植物病程相关蛋白研究进展

摘要：本文介绍植物病程相关蛋白的结构、性质、分类、基因结构和表达调控等方面的研究进展，阐述病程相关蛋白与植物系统获得性抗性的关系。

关键词：病程相关蛋白；系统获得性抗性；植物

中图分类号：S432 文献标识码：A

植物生长于多变的自然环境中，形成了各种各样有效适应或抵抗逆境的机制。环境中的病原微生物包括真菌、细菌、病毒以及线虫等，它们诱发的植物抗病机制是近年来植物抗性研究的热点之一。植物中普遍存在的抗病机制有两种：过敏反应（hypersensitive response， HR）和系统获得抗性（systemic acquired resistance， SAR）。二者均有多种抗病基因和病程相关蛋白的参与。

1 植物抗病机制

1．1 植物抗病基因和防卫反应基因

植物抗病基因， 是决定寄主植物对病原菌的专化性识别并激发抗病反应的基因。它与病原菌无毒基因互补。植物抗病基因编码产物是抗病反应信号转导链的起始部分，当它与病原菌无毒基因直接或间接编码产物互补结合后，通过信号传导，诱导植物防卫反应基因的表达，激发并引起植物的抗病反应。病程相关（pathogenesis-related， PR）蛋白基因作为植物防卫反应基因的一员，广泛存在于不同植物中。

1．2 植物抗病机制

植物中普遍存在的抗病机制有两种：过敏反应（hypersensitive response， HR）和系统获得性抗性（systemic acquired resistance， SAR）。

过敏反应是指在植物与病原菌的非亲和互作中，受病原菌侵染的植物细胞快速死亡而形成枯斑的反应。过敏反应是植物程序化的抗病机制，不同的植物与病原菌互作发生过敏反应时，在细胞、生化及分子水平上的变化基本相同。系统获得抗性是指植物发生过敏反应后，获得的对病原菌的广谱抗性。系统获得性抗性是植物防卫反应基因被系统诱导表达的结果，特别是PR蛋白类基因。如拟南芥和烟草的PR-1基因；黄瓜的几丁质酶基因；水稻的脂氧化酶基因等。

1．3 病程相关蛋白

病程相关蛋白（pathogenesis related proteins，PRP／PRs）是指植物在病理或病理相关的环境下诱导产生的一类蛋白。PRP最初由Van Loon、Van Kammen和Kassanis应用多聚腺苷酸（PA）诱导烟草抗病研究时发现。随后的研究越来越多，人们把这种普遍存在的具有广谱抗性的诱导的可溶性蛋白质统称为PRP 。最近，在PR蛋白基因表达调控的分子机制等方面取得了不少重要进展。

2 植物中的PRP及其功能

2．1 PRP的结构

根据最早报道的桦树花粉超家族Bet v1 的结构特征，Mogensen 等人于2002年首次通过荧光分光光度方法证实了这个蛋白在天然状态下能结合一系列天然或合成的小分子配体包括ANS、脂肪酸、类黄铜、细胞分裂素和脱氧胆酸等。

2．2 PRP的性质

PRP相对分子质量较小，一般为10～40kD，因此可以在胞内和胞间较好地积累。PRP有较强的稳定性，大部分PRP能抵抗蛋白酶、糖苷酶、重金属、尿素、低pH值和高温（60 ℃）。PRP在进化上相对保守，来自不同植物的同类型PRP不仅在物理和化学性质上相似，而且在分子结构、氨基酸组成和血清反应等方面也相似。

植物中的PRP主要表现如下活性：（1）几丁质酶；（2）β- 1，3-葡聚糖酶；（3）β-1，3-1，4-葡聚糖酶；（4）脱乙酰壳多糖酶；（5）过氧化物酶；（6）类甜味蛋白；（7）a-淀粉酶；（8）溶菌酶。

2．3 PRP的分类

PRP最初根据寄主来源和在聚丙烯酰胺凝胶电泳中的迁移率分类，随着对PRP基因组的分离、克隆、表达研究的深入，形成了目前按PRP的植物来源、电泳迁移率（分子量）、血清学关系以及氨基酸序列的同源性为标准的分类体系。

根据氨基酸序列的相似程度至少可以将PRP分为5组：（1）PR-1组： PR-la、PR-lb、PR-1c功能不明，为富含甘氨酸的PRP，它们在烟草对TMV的过敏反应过程中产生，表明这组PRP具有抗病毒功能，有人认为它们可能参与植物细胞壁抗侵染作用。（2）PR-2组和PR-3组：这两类分别是 β-1，3-葡聚糖酶和几丁质酶。（3）PR-4组：功能不明，在烟草中可被TMV侵染所诱导，与外源凝集素hevein的 C 端主体序列同源，表明可能参与病原细菌的非亲和识别。（4）PR-5组：即被称为类甜蛋白（thaumatin-like protein，TLP）的PRP。主要是24kD的蛋白质，包括PR-S、PR-P和碱性osmotin Ⅰ、osmotinⅡ，它们与甜蛋白有血清学关系。在经伤口诱导的番茄、马铃薯叶片中也发现类似的PRP，可激活某些抵抗丝氨酸肽链内切酶的蛋白质活性。（5）PR-10组：存在于许多植物中，有人研究黄羽扇豆时发现其过敏反应中存在着两种类型的PR-10蛋白，分别命名为L1PR10．1A 和L1PR10．1B，两者的相对分子质量为17kD，由176个氨基酸残基组成，其同源性为91％。Bantignles B等从白羽扇豆中得到一种17kD的蛋白质，与PR-10具有很高的同源性，它不但具有PRP常有的生物学特性，而且还具有DNA聚合酶Ⅱ活性。

2．4 PRP的分布

细胞分离技术、免疫荧光技术、免疫胶体金技术等表明，PRP主要分布于植物细胞间隙和液泡内，其分布与等电点及诱发菌和植物的亲和性有关。一般来说，等电点小于7的酸性PRP多分布于细胞间隙中，而等电点大于7的碱性PRP则多分布于细胞胞液中。

PRP在细胞内的转移取决于它们的末端序列。酸性、碱性PRP的一个重要区别在于碱性PRP的前体不仅有N端信号肽，还有C端糖基化的尾部序列，成熟蛋白质中这两个末端序列在C端糖基化的同时都被切除。有人认为，N端信号肽可能与PRP多肽链通过内质网有关，它决定PRP能否从高尔基体转到液泡或穿过细胞质膜分泌到胞间；其前体靠近N端的信号肽负责控制PRP向液泡中的转运，它的缺失可使转运途径发生错误而分泌到胞间。

2．5 PRP的功能

已有报道病程相关蛋白是在植物对病毒、类病毒、细胞的入侵反应中产生的，也有一些病程相关蛋白是由化学试剂诱导产生的，如聚丙稀酸、氨基酸衍生物、重金属盐、水杨酸；还有一些病程相关蛋白被植物激素诱导产生，如细胞分裂素和生长素。病程相关蛋白在健康的植物中也有发现，根、衰老的叶子、植物开花期间都发现有病程相关蛋白的表达。PRP的功能主要包括：攻击病原物、降解细胞壁大分子释放二级（内源）激发子、分解毒素、结合或抑制病毒外壳蛋白等。

3 PRP的基因结构及基因表达调控

所有PRP均为多基因编码，PRP同一基因家族的cDNA和DNA有数目不等的核苷酸顺序同源；并有特定的功能分区，包含启动子、靶位和结构功能序列。靶序最本质的组分是反应元件，有的还含有增强子序列，目前，已经在一些植物PR基因的启动子中鉴定到几类重要的顺式作用元件，如W盒、GCC盒和SA反应元件As-1等。W盒存在于欧芹的PR-1和烟草的CHN50等基因的启动子中。

PR基因的表达受病原菌侵染、植物发育阶段、激素和光照等因素的调节。目前对引起PR基因表达的信号传导途径及PR基因的表达调控机理知之甚少。研究表明，PR 基因表达的基本机制是转录活化。不同基因家族可接受同一刺激信号而激活表达；对同一种刺激信号，不同家族的激活表达可是同步的和协调的，也可是相互抑制的。靶序对不同刺激信号表现出严格的选择性，如番茄的3种PRP（p14a、β-l，3-葡聚糖酶和几丁质酶）对氨基丁酸的α、β、γ异构体反应的差别可以达到86％ ，不少基因成员的上游区含不同长度的反向重复序列，对基因表达起调控作用；还含不同长度的内含子，内含子的长短与是否接受某种信号有关。

PRP可被外源激发因子和内源激发因子所诱导，外源激发因子包括病原物、化学物质、创伤以及从真菌提取的外源激发子等；内源激发因子包括在植物体内产生的诱导分子如乙烯、水杨酸（SA）、过氧化氢及从病原物或植物细胞壁上酶解产生的激发子等。乙烯和SA是研究较多的内源信号。SA的积累常与PR基因的诱导表达相一致。NawrathL的研究发现，合成SA的非等位基因突变能使整个植株对无毒（avirulent）和有毒（virulent）病原物更为敏感。与NaHG植株（编码SA过氧化氢酶基因，能将SA分解成儿茶酚）比较，受到病原物感染时水杨酸缺失诱导突变体PR-1急剧减少，证明了SAR与SA的积累与PR-1的表达密切相关。此外，SA的积累能提高LePR1和LePR2的 mRNA含量。Eyal等证明乙烯强烈地激活碱性PRP基因的表达。

4 PRP和诱导抗性及系统性获得抗性的关系

自从烟草中的一些病程相关蛋白如几丁质酶和β-1，3-葡聚糖酶被鉴定为具有潜在的抗真菌活性之后，病程相关蛋白参与植物系统获得性抗性的结论被广泛接受。转基因等技术的运用，使PRP与植物抗病性关系的研究有了突破性进展。蓝海燕用烟草碱性β-1，3-葡聚糖酶基因和菜豆碱性几丁质酶基因，构建组成型表达载体获得转基因植物，发现其对赤星病的侵染具有较强的抵抗能力。抗高温（HTR）麦品种是一种对小麦条带锈病低感染品种，HTR品种接种病菌后能见到典型的坏死性过敏反应，并伴随着木质素的积累，在HTR品种能检测到6种PRP。Caruso carla用Fusarium culmorum接种小麦幼苗不仅诱导产生了PR-2、PR-3、PR-4蛋白，而且PR-9蛋白的活性增强；PRP抑制剂的使用能显著加强病症。

烟草对细菌和真菌等病原菌感染都产生PRP，并且未感染叶片中也出现这些蛋白，说明PRP和植物系统抗性密切相关。Neuenschwander等分析发现，大多SAR蛋白属于PRP。番茄的SAR蛋白至少由9个PRP家族组成，包括PR-1酸性异构体（PR-la，PR-lb和PR-lc）、β-1，3-葡聚糖酶（PR-2a，PR-2b和PR-2c）、几丁质酶（PR-3a，PR-3b）、hevein-like蛋白（PR-4a和PR-4c）、类甜蛋白（PR-5a，PR-5c）、ClassⅢ几丁质酶的酸性和碱性异构体、胞外β-1，3-葡聚糖酶和PR-1的碱性异构体。在拟南芥中，SAR标记基因是PR-1、PR-2和PR-5，其表达可增强拟南芥对病毒Peronospora parastica的抗性。转基因植物和植物突变体的研究表明，正是PRP的产生才导致了SAR的出现。

5 问题与展望

现在认为，PRP参与了植物的诱导抗病性，特别是几丁质酶和β-1，3-葡聚糖酶，但其作用机制尚不清楚。病程相关蛋白的作用方式是否类似于动物体内的免疫蛋白， 还有哪些重要因子同时参与， 其信号转导及基因表达的具体途径怎样， 如何从不同来源的PRP基因中找到能接受特定因子刺激的靶顺序（Ts），并通过对TS序列的作用启动植物对不同病原物的抗性，SAR和PRP的内在关系如何， 这些均有待更多PRP结构的解析、基因表达调控的阐明及PRP作用模式的建立。目前绝大多数的研究都是在体外进行的，还需要在植物体内得到进一步验证。转基因植物将是一个很好的工具。

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