植物病原真菌致病基因研究进展

摘要：指出了植物病原真菌是引起植物病害最主要的病原体。根据植物病原真菌的致病过程综述了植物病原真菌致病基因的研究进展，对植物病原真菌致病基因转移和染色体转移进行了探讨，以助于更好地理解植物病原真菌的致病机理，为植物真菌病害的防治提供理论支持。

关键词：植物病原真菌；致病基因；研究进展

中图分类号：S432文献标识码：A文章编号：16749944（2017）03011303

1引言

在已知的植物病害中，70%～80%是由植物病原真菌引起[1]。植物病原真菌种类繁多，并且它们的侵染方式、分化、侵染结构的功能以及营养策略上存在着很大的变化[2]。真菌病害一般通过气流或者水流传播，因此可以通过化学药剂防治，或者通过改善植物种植管理来防治真菌病害，但是防治效果一般，植物病原真菌的仍然比较严重[3]。植物真菌病害是由病原真菌、寄主植物和环境因子三者相互作用、相互影响形成，病原真菌侵入寄主主要有植物病原真菌粘附寄主表面、病原菌侵染结构的形成、病原菌侵入寄主、病原菌在寄主内定殖与扩展4个步骤[4]，这一系列过程中必然涉及相关基因的调控。因此发现和研究植物病原真菌致病过程中的相关基因及其功能，有助于理解病原真菌的致病机理、开发抗病原真菌靶标药物，以及采取其他的防病抗病措施。

2植物病原真菌粘附寄主过程中的相关基因

植物病原真菌要侵染寄主对寄主产生致病性，首先要能顺利吸附在寄主表面，与寄主细胞产生相互作用。不同植物寄主表面的特征存在不同，因此病原菌入侵寄主时需要采取不同的方式，触发不同的机制粘附到寄主表面[5]。病原真菌附着入侵寄主的机制之一就是释放一些酶类，以此改变寄主表面特性，如磷酸酶在病原真菌入侵寄主过程中起到重要作用[6]。真菌孢子会产生细胞壁降解酶、蛋白酶来破坏寄主细菌壁从而使真菌入侵[7]。Rogers等[8]研究发现，当编码果胶酸水解酶基因的受到抑制时，腐皮镰孢菌（Fusarium solani）致病力才会降低。Isshiki等[9]研究发现，当侵染柑橘果实的链格孢菌（Alternaria alternata）内源多聚半乳糖醛酸酶基因突变后，该菌的致病力减弱。因此，在植物病原真菌与寄主植物互作以使病原体粘附于寄主表面的过程中，是受一些编码分解寄主细胞壁等基因的调控。

3植物病原真菌侵染结构形成的调控基因

植物病原真菌要产生致病作用，必须先入侵寄主。病原菌在入侵寄主时，通常会伴随着一些侵染结构的产生，这些结构一般由真菌菌丝特化形成[10]。植物病原真菌一般会形成如侵染垫（Infection cushion）、附着胞（Appressorium）侵染钉（Penetration peg）和吸器（Haustorium）来帮助自身入侵并且建立与寄主的寄生关系[11]。在对植物病原真菌染结构形成的调控基因的研究中，主要集中于对附着胞形成相关的基因。

病原真菌入侵寄主的过程一般由分生孢子黏附寄主表面、孢子萌发、形成附着胞、等步骤[8]。真菌附着胞的产生能够介导病原菌侵入寄主以及诱导寄主产生防御反应[12]。而一些基因则在附着孢形成过程异性表达，如MPG1和PMK1基因，MPG1编码一个真菌分泌疏水蛋白，在真菌附着孢形成过程中大量表达，从而介导真菌菌丝附着在寄主植物体表面。PMK1基因依赖级联放大系统末端的MAP激酶编码基因[13，14]。Xu等[15]的研究显示，PMK1基因的失活，会导致稻瘟病菌（Magnaporthe grisea）不能形成附着胞，同时稻瘟病菌也不能在植物组织中存活。张春红[16]研究了附着胞阶段基因的表达，以稻瘟病菌驱动蛋白Kinesin的EST序列克隆了基因MgKIN1，发现该基因在稻瘟病菌营养菌丝、分生孢子中均得到表达。由这些研究可见，植物病原真菌重要侵染结构―附着胞的形成是受几种特定的基因调控，这些基因的失活将使真菌不能附着细胞，从而不产生致病性，因此，对这些基因的进一步研究将有利于为开发抗病原真菌药物的开发提供相应的靶序列。

4植物病原真菌入侵寄主过程中的调控基因

植物病原真菌可以通过多种方式侵入寄主，如自然孔口（气孔或伤口）入侵，有些病原真菌的入侵可间接穿透植物表面以入侵寄主。植物病原真菌入侵寄主过程中的调控基因研究较多的有黑色素和酶促降解机制。

植物病害中的真菌黑色素是一类生物聚合分子的总称，被认为是很多植物病原真菌的毒力因子[17]。DOPA黑色素和DHN黑色素是被研究最广泛的两种黑色素，这两种黑色与病原真菌致病力紧密联系，在植物病原真菌中普遍存在，例如在玉米弯孢菌（Curvularia lunata）侵入玉米过程中，该菌胞内黑色素以DHN为主，而胞外是DOPA[18]。当病原菌侵染寄主时，黑色素沉积在病原菌细胞壁的内层，形成有助于病原菌入侵的机械压力，利于病原菌入侵寄主[19]。吴楠等[20]确定了玉米大斑病菌（Exserohilum turcicum）胞外黑色素的种类，结果发现玉米大斑病菌胞外黑色素与DHN黑色素不同，为DOPA类型黑色素。Motoyama等[21]克隆了稻瘟病菌的3个黑色素生物合成基因―ALB1、RSY1和BUF1，这些基因的突变体附着胞膨压丧失，使得稻瘟病菌丧失致病性。

有些植物病原真菌，在入侵寄主的过程中，真菌菌丝不会产生有助于病原菌入侵的形态变化，不能形成侵染结构，例如镰刀菌属（Fusarium）或芽枝霉（Cladosporium fulvum）[22]。病原真菌入侵寄主时，没有分化出明显侵染Y构的真菌，其致病机制主要靠酶促降解[23]。Tonukari[24]研究发现，SNF1A基因编码旋孢腔菌（Cochliobolus carbonum）的细胞壁降解酶，旋孢腔菌侵染寄主时形成的附着胞没有黑色素，因此需要通过酶类的释放来帮助自身侵染寄主。而SNF1A基因的突变菌株不能成功侵染寄主，说明在该菌侵染过程中，起到关键作用的就是SNF1A基因编码的细胞壁降解酶。病原真菌入侵过程中产生的细胞壁降解酶，如果胶酶、木聚糖酶、纤维素酶、漆酶等都受相应基因的调控[25]。

5植物病原真菌在寄主定殖与扩展过程

中相关基因植物病原真菌与寄主植物的互作是一个复杂的过程，当病原菌入侵寄主时，会触发寄主植物的防卫反应。寄主会产生对植物病原真菌起抵抗和抑制作用的物质，因此病原真菌要成功入侵寄主，诱发病害，就要突破寄主的防卫反应，这个过程中涉及病原真菌特异性的基因调控。

在研究高粱轮纹斑病菌（Gloeoccospora sorghi）侵染高粱^程中，Wang等[26]发现高粱轮纹斑病菌能够将高粱释放的防卫物质一氰化物解毒变为无毒化合物，从而有利于病原菌侵入寄主。这是由于高粱轮纹斑病菌中的cht基因编码氰化物水解酶，该酶能将氰化物降解成无毒化合物。植物病原真菌除了能产生降解植物防卫反应抑制物的物质，还能够产生一些降解植物细胞壁的酶，如纤维素酶、果胶酶等。一些植物病原真菌产生的毒素对病原菌的致病性也有重要作用。这一系列病程的基因调控机理还有待于进一步研究。

6植物病原真菌致病相关基因的水平转

移和染色体水平转移基因水平转移（Horizontal gene transfer，HGT）和染色体水平转移（Horizontal chromosome transfer，HCT）是指在差异生物个体之间，或单个细胞内部细胞器之间在基因水平和染色体水平进行的遗传物质的交流[27，28]。植物病原真菌能够迅速适应不断变化的环境，包括克服植物抗病基因。这通常通过病原单一效应基因的突变实现，使它们能够避免寄主植物的识别和抵制。基因水平转移和染色体水平转移通过获得新的致病基因使得病原能够扩大寄主范围。基因水平转移能够使真菌获得对特异性寄主具有致病性的基因。Friesen等[29]发现从长穗菅茅斑叶病菌（Stagonospora nodorum）转移到小麦黄斑叶枯病菌（Pyrenophoratritici-repentis）的ToxA基因引起了小麦严重的真菌病害，这种与种间的基因水平转移使得一种病原真菌从另一种病原真菌得到了对特定寄主的致病基因。近来，有研究报道在致病性镰刀菌属（Fusarium）真菌和致病性镰刀菌属真菌之间发生了染色体水平转移，使得非致病性真菌获得致病性[30]。染色体水平转移给真菌之间的遗传物质交换提供了很好的机制，使得真菌能够对新的寄主产生致病性。有研究报道了不同病原真菌种间的染色体水平转移，这使得杂交子代扩大了寄主范围。Kroon等[31]报道了马铃薯晚疫病菌（Phytophthora infestans）和紫茉莉疫霉菌（Phytophthora mirabilis）之间发生了染色体水平转移，本来这两种病原菌只分别对马铃薯M西红柿和紫茉莉（Mirabilis jalapa）具有致病性，但是现在这两种病原菌一小部分子代对这些寄主都具有致病性。表1列出了都基因水平转移（HGT）和染色体水平转移（HCT）产生的真菌致病相关基因，其中包括编码核糖体和非核糖体毒素的基因[32]。由此可见，基因水平转移和染色体水平转移能够给病原真菌带来新的基因，也能够使非病原真菌获得致病基因。因此，对二者的研究有利于更好地了解植物病原真菌的致病机理和进化过程（表1）[32]。表1由HGT和HCT产生的真菌致病相关基因（包括编码核糖体和非核糖体毒素的基因）

真菌效应基因基因产物HGT/HCT在真菌致病性中的作用小麦黄斑叶枯病菌（Pyrenophora tritici-repentis）ToxA基因坏死性核糖体多肽HGT对小麦产生新的致病性丛赤壳菌（Nectria haematococca）PEP基因Pisatine脱甲基酶等酶HGT对豌豆致病玉米小斑病菌（Cochliobolus heterostrophus）Tox1基因T-毒素；长链聚酮HGT对玉米致病玉米圆斑病菌（Cochliobolus carbonum）Tox2基因HC-毒素；周期肽HGT对玉米致病细交链孢菌（Alternaria alternate）寄主苹果AMT基因AM-毒素；周期肽HCT致病性和寄主特异性寄主草莓AFT基因AF-毒素；不饱和脂肪酸HCT致病性和寄主特异性寄主日本梨AKT基因AK-毒素；不饱和脂肪酸HCT致病性和寄主特异性寄主西红柿ALT基因AAL-毒素；聚酮化合物HCT致病性和寄主特异性黄瓜枯萎病菌（Fusarium oxysporum）SIX基因核糖体多肽HCT一些具有致病性7结语

植物病原真菌对寄主植物产生致病作用是一个复杂的过程，是在植物、病原真菌和环境三者相互作用、相互影响过程中形成的，因此，深入了解植物病原真菌的致病调控基因，以及这些基因如何发挥作用，对于解释植物病原真菌的致病机理以及采取适当的方法防治植物真菌病害具有重要的理论和实践意义。随着分子生物学尤其是基因组测序技术的发展，越来越多的植物病原真菌基因被发现，因而在基因组水平研究植物病原真菌的致病机理和进化将是未来研究的重要方向。

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