.2 超氧化物歧化酶

正常環境條件下，植物體內ROS的產生和清除始終處于動態平衡狀態，但逆境會誘導ROS在植物體內積累，ROS的大量積累會導致細胞膜脂質過氧化，使膜系統受到損傷，從而造成植物組織的損傷。超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase，SOD）是生物體防御酶系統的重要一員，也是ROS清除中第一個產生作用的抗氧化酶，它可以快速歧化超氧陰離子自由基，形成H2O2和分子氧，抵御植物體內ROS積累的毒性，從而提高植物抗病性[14]。匡傳富等[15]研究煙草噴施植物激活蛋白的效果發現，與未處理組比較，處理組的SOD活性增長明顯，病情等級也較低，表明超氧化物歧化酶活性與植物抗病性呈正相關。

3.3 苯丙氨酸解氨酶

苯丙氨酸解氨酶（Phenylalanine Ammonia Lyase，PAL）廣泛存在于各種植物和少數微生物中，是植物體內苯丙烷類代謝的關鍵酶，它不僅參與防御物質——木質素和異黃酮類物質的合成，還能夠產生一種重要的次級信號分子水楊酸（Salicylic Acid，SA），激活植物過敏反應和系統獲得性抗性，對提高植物抗病性有核心作用[16]。KOUKOL[17]首次從綠色植物中分離提取出PAL，并發現受病原菌侵染的植物中，感病品種的PAL活性增加量小于抗病品種，不能迅速合成有抗病作用的生化物質，未能有效阻止病原菌擴展，說明PAL活性可作為植物抗病性的生化指標。麥麥提艾力·熱合曼等[18]使用灰霉菌激活蛋白處理番茄幼苗能顯著提高苯丙氨酸解氨酶（PAL）、過氧化物酶（POD）和多酚氧化酶（PPO）活性，進而提高番茄的抗病性。

3.4 過氧化物酶和幾丁質酶

過氧化物酶（Peroxidase，POD）被認為是植物抗病反應中的關鍵性酶，在植物與病原菌互作系統中顯示出多樣活性變化[19]。幾丁質酶是一類與植物病害相關的蛋白質，在高等植物生長發育過程和抗病過程中起著重要的作用[20]。韓曉光等[21]以稀釋1 000倍的植物激活蛋白粗提液處理玉米，發現玉米中苯丙氨酸解氨酶、過氧化物酶、幾丁質酶和多酚氧化酶活性比對照均有所提高，說明植物激活蛋白能誘導玉米抗病性。邱德文等[22]以30 mg/L的激活蛋白處理黃瓜種子、幼根和葉片，發現激活蛋白能促進黃瓜幼根生長，并提高葉片中脫氫酶、過氧化物酶、苯丙氨酸解氨酶和脯氨酸含量。

4 結語

綜上所述，植物在不斷抵御病原微生物侵染的過程中，宿主的抗病基因產物與病原微生物無毒基因產物相互識別并最終激活植物抗病信號的傳導途徑，這一復雜過程中，植物激活蛋白能調控植物中活性氧的動態平衡及相關防御酶活性的大小[23]。植物激活蛋白引起的植物抗病性，與植物體內相關分子信號轉換與傳導、活性氧的代謝和相關防御酶活性有很大聯系。然而，通過信號轉導誘導信號分子和具有特異性植物受體分子之間的識別及相互作用，并最終引發機體的防御反應是一個復雜的過程，對同一植物使用不同的誘抗劑，可能會誘導出相似的抗病反應，但是激活的信號轉導途徑卻不一定相同[24]。為進一步抑制病原菌對植物的危害保證糧食安全，加強對植物激活蛋白誘導抗病性的分子機制以及機體內各個信號分子之間相互傳導的具體途徑研究具有重大的現實意義。