李金玥

摘 要 病原菌與植物在相互排斥的過(guò)程中協(xié)同進(jìn)化，病原菌進(jìn)化出大量的毒性效應(yīng)因子干擾植物基礎(chǔ)免疫，又稱為病原物相關(guān)分子模式觸發(fā)的免疫PTI（PAMP- Triggered immunity），植物隨之進(jìn)化出相應(yīng)的抗病蛋白感知這些毒性效應(yīng)因子引發(fā)特異性免疫反應(yīng)ETI（Effector-Triggered Immuntiy）。在抗病植物中效應(yīng)因子誘發(fā)抗病反應(yīng)，但在感病植物中效應(yīng)因子能破壞宿主免疫提高病原菌致病性。對(duì)比大量的植物-病原菌互作系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，許多細(xì)菌、真菌或卵菌病原菌獨(dú)立進(jìn)化出不同的效應(yīng)因子，這些效應(yīng)因子以不同的方式破壞植物免疫系統(tǒng)的幾個(gè)關(guān)鍵途徑，如防止病原菌入侵的滲透免疫，模式識(shí)別受體PRRs（Pattern Recognition Receptors）介導(dǎo)的基礎(chǔ)免疫，和植物激素的生物合成及其介導(dǎo)的信號(hào)途徑。本文著重對(duì)大量來(lái)自不同病原菌的毒性效應(yīng)因子根據(jù)其生化功能進(jìn)行歸納總結(jié)，為更好地探究病原菌如何與宿主細(xì)胞相互作用使植物表現(xiàn)為抗病或感病提供了一個(gè)新的視野。

關(guān)鍵詞 病原菌 毒性效應(yīng)因子 植物免疫系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：Q948 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(shù)時(shí)候植物能有效地感知病原菌入侵發(fā)揮抗性，保持自身的健康生長(zhǎng)。但病原菌偶爾也會(huì)克服重重障礙成功毀壞植物免疫系統(tǒng)，侵占宿主細(xì)胞。首先，病原菌進(jìn)入植物體內(nèi)面臨的第一道障礙是附著于每個(gè)細(xì)胞表面的一層堅(jiān)固的細(xì)胞壁。然后，病原菌穿過(guò)細(xì)胞壁，到達(dá)細(xì)胞膜，它們?cè)谥参锛?xì)胞膜上遇到各式各樣的胞外識(shí)別受體PRRs，這些PRRs能識(shí)別大多數(shù)病原微生物的病原物相關(guān)分子模式PAMPs（Pathogen-Associated Molecular Patterns），如細(xì)菌鞭毛蛋白、脂多糖、幾丁質(zhì)等，迅速觸發(fā)基礎(chǔ)免疫PTI（PAMP-Triggered immunity），從而阻止病原菌的進(jìn)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(xì)胞內(nèi)特定區(qū)域的R蛋白（Resistance proteins），R蛋白能直接或間接地識(shí)別相關(guān)效應(yīng)因子引發(fā)抗性更強(qiáng)的免疫反應(yīng)ETI，避免病原菌的進(jìn)一步侵染。在植物組織內(nèi)，PTI和ETI共同作用限制病原菌的入侵和生長(zhǎng)繁殖。

隨著微生物基因組測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，鑒定出大量的植物病原菌毒性效應(yīng)因子，針對(duì)丁香假單胞菌和黃單胞菌效應(yīng)因子的系統(tǒng)性特征分析，鑒定出大量的宿主靶標(biāo)蛋白，這些靶標(biāo)蛋白在植物免疫系統(tǒng)中起重要作用。相比之下，對(duì)真菌和卵菌效應(yīng)因子的靶標(biāo)蛋白卻知之甚少，但幾個(gè)已知的細(xì)菌效應(yīng)因子破壞宿主免疫的方式也能在真菌和卵菌的效應(yīng)因子中觀察到。本文主要圍繞不同的病原菌效應(yīng)因子如何利用不同的方式破壞植物免疫系統(tǒng)這個(gè)問(wèn)題，對(duì)各種植物與病原菌的互作系統(tǒng)進(jìn)行綜述。

1 植物病原菌及其效應(yīng)因子

根據(jù)病原菌寄生于植物上的生活方式，可分為活體營(yíng)養(yǎng)、半活體營(yíng)養(yǎng)和死體營(yíng)養(yǎng)三種類(lèi)型。活體營(yíng)養(yǎng)型病原菌侵染活體組織并維持宿主的生存能力，死體營(yíng)養(yǎng)型則在殺死宿主細(xì)胞后靠死體組織為生，半活體營(yíng)養(yǎng)型病原菌早期寄生于活體殺死宿主細(xì)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(yīng)因子，效應(yīng)因子能與宿主蛋白直接作用提高病原菌毒性。

半活體營(yíng)養(yǎng)型細(xì)菌如假單胞菌和黃單胞菌，通過(guò)氣孔、排水孔或損傷部位進(jìn)入植物組織，一旦病原菌進(jìn)入細(xì)胞間隙，主要通過(guò)類(lèi)型III分泌系統(tǒng)向宿主細(xì)胞內(nèi)傳遞效應(yīng)因子。真菌和卵菌類(lèi)病原菌會(huì)產(chǎn)生多種類(lèi)型的孢子附著于植物表面，在合適的條件下，孢子生長(zhǎng)出胚芽管延伸至有利的侵染位點(diǎn)。大多數(shù)真菌和卵菌的胚芽管會(huì)生長(zhǎng)成一個(gè)特化的結(jié)構(gòu)，稱為附著胞，附著胞的菌絲尖利用機(jī)械力或酶溶解作用穿過(guò)植物表皮和細(xì)胞壁。病原菌進(jìn)入植物組織，一些菌絲能通過(guò)細(xì)胞質(zhì)膜內(nèi)陷入侵宿主細(xì)胞，形成第二個(gè)特化組織吸根。吸根不僅負(fù)責(zé)病原菌營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的攝取，也是效應(yīng)因子的主要分泌位點(diǎn)。

植物病原菌效應(yīng)因子除在宿主細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮毒性功能外，也能在質(zhì)外體起作用。質(zhì)外體效應(yīng)因子主要有細(xì)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(yíng)養(yǎng)型病原菌主要的毒性因子，而活體營(yíng)養(yǎng)型和半活體營(yíng)養(yǎng)型病原菌效應(yīng)因子則是多種富半胱氨酸蛋白。一些效應(yīng)因子是植物抗微生物水解酶的抑制子，不僅能保護(hù)病原菌細(xì)胞壁免受水解酶的破壞，還能阻止作為PAMPs的細(xì)胞壁成分的釋放以躲避植物PRRs的識(shí)別，但質(zhì)外體效應(yīng)因子本身能作為PAMPs被植物PRRs蛋白識(shí)別引發(fā)免疫反應(yīng)。

2 毒性效應(yīng)因子介導(dǎo)病原菌的入侵

試圖侵入植物表皮的纖維型病原菌會(huì)在侵染位點(diǎn)引發(fā)一系列抗病反應(yīng)如活性氧爆發(fā)、胼胝質(zhì)沉淀以及分泌大量的抗微生物蛋白，這一過(guò)程稱為滲透免疫。然而，一些絲狀真菌在侵染位點(diǎn)并沒(méi)有誘導(dǎo)胼胝質(zhì)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(fā)現(xiàn)，在炭疽病菌入侵宿主細(xì)胞之前，通過(guò)附著胞的滲透孔分泌一些效應(yīng)因子，這些效應(yīng)因子能麻痹宿主監(jiān)測(cè)系統(tǒng)促使炭疽病菌躲避植物抗性。玉米黑粉菌的效應(yīng)因子Pep1能直接靶標(biāo)玉米的過(guò)氧化物酶POX12，POX12對(duì)活性氧如過(guò)氧化氫的產(chǎn)生十分必要，因此Pep1通過(guò)對(duì)POX12的特異性靶標(biāo)，抑制活性氧介導(dǎo)的滲透免疫。

植物的滲透免疫也在抵御細(xì)菌侵染的過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，植物免疫受體PRRs感知到病原菌PAMPs，立即誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉防止病原菌入侵。最近研究表明脫落酸（ABA）信號(hào)途徑對(duì)PAMP介導(dǎo)的滲透免疫的重要性，ABA誘導(dǎo)產(chǎn)生過(guò)氧化氫，H2O2通過(guò)類(lèi)受體激酶GHR1誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉。然而，一些假單胞菌分泌的冠菌素，是一種類(lèi)似茉莉酸（JA）的效應(yīng)因子，能干擾ABA信號(hào)途徑防止宿主防衛(wèi)細(xì)胞的氣孔關(guān)閉。擬南芥RIN4是丁香假單胞菌效應(yīng)因子AvrB的靶標(biāo)蛋白，RIN4蛋白正調(diào)控細(xì)胞質(zhì)膜上的ATP酶AHA1和AHA2能抑制氣孔關(guān)閉，效應(yīng)因子AvrB可能通過(guò)磷酸化RIN4蛋白調(diào)節(jié)RIN4對(duì)ATP酶的正調(diào)控作用。對(duì)類(lèi)型III效應(yīng)因子是否能在細(xì)菌入侵前進(jìn)入防衛(wèi)細(xì)胞還不太清楚，但可以確定的是，在PAMP誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉之前，少量細(xì)菌的入侵能傳遞類(lèi)型III效應(yīng)因子進(jìn)入宿主細(xì)胞。

3 毒性效應(yīng)因子靶標(biāo)PTI途徑蛋白

植物PRRs蛋白FLS2和EFR在分別識(shí)別細(xì)菌鞭毛蛋白和延伸因子Tu后，招募類(lèi)受體激酶BAK1或其同系物形成一個(gè)激活狀態(tài)的復(fù)合體。幾丁質(zhì)受體蛋白CERK1通過(guò)胞外區(qū)LysMs基序結(jié)合幾丁質(zhì)，形成同型二聚體并誘導(dǎo)自身磷酸化激活PTI抗病途徑。FLS2，EFR和CERK1在植物細(xì)胞質(zhì)內(nèi)與類(lèi)受體激酶BIK1及其同系物PBL1緊密結(jié)合，PRRs感知到PAMPs后，誘導(dǎo)BIK1磷酸化致使BIK1從PRRs蛋白復(fù)合體上游離出來(lái)，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(lèi)型III效應(yīng)因子作用的靶標(biāo)蛋白在PTI途徑中發(fā)揮重要作用。丁香假單胞菌效應(yīng)因子AvrPto作為一種蛋白激酶抑制劑，與FLS2、EFR等模式識(shí)別受體PRRs相結(jié)合，抑制PRRs的激酶區(qū)域，進(jìn)而干擾MAPK級(jí)聯(lián)信號(hào)傳導(dǎo)途徑的上游。在植物體內(nèi)表達(dá)AvrPto能抑制多個(gè)PAMPs誘導(dǎo)產(chǎn)生的PTI抗性，表明除FLS2和EFR，AvrPto還可能靶標(biāo)其他的PRRs。另一個(gè)假單胞菌效應(yīng)因子AvrPtoB也能抑制FLS2，CERK1和BAK1的激酶活性，同時(shí)敲除假單胞菌DC3000的毒性基因avrPto和avrPtoB不僅顯著降低細(xì)菌毒性，還能致使其他類(lèi)型III效應(yīng)因子失活。假單胞菌效應(yīng)因子AvrPphB是一個(gè)半胱氨酸蛋白酶，能切割多個(gè)BIK1蛋白家族成員抑制PTI，黃單胞菌效應(yīng)因子AvrAC具有的尿苷?；D(zhuǎn)移酶活性能抑制BIK1激酶，因此BIK1家族成員是至少兩個(gè)細(xì)菌效應(yīng)因子攻擊的靶標(biāo)蛋白。

除了抑制PRRs復(fù)合體的激酶活性，病原菌效應(yīng)因子也能靶標(biāo)PTI途徑的下游信號(hào)分子。假單胞菌類(lèi)型III效應(yīng)因子HopAI1作為一種磷酸蘇氨酸裂解酶，使MAPK級(jí)聯(lián)信號(hào)途徑中的MPK3和MPK6去磷酸化失活，阻止PTI信號(hào)的正常傳遞，干擾相關(guān)抗性基因NHO1的表達(dá)，而另一個(gè)效應(yīng)因子HopF2是利用ADP核糖轉(zhuǎn)移酶活性抑制MAPK激酶。另外研究發(fā)現(xiàn)，假單胞菌的效應(yīng)因子HopU1能修飾RNA結(jié)合蛋白GRP7和GRP8，損害它們的RNA結(jié)合功能抑制PTI。

真菌類(lèi)病原菌效應(yīng)因子的宿主靶標(biāo)蛋白還有待進(jìn)一步確定，但一些真菌分泌的含LysM基序的效應(yīng)蛋白已被證實(shí)能用另一種方式抵御PRRs介導(dǎo)的免疫反應(yīng)。黃枝孢菌效應(yīng)因子Avr4含有幾丁質(zhì)結(jié)合結(jié)構(gòu)域LysMs基序，能結(jié)合真菌細(xì)胞壁的主要成分幾丁質(zhì)，進(jìn)而保護(hù)細(xì)胞壁免受植物幾丁質(zhì)酶的破壞。同樣地，黃枝孢菌效應(yīng)因子ECP6和稻瘟病菌效應(yīng)因子Slp1都含有三個(gè)LysMs基序，能與宿主細(xì)胞內(nèi)的幾丁質(zhì)酶競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合幾丁質(zhì)，以躲避宿主PRRs對(duì)幾丁質(zhì)的識(shí)別。

4 毒性效應(yīng)因子調(diào)控宿主基因轉(zhuǎn)錄

黃單胞菌AvrBs3家族和青枯菌PthA效應(yīng)子家族成員具有共同的結(jié)構(gòu)特征，位于C端的核定位區(qū)域（NLS）和能特異性激活宿主基因轉(zhuǎn)錄的酸性轉(zhuǎn)錄激活區(qū)域（AAD），這些結(jié)構(gòu)特征暗示這些效應(yīng)因子能在細(xì)胞核內(nèi)調(diào)控宿主基因的轉(zhuǎn)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(bào)道基因的轉(zhuǎn)錄，而且AvrXa7也能結(jié)合雙鏈DNA序列。另外，條斑病菌效應(yīng)因子PthXo1在易感水稻能誘導(dǎo)宿主基因Os8N3表達(dá)提高病原菌毒性。因此，AvrBs3和PthA家族成員能通過(guò)干擾細(xì)胞核基因轉(zhuǎn)錄下調(diào)植物抗病反應(yīng)。

然而，有一些效應(yīng)因子介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄激活卻有助于宿主免疫反應(yīng)，水稻條斑病菌效應(yīng)因子AvrXa27在一些水稻品種中激活Xa27抗病基因轉(zhuǎn)錄引發(fā)植物免疫。稻谷病原細(xì)菌的類(lèi)型III效應(yīng)因子HsvG和HsvB位于宿主的細(xì)胞核內(nèi)，能在易感植物中促進(jìn)蟲(chóng)癭形成。兩種效應(yīng)蛋白都具有轉(zhuǎn)錄激活區(qū)域和DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，轉(zhuǎn)錄激活區(qū)域由一段特定的重復(fù)序列組成，改變激活結(jié)構(gòu)域重復(fù)子的數(shù)量能使效應(yīng)因子的毒性功能發(fā)生改變，表明轉(zhuǎn)錄激活對(duì)效應(yīng)因子的毒性功能至關(guān)重要。

5 毒性效應(yīng)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(shù)情況下，SA信號(hào)途徑介導(dǎo)對(duì)活體營(yíng)養(yǎng)型病原菌的抗性，而JA和ET的抗病信號(hào)途徑介導(dǎo)對(duì)死體營(yíng)養(yǎng)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(guò)分泌模擬植物激素的效應(yīng)因子或激活抗病信號(hào)干擾植物激素途徑。例如，假單胞菌分泌的冠菌素，一種類(lèi)似茉莉酸的效應(yīng)因子能干擾SA介導(dǎo)的抗病反應(yīng)。另外，效應(yīng)因子AvrB，AvrPtoB和AvrRpt2能分別激活茉莉酸、脫落酸和生長(zhǎng)素誘導(dǎo)的宿主基因表達(dá)，AvrPto和AvrPtoB能誘導(dǎo)乙烯的生物合成引發(fā)番茄植物的細(xì)胞死亡。

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

6 結(jié)語(yǔ)

無(wú)論是植物滲透免疫，還是基礎(chǔ)免疫PTI或物種特異性免疫ETI都具有共同的抗病信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子，并引發(fā)一系列相似的抗病相關(guān)反應(yīng)。最近越來(lái)越多研究表明，PTI信號(hào)途徑和ETI信號(hào)途徑有交叉重疊，在功能上相互偶聯(lián)。例如，大麥R蛋白MLA通過(guò)干擾抑制PTI的WRKY轉(zhuǎn)錄因子引發(fā)ETI，擬南芥RRS1-R蛋白在典型的TIR-NBS-LRR結(jié)構(gòu)的N端融合有一個(gè)WRKY結(jié)構(gòu)域，RRS1-R可能在細(xì)胞核內(nèi)調(diào)控WRKY介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)錄，因此植物多層防御體系具有重疊交叉的抗病信號(hào)途徑。

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

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