植物病原真菌细胞壁降解酶的研究进展

摘要：综述了植物病原真菌细胞壁降解酶的类型，阐明了细胞壁降解酶在植物病原真菌侵染中的作用，归纳了影响细胞壁降解酶产生的因素以及细胞壁降解酶之间的协同作用。

关键词：植物病原真菌；侵染；细胞壁降解酶

中图分类号：S432.4+4 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2012）21-4697-04

Research Progress of Fungal Cell Wall-degrading Enzyme

DONG Zhang-yong1，2，WANG Zhen-zhong2

（1. Zhongkai University of Agriculture and Engineering， Guangzhou 510225， China；

2. Laboratory of Physiological Plant Pathology，South China Agricultural University， Guangzhou 510642， China）

Abstract： The type of plant pathogenic fungal cell wall-degrading enzymes was overviewed. The role of cell wall-degrading enzymes in the plant pathogenic fungal infection was clarified. Moreover factors affecting the production of cell wall-degrading enzymes as well as the synergistic effects among the enzymes were summed up.

Key words： plant pathogenic fungi； infection； cell wall-degrading enzymes

植物细胞壁是寄主与病原真菌相互作用的重要场所，在植物病原真菌侵入寄主的过程中起主要的屏障作用。病原真菌在侵染寄主植物的过程中分泌一系列细胞壁降解酶（Cell wall degrading enzymes， CWDES），包括果胶甲基半乳糖醛酸酶（Pectin methyl-galacturonase）、果胶甲基反式消除酶（Pectin methyl transeliminase）、多聚半乳糖醛酸酶（Polygalacturonase）、多聚半乳糖醛酸反式消除酶（Polygalacturonic acid transeliminase）和纤维素酶（Cellulose）等，它们在病原真菌的致病过程中不仅能摄取营养，而且能降解寄主组织[1]。

1 植物病原真菌细胞壁降解酶的类型

在植物病原真菌与寄主的识别过程中，病原真菌分泌的细胞壁降解酶可以降解寄主植物的细胞壁和角质层等，这有利于病原真菌的侵入、定殖与扩展。细胞壁降解酶的分类方式有多种，其中根据酶作用的底物，细胞壁降解酶可分为果胶酶（Pectic enzyme）、纤维素酶（Cellulase）、半纤维素酶（Hemicellulase）、角质酶（Cutinase）和其他酶类如蛋白酶（Protease）、淀粉酶（Amylase）和磷脂酶（Phospholipase）等。

1.1 果胶酶

果胶酶是一类能够催化果胶质分解的酶的总称。果胶酶大致分为果胶裂解酶（Pentin lyases）、果胶酯酶（Pectin esterases） 、原果胶酶（Protopectinase）和果胶水解酶（Pectin hydrolases）等。其中果胶水解酶又可分为聚鼠李半乳糖醛酸酶（Rhamnogalacturonases）、果胶甲基半乳糖醛酸酶（Pectin methyl-galacturonase）、多聚半乳糖醛酸酶（Polygalacturonase）、半乳聚糖酶（Galactan esterases）、阿拉伯聚糖酶（Arabanase）[2]、木糖基半乳糖醛酸酶（Xylogalacturonas）[3]等。果胶酶按其作用最适pH又分为酸性果胶酶和碱性果胶酶。

1.2 角质酶

许多真菌和少数细菌产生角质酶，角质酶是一种酯酶，在pH 9～10的条件下最适合催化水解角质层，产生寡聚体后降解为单体。催化过程是先经酰化作用从醇脂基中产生醇，再经脱酰基作用产生脂肪酸。角质酶被认为是病原真菌直接穿透植物寄主表皮时用于克服植物表面的角质层的重要因子之一。

1.3 纤维素酶

纤维素酶是能水解纤维素β-1，4-葡萄糖苷键，使纤维素变成纤维二糖和葡萄糖的一组酶的总称，是多组分酶系，又称纤维素酶复合物。它广泛存在于自然界的生物体中，细菌、真菌、动物体内都能产生纤维素酶。依据纤维素酶作用的pH条件将其分为酸性纤维素酶和碱性纤维素酶。凡是能在碱性条件下水解纤维素的酶均称为碱性纤维素酶；凡是能在酸性或中性偏酸性条件下水解纤维素底物的纤维素酶均称为酸性纤维素酶。

1.4 半纤维素酶

半纤维素酶是分解半纤维素的一类酶的总称。半纤维素的酶解需要许多酶的共同参与，植物病原真菌可以集中产生半纤维素酶。根据它们作用于聚合体时释放的单体的类型，可分为葡聚糖酶、木聚糖酶、甘露聚糖酶、阿拉伯聚糖酶和半乳聚糖酶等。

1.5 蛋白酶

许多植物病原真菌产生蛋白酶。随着植物细胞壁结构研究的深入，发现植物细胞次生壁、中胶层和细胞膜中也含有蛋白质，因而引起人们对病原真菌产生的蛋白酶进行研究的兴趣。Dow等[4]发现蛋白酶是细菌十字花科黑腐病菌（Xanthomonas campestris pv. campestis）的主要毒力因子，但对于植物病原真菌分泌的蛋白酶的研究仍然很少。

1.6 其他酶类

其他酶类包括淀粉酶和磷脂酶等，分别降解淀粉和脂类物质[4，5]。

2 细胞壁降解酶在植物病原真菌侵染中的作用

2.1 病原物侵染的致病因子

细胞壁降解酶是真菌成功侵染并定殖寄主植物的重要因子。病原真菌要成功侵染植物必须克服寄主在进化过程中形成的多种抗性机制。其中，真菌能产生一系列降解表皮角质层和细胞壁的细胞壁降解酶，其成为真菌克服细胞壁屏障的重要因素之一。植物病原真菌针对植物细胞壁中的每种多糖成分，均分化出相应的降解酶。陈捷等[6]发现病原真菌无论在活体组织内还是在活体组织外产生的细胞壁降解酶对玉米胚根均有明显的浸解作用，随着细胞壁降解酶浓度的增加酶浸解能力增强，且呈显著正相关。王琪[7]的研究表明，多聚半乳糖醛酸酶是香蕉枯萎病4号小种（Fusarium oxysporum f. sp. cubense race 4）致病过程的重要致病因子之一。

2.2 植物抗病反应的诱导因子

许多以细胞壁降解酶致病的病原物都能引起寄主植物细胞壁透性的变化，为其在植物组织中的入侵和定殖创造条件。同时，植物病原真菌侵染产生的细胞壁降解酶还可能诱发植物的防卫反应。

2.2.1 激发子 研究表明某些酶作为激发子诱导寄主植物产生抗性。激发子是病原物产生的能激发寄主植物对其侵染产生抗性的一类物质。细胞壁降解酶及其产物具有其他生物和非生物化合物的激发特性，包括次生代谢物、类脂和蛋白质。用某些酶处理植物组织和细胞，能引起植物的防卫反应。因此，病原真菌的细胞壁降解酶对植物作为警示信号与对于病原物作为致病因子同样重要。在许多情况下，植物似乎并不能直接识别细胞壁降解酶，而是对酶的产物作出反应。其中寡聚半乳糖醛酸作为激发子的研究较多。寡聚半乳糖醛酸可以诱导植保素和活性氧的产生，影响烟草外植体的形态建成，诱导番茄蛋白酶抑制剂的局部合成。一些研究表明寡聚半乳糖醛酸的聚合度为10～15时的活性最高。植物同样对其他寡糖和细胞壁降解酶有反应。真菌木聚糖酶是一种小分子蛋白质，可以在木质部进行传输，作为激发子的木聚糖酶的活性可能会由于变性而丧失，但相异的是木聚糖酶是直接作用而不是通过其产物产生作用[8]。

2.2.2 植物抑制因子 许多植物产生蛋白酶抑制剂，而这些蛋白酶抑制剂对病原真菌产生一定的影响[9]。如在寄主植物与病原真菌长期相互作用的过程中，植物相应地产生能够抑制病原真菌多聚半乳糖醛酸酶活性的因子，其中以多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白（Polygalacturonase-inhibiting protein， PGIP）为主。植物中存在的多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白可以抑制病原真菌的多聚半乳糖醛酸酶活性，使多聚半乳糖醛酸酶的作用延缓，这样其水解产物的长度得到提高，且该水解产物能诱导寄主产生防卫反应。同时，它可以减缓病原真菌的生长速度，使得寄主其他的防卫系统得以表达。Sella等[10]发现，多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白对多聚半乳糖醛酸的作用具有特异性，大豆的多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白能抑制串珠镰刀菌（Fusarium moniliforme）FC-10菌株分泌的多聚半乳糖醛酸，但不能抑制串珠镰刀菌PD菌株所分泌的多聚半乳糖醛酸，因而对这2个菌株的抗病性表现不同。代易等[11]分离纯化了香蕉多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白，该抑制蛋白对香蕉枯萎病菌4号小种多聚半乳糖醛酸酶活性的抑制高于对黑曲霉（Aspergillus niger）的多聚半乳糖醛酸酶活性的抑制，表明其对不同多聚半乳糖醛酸酶活性的抑制具有选择性。

3 影响细胞壁降解酶产生的因素

3.1 植物病原真菌的种类

研究表明，植物病原真菌的不同，其产生的细胞壁降解酶的种类及活性均有差异。一些研究显示很多病原真菌都能产生细胞壁降解酶。辣椒炭疽病菌（Colletotrichum acutatum）产生的细胞壁降解酶主要是果胶裂解酶、多聚半乳糖醛酸酶以及分解纤维素的β-葡糖苷酶和纤维二糖酶[12]。槭菌刺孢（Mycocentrospora acerina）活体外能产生几种细胞壁降解酶，在发病组织中也可检测到果胶酯酶、多聚半乳糖醛酸酶、果胶裂解酶和内切葡聚糖酶[13]。董章勇等[14]的研究表明，香蕉枯萎病4号生理小种在寄主体内和体外培养时都比1号生理小种多分泌一种多聚半乳糖醛酸酶，两个生理小种在体外培养时分泌的果胶甲基半乳糖醛酸酶、多聚半乳糖醛酸反式消除酶和果胶甲基反式消除酶没有差异，4号生理小种在寄主体内比1号生理小种多分泌一种果胶甲基半乳糖醛酸酶，却少分泌一种多聚半乳糖醛酸反式消除酶，两个生理小种在寄主体内的果胶甲基反式消除酶则没有差异。

3.2 细胞壁降解酶种类与病害症状的关系

不同病原真菌在侵染寄主植物时所产生的细胞壁降解酶种类与这些酶的特性的不同造成不同病菌侵染症状的差异。如匍枝根霉（Rhizopus stolonifer）和半裸镰刀菌（F. semitectum）侵染甜瓜的致病力和致腐形式有明显差异，这是由两种病原物所产生的细胞壁降解酶种类及其活性决定的[15]。匍枝根霉主要从果实的机械损伤处侵入，侵染后菌丝只能在细胞间隙和细胞壁间生长，病菌分泌高活性果胶酯酶、果胶甲基半乳糖醛酸酶和多聚半乳糖醛酸酶，而果胶甲基反式消除酶、果胶裂解酶以及纤维素酶的活性低，这样该菌能迅速降解果胶物质，使组织解离并软腐，进而导致细胞离析，但它们不能突破细胞壁进入胞内生长[16]。

3.3 植物病原真菌的致病性

Piero等[17]在研究棉花枯萎病菌时发现，菌株的致病力差异导致胞壁降解酶的数量及活性状况的差异。Cano-canchola等[18]用玉米黑粉菌（Ustilago maydis）接种玉米后，强致病力菌株产生的细胞壁降解酶活性较高，而弱致病力菌株及健康玉米组织中则低很多。王纯利等[19]研究西瓜枯萎病时得出尖孢镰孢菌致病力与β-葡萄糖苷酶活性呈正相关的结论，在β-葡萄糖苷酶细胞壁组分的诱导下分泌降解细胞壁，致使寄主萎蔫，酶活性越高，则分解细胞壁的速度就越快。姜雪等[20]研究玉米弯孢霉叶斑病菌对不同抗性种质资源的作用时发现，寄主抗性水平越高，诱导产生的纤维素酶活性也越高。

3.4 植物品种的抗病性

植物病原真菌活体内产生的胞壁降解酶的数量和活性与寄主植物品种的抗性有关。李宝聚等[21] 的研究表明，黄瓜黑星病菌（Cladosporium cucumerinum）产生的纤维素酶和果胶甲基半乳糖醛酸酶的活性与品种的抗病性密切相关。病菌侵染后抗病品种和感病品种受侵染叶片内纤维素酶和果胶甲基半乳糖醛酸酶的活性都上升，但感病品种中这两种酶的活性比抗病品种的高很多。Neeru等[22]研究发现禾生指梗霉（Sclerospora graminicola）在珍珠稷感病品种中纤维素酶和多聚半乳糖醛酸酶的活性均上升，但在抗病品种中却下降。

3.5 外界环境

植物病原真菌细胞壁降解酶的种类及活性与金属离子等环境因子有关。一些研究者认为Ca2+等离子的存在抑制了植物病原真菌的生长及细胞壁降解酶的活性。Piero等[17]研究发现Ca2+会抑制棉花枯萎病菌（F. oxysporum f. sp. vasinfectum）产生的多聚半乳糖醛酸酶活性。Martino等[23]的研究表明，苹果树粉孢（Oidiodendron maius）能帮助提高其寄主在富含重金属土壤中的定殖能力，铬离子和锌离子浓度在一定范围内的提高会引起病原真菌多聚半乳糖醛酸酶活性的上升。Sucheta等[24]的研究结果显示，核盘菌（Sclerotinia sclerotiorum）的胞壁降解酶活性一般受二价金属离子抑制，但Mg2+却能刺激多聚半乳糖醛酸酶和果胶酯酶的活性。病原真菌的细胞壁降解酶的种类及活性与温湿度等环境因子有关。李宝聚等[25]的研究结果表明，在不同温度下番茄灰霉病菌产生的细胞壁降解酶活性不同，β-葡萄糖苷酶、多聚半乳糖醛酸酶、果胶甲基半乳糖醛酸酶和纤维素酶在20 ℃时其活性均为最高，15 ℃次之，当温度达到25 ℃时4种细胞壁降解酶的活性均急剧下降。

4 细胞壁降解酶之间的协同作用

植物病原真菌产生的细胞壁降解酶降解寄主细胞壁具有时间顺序。如黄萎轮枝菌（Verticillium albo-atrum）侵染番茄茎部产生细胞壁降解酶的先后顺序为：多聚半乳糖醛酸酶、多聚半乳糖醛酸反式消除酶、阿拉伯糖苷酶、木聚糖酶和纤维素酶。一种果胶酶的作用产物可以诱导另一种或一些细胞壁降解酶的活性。陈捷等[26]对玉米茎腐病菌（F. graminearum）细胞壁降解酶的致病作用的研究发现，果胶酶和纤维素酶对玉米胚根均具有一定的浸解作用，但二者混在一起时对玉米胚根的浸解能力比任何一种单独浸解的作用都更加明显。Kuc[27]的研究表明，黄瓜黑星病菌的复合酶中，纤维素酶和蛋白酶的混合物在24 h之内未能浸解黄瓜胚轴组织，而含果胶酶和纤维素酶的混合物在2～3 h内就能浸解其胚轴组织，果胶酶和蛋白酶两者的混合物浸解能力更强，只需30～60 min。黄瓜黑星病菌产生的纤维素酶、毒素和果胶酶对黄瓜叶组织超微结构影响的研究表明，3种细胞壁降解酶在致病过程中既各自独立又相互联系。

5 结语

随着分子生物学和蛋白质组学的发展，人们从基因水平乃至蛋白质水平研究与认识真菌与寄主植物之间的互作过程将会不断地深入下去。植物病原真菌细胞壁降解酶在侵染过程中与植物间的互作关系也会在这些技术的发展过程中逐步得到研究。

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收稿日期：2012-02-06

基金项目：国家自然科学基金项目（30671349）；国家自然科学基金——广东联合基金项目（U0771001）；公益性行业（农业）科研专项（200903049-05）

作者简介：董章勇（1981-），男，广东化州人，讲师，博士，主要从事分子植物病理学和微生物学研究，（电话）13570474157（电子信箱）

；通讯作者，王振中，教授，博士，主要从事植物病理学研究，（电子信箱）。