虞玲錦　張國良

摘要：本文綜述了植物類病變壞死突變體的定義、類型、形成機制以及信號轉導途徑，并對植物類病變壞死突變體的研究進行了展望，以期為植物抗病育種提供新的思路。

關鍵詞：植物類病斑；形成機制；信號轉導途徑

中圖分類號： S432.2+3；S432.1文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）02-0094-03

收稿日期：2013-06-18

基金項目：國家重點基礎研究發(fā)展計劃（編號：2011CB100700）；江蘇省自然科學基金（編號：BK2008193、BK2012667）；中國科學院上海生命科學研究院植物生理生態(tài)研究所植物分子遺傳國家重點實驗室開放課題；江蘇省淮安市“533英才工程”拔尖人才資助項目（編號：134）；淮陰工學院自然科學重點項目（編號：HGA1101）。

作者簡介：虞玲錦（1987—），女，江蘇常州人，碩士，主要從事植物抗病性等方面的研究工作。

通信作者：張國良，博士，副教授，碩士生導師。E-mail：hgzgl@sina.com。植物在沒有明顯的逆境、損傷或病原物侵害時，在葉片上能自發(fā)地形成壞死斑（Lesion），其癥狀與某種病原物侵染后的壞死癥狀非常類似，被稱為類病變壞死突變體（lesion mimic mutant，LMM）[1]。在玉米中首先發(fā)現(xiàn)了類病變壞死突變體[1]，后來在擬南芥[2]、大麥[3]、水稻[4]、花生[5]和大豆[6]等其他植物中也相繼發(fā)現(xiàn)了類病變壞死突變體。有些類病變壞死突變體的發(fā)生與正常生理功能或細胞發(fā)育有關，另外一些與植物抗病抗逆的防衛(wèi)反應緊密有關，其表型與植物在防衛(wèi)過程中的過敏反應（hyperse-nsitive response，HR）很相似。不少LMM在類病斑壞死形成之前或之后還表現(xiàn)出對病原物局部或系統(tǒng)抗性的增強，并且表現(xiàn)出與細胞程序性死亡有關，推測類病斑壞死突變體和過敏反應可能具有一些共同的形成機制[7]。過敏反應是植物在受到非親和性病原菌感染后，侵染部位的細胞迅速死亡，從而使得病原菌獲得養(yǎng)分的途徑受到限制，同時誘導周圍細胞合成抑制病原菌生長的物質(zhì)阻止病原菌增殖的一種植物特異性防衛(wèi)反應，屬于一類細胞程序性死亡（programmed cell death，PCD）[8]。1996年Dangl等就已證實類病斑不是病原菌直接導致的，而是植物程序性細胞死亡機制的產(chǎn)物[9]。因此，類病變壞死突變體逐漸受到學者們的廣泛關注，將其作為研究植物抗病性機制以及細胞程序性死亡途徑的重要試驗材料。

1類病變壞死突變體的類型

根據(jù)類病變壞死突變體的表現(xiàn)型及其與PCD的關系，Lorrain等[10]將其分成2類，一類為PCD的抑制途徑，另一類為PCD的激發(fā)途徑。抑制途徑所產(chǎn)生的突變體被稱為反饋型（propagation class）突變體，其對細胞程序化死亡進程缺乏下調(diào)作用，最終會導致葉片完全枯死[11]。激發(fā)途徑所產(chǎn)生的突變體被稱為起始型（initiation class）突變體，在無外界因素激發(fā)的情況下，細胞壞死隨機且自發(fā)地獨立產(chǎn)生于葉片或其他器官上，不會擴散。起始型突變體又可以被分為隱性和顯性兩種類型，以顯性為主。顯性一般被稱為功能獲得型，是程序性地表達細胞死亡信號；隱性則被稱為功能失去型，是缺乏細胞死亡起始的負調(diào)控。

2類病變壞死突變體形成機制

造成類病斑形成的原因很復雜，能夠引起植物代謝紊亂而破壞細胞內(nèi)部平衡的某個基因突變都有可能導致植物細胞程序性死亡而產(chǎn)生類病斑。隨著越來越多LMM基因的發(fā)現(xiàn)、克隆與功能分析，對植物類病變壞死突變體壞死斑表型形成的機制的研究也越來越深入，從研究結果推測，可能存在以下幾個方面的原因。

2.1抗病基因的改變或過量表達

抗病基因的突變，可能會導致信號傳導途徑的改變從而引起細胞過敏反應，最終導致大量的、難以控制的細胞程序性死亡，產(chǎn)生類病斑現(xiàn)象。1999年Tang等[12]和Collins等[13]就分別在番茄和玉米中證實了這一說法，過量表達Pto基因?qū)е铝祟惒“叩漠a(chǎn)生，Collins通過突變玉米的RPL位點從而導致了類病斑的產(chǎn)生。突變體blm的免疫印跡分析結果表明，突變體中一些發(fā)揮關鍵作用的抗病蛋白和氧化酶的表達都明顯增加[14-15]。

2.2正常代謝途徑紊亂

當植物的正常生長代謝過程發(fā)生紊亂時，干擾或者影響正常PCD的發(fā)生都有可能導致植物類病斑壞死表型的發(fā)生。如脂轉移酶ACDⅡ以及紅葉綠素還原酶ACD 2的突變都會導致類病斑的產(chǎn)生[16]。Brodersen等[17]敲除編碼擬南芥鞘氨醇轉運蛋白的acd11基因后能激活植物PCD和防衛(wèi)反應。這些研究結果表明，植物類病斑壞死形成與植物PCD失控密切相關。

另外，卟啉代謝途徑的紊亂也是類病斑壞死形成的重要原因之一。卟啉代謝途徑中任何一個酶基因的突變或任何可能導致光活化代謝物積累的基因突變都可能會導致類病斑的形成，此外異源基因的過量表達和原卟琳原氧化酶（proto porphyrinogen oxidase）的表達受到抑制等都可能造成類病斑的形成。Hu等[18]對玉米les 22 基因序列的分析結果表明，les 22的變異導致尿卟啉原Ⅲ大量積累，在光照作用下使得分子氧轉變成活性氧，引發(fā)了類病斑的形成。

2.3活性氧和自由基的作用

在類病變壞死突變體中自發(fā)性壞死斑的形成往往與活性氧（ROS）和自由基密切相關，活性氧主要以超氧陰離子（O-2· ）和過氧化氫（H2O2）的形式存在，自由基為羥基自由基（OH—），主要存在于正常的植物細胞葉綠體和線粒體中。伴隨著ROS和自由基的富集，許多LMM在短時間內(nèi)，會在壞死斑及周圍快速積累H2O2和 O-2· 。許多類病變壞死突變體都顯示ROS積累于病斑周圍，但我們對這些早期的信號分子是怎樣在病斑的起始和擴散中發(fā)揮作用仍不清楚。如突變體sp12、spl和spll在接菌后，隨著NADPH氧化酶活性的增強H2O2會進一步得到積累；突變體s1接菌后過氧化氫酶活性下降，也同樣導致積累H2O2，這會造成葉綠體、線粒體等細胞器受到損傷，從而引發(fā)植物發(fā)生細胞程序性死亡[19]。Jabs等研究結果表明超氧陰離子是啟動擬南芥lsd 1突變體發(fā)生程序性死亡的充分必要條件，外源的超氧化物歧化酶（SOD）能抑制lsd 1細胞死亡[20-21]。在煙草、小麥的試驗中也發(fā)現(xiàn)，線粒體內(nèi)的選擇性氧化酶（mitochondrial alternative oxidase，AOX）可抑制線粒體的電子傳遞鏈同時有效阻礙由細胞色素呼吸途徑下調(diào)而引起的程序性細胞死亡[22-23]。

2.4激素的作用

水楊酸是一種極其重要的能激活植物發(fā)生抗病防衛(wèi)反應的內(nèi)源信號分子，其NPR1蛋白含有錨蛋白重復結構，可以介導局部的植物過敏反應。Dong[24]發(fā)現(xiàn)NPR1與TGA類的轉錄因子之間發(fā)生相互作用，這些轉錄因子結合PR-1抗病基因啟動子中的水楊酸應答元件[25]，從而直接參與調(diào)節(jié)PR-1基因的表達，也就是說其作用位點在水楊酸途徑的下游。另外，過量表達水楊酸水解酶基因也可使擬南芥的LMM的細胞死亡情況受到抑制[26]。有研究結果表明，在NahG基因存在的情況下，能抑制突變體自發(fā)壞死斑的形成，表明水楊酸在類病斑壞死的形成中起了關鍵作用[17]。

乙烯和茉莉酸是與果實成熟、花粉形成、根系發(fā)生等植物生長發(fā)育過程密切相關的重要激素。一些類病斑的表達除通過組成型激活水楊酸途徑外，還可表達茉莉酸和乙烯依賴的基因（PDF1·2和Thi2·1），或通過過量表達這些信號成分，或通過下游信號的異常加以調(diào)節(jié)[27-29]。Devadas[30]等將突變體acd 5、cpr 5和hrl 1與乙烯途徑被破壞的突變體進行雜交，發(fā)現(xiàn)類病斑壞死的出現(xiàn)延遲，說明乙烯在細胞死亡的起始上發(fā)揮重要作用。

此外，外界環(huán)境，臭氧、溫度、光照和濕度條件也會誘發(fā)植物形成類病斑壞死表型，如在光照和黑暗條件下，類病變壞死突變體Sekiguchi會形成不同的病斑[31]。又如在長日照下，擬南芥類病變壞死突變體lsd 1自發(fā)形成病斑，而在短日照下，病斑的形成則受到抑制，當從短日照條件再次移到長日照條件下又會形成病斑[32]。2002年，第一個水稻類病斑突變基因Spl 7被成功克隆，其編碼的一個轉錄因子蛋白通過參與水稻細胞的熱激反應來控制光溫下植物的PCD過程[33]，說明溫度可能參與類病斑的形成。

3類病變壞死突變體的信號轉導途徑

類病變壞死突變體在產(chǎn)生類病斑的過程中一般都伴隨著胼胝質(zhì)的沉積、活性氧的產(chǎn)生、自發(fā)熒光化合物的積累以及SA含量的提高和組成型表達防衛(wèi)基因，同時其抗性也會加強。通過研究發(fā)現(xiàn)，類病斑的產(chǎn)生與植物的抗病信號途徑中水楊酸、茉莉酸、乙烯和R基因介導的抗性密切相關。

3.1SA信號途徑在類病變壞死突變體形成中的作用

在病原菌侵染植物的過程中，植物的局部組織會產(chǎn)生HR，此時植物體內(nèi)的水楊酸會增加，從而激發(fā)PR蛋白表達提高植物系統(tǒng)抗性。由于NahG轉基因植物不能夠積累SA，Greenberg[17，27，34]等將其和各種類病變壞死突變體雜交以確定SA信號在LMM中的作用。結果顯示，F(xiàn)2代類病斑的形成受到抑制，可見這些類病變壞死突變體所激活的抗性反應位于SA的下游。此外，在水楊酸信號途徑中，NPR1基因和特異性抗病基因發(fā)揮著及其重要的作用。在PR-1抗病基因表達過程中，SA應答元件通過與NPR1相互作用的TGA類轉錄因子來調(diào)節(jié)PR-l基因的表達[25]；SNCl則能產(chǎn)生組成型表達的防衛(wèi)反應，使細胞生長減緩，細胞死亡得到抑制[35-38]。

3.2JA和ET信號途徑在類病變壞死突變體形成中的作用

JA作為脂肪酸源的信號分子，ET則調(diào)節(jié)復雜的信號網(wǎng)絡，通過正調(diào)節(jié)或負調(diào)節(jié)控制植物抗病信號傳導[39]。類病變壞死突變體一般通過兩個方式調(diào)節(jié)病斑的形成，過量表達JA信號途徑中的信號分子和不正常調(diào)節(jié)下游信號[28，40]?；騊DF 1·2和Thi 2·1的特異性均受到JA或ET的誘導，一般被用來作為區(qū)別依賴于SA和JA/ET抗病性轉導途徑中的標記基因[41-43]。Brodersen等將一些類病變壞死突變體（acd 5、acd 1、cpr 5、cpr 22、dll 1、hrl 1和cet）和削弱JA或ET信號的突變體雜交，結果表明acd 1和cpr 22類病斑的形成并不依賴于JA和ET信號；acd 5、cpr 5和hrl 1病斑延遲出現(xiàn)，說明ET對這些類病斑形成的時間以及細胞死亡的擴散極其重要[17，44]。

3.3R基因介導的抗病反應

目前已從水稻、擬南芥等多種植物中分離得到了20余種R基因，這些R基因所編碼的蛋白結構具有很強的保守性，多數(shù)都包含有一個LRR結構域，它控制著配體的結合或者蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間的互作，此外，兩個脂類蛋白PAD4和EDSI與膜蛋白NDRI共同調(diào)控R基因介導抗性的2個分支[45]，其亮氨酸的重復序列以及亮氨酸拉鏈在蛋白的相互識別和相互作用過程中發(fā)揮作用，激酶保守區(qū)和核苷酸結合位點則在信號傳遞過程中起作用。Rustérucci等[32，45]利用2 個突變體lsd1和eds1證實了EDS1 在細胞死亡中擴大的新功能，這2 個突變體完全消除了蔓延型細胞死亡（runaway cell death，RCD）。

4展望

雖然有些類病變壞死突變體的表型與細胞發(fā)育和生理有關，受光溫誘導[46]，與植物抗病性反應無關。但這些突變體中的一部分基因發(fā)生了變異，而這些基因又直接或間接參與調(diào)控細胞凋亡和抗病性過程。另外一些LMM表型與抗病性有關，本實驗室篩選出的水稻LMM農(nóng)藝性狀基本不變，但提高了水稻對紋枯病和稻瘟病的抗病性，具有一定的廣譜抗性。隨著基因芯片等技術的發(fā)展，可以對LMM進行全基因組掃描，對差異表達顯著的基因進行鑒定和功能研究，也可以對其調(diào)控的蛋白進行功能研究，或者與已知的LMM基因相關蛋白進行生理生化、亞細胞定位及其互作等研究，以便深入了解LMM 在細胞凋亡、防衛(wèi)或細胞發(fā)育中的作用。對于抗病性明顯提高或者產(chǎn)生廣譜抗性的LMM，也可以開展相關的抗病分子育種研究，創(chuàng)制既高產(chǎn)又抗病的水稻材料。

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