李 磊, 貢 豪, 李 韜

揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 江蘇省作物遺傳生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/植物功能基因組學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; 江蘇省作物基因組學(xué)與分子育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇省糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心, 揚(yáng)州 225009

植物抵御病原菌以及環(huán)境脅迫的機(jī)制可分為兩種類型：一類可歸為機(jī)械/物理抗性：即以角質(zhì)、蠟質(zhì)、木質(zhì)素等物理結(jié)構(gòu)相關(guān)成分組成的阻擋病原菌入侵的形態(tài)障礙機(jī)制；另一類稱之為生理/化學(xué)抗性：即植物感知外界環(huán)境后通過增強(qiáng)呼吸作用、產(chǎn)生抑菌物質(zhì)、促進(jìn)細(xì)胞死亡等過敏性反應(yīng)(hypersensitive reaction，HR)相關(guān)的生理生化反應(yīng)來抵御病原菌入侵的機(jī)制[1]。植物過敏反應(yīng)是植物-病原物不親和互作后發(fā)生的一種細(xì)胞快速壞死的典型抗病反應(yīng)，是植物的一種抗病機(jī)制，伴隨細(xì)胞的程序性死亡。過敏反應(yīng)是細(xì)胞程序性死亡(programmed cell death，PCD)的主要形式，是一種受基因控制的、主動的、有序的細(xì)胞死亡過程，可以激發(fā)鄰近組織的防衛(wèi)反應(yīng)和植株的系統(tǒng)獲得性抗性[2]。而類過敏反應(yīng)(hypersensitive reaction-like，HRL)是指植株在沒有病原物侵染也未遭受外界脅迫的條件下自發(fā)形成的類似過敏反應(yīng)癥狀，往往表現(xiàn)為植物的局部(如葉片、葉鞘、枝梗、谷殼等)或整株上均勻布滿壞死病斑或者萎黃病斑。研究類過敏反應(yīng)發(fā)生機(jī)制以及相關(guān)基因?qū)ε嘤龔V譜抗病品種、提高作物的適應(yīng)性和穩(wěn)產(chǎn)性具有重要意義，本文對類過敏反應(yīng)及類過敏反應(yīng)介導(dǎo)的抗病性的三個階段(活性氧迸發(fā)、信號分子的傳遞以及抗病系統(tǒng)的激活)的相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，以期為植物抗病研究提供參考。

1 植物類過敏反應(yīng)

植物的類過敏性反應(yīng)通常與植物的廣譜抗病性相關(guān)聯(lián)，廣譜抗性(broad-spectrum resistance)指的是對同一病原菌的不同生理小種或不同病原菌都具有抗性。目前作物中定位和利用的抗病基因絕大部分為小種特異性(race-specific)抗病基因，該類抗性只對個別或少部分小種有效，其抗性很容易因新的毒性小種的出現(xiàn)而喪失[3]。因此，廣譜持久抗性基因的挖掘和利用是減少作物病害最有效、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的途徑，而廣譜抗病基因的挖掘是作物抗病育種和抗病性改良的重要任務(wù)，已成為國內(nèi)外植物遺傳育種學(xué)家以及植物病理學(xué)家研究的熱點(diǎn)。目前在擬南芥、水稻、玉米等植物中已有超過100個類過敏材料的基因被克隆[4]，但在小麥中未見相關(guān)基因克隆的報道，僅有Dlm1、Dlm2[5]兩個類過敏缺陷突變體以及l(fā)m[6]、lm1、lm2[7]和Ndhrl1[8]4個類過敏基因初步定位的報道。很多類過敏材料表現(xiàn)出對病原菌的抗性，這一過程常常伴隨著細(xì)胞的過敏性壞死以及抗病信號的傳遞，如活性氧(reactive oxygen species，ROS)的迸發(fā)，乙烯、水楊酸、茉莉酸等激素信號的增強(qiáng)，植物防衛(wèi)反應(yīng)相關(guān)基因的激活，系統(tǒng)獲得抗性途徑的激活，胼胝質(zhì)的積累，以及細(xì)胞壁蛋白的氧化交聯(lián)等共同的特點(diǎn)。

2 植物類過敏反應(yīng)引發(fā)的抗病性

綜合前人的研究結(jié)果，我們可以將植物類過敏反應(yīng)引發(fā)的抗病性大體分為:活性氧的迸發(fā)、激素信號的激活以及防衛(wèi)系統(tǒng)的激活3個主要階段(圖1)。值得注意的是：起始階段與第二階段之間有時并無明顯的界限，活性氧的迸發(fā)與EDS1的表達(dá)之間存在相互促進(jìn)的反饋調(diào)節(jié)機(jī)制。此外，各激素信號之間存在普遍的互作與交叉。

圖1 植物類過敏反應(yīng)介導(dǎo)抗病的3個階段Fig.1 Three stages of Hrl-mediated broad-spectrum resistance.

2.1 活性氧的迸發(fā)

活性氧是一類化學(xué)性質(zhì)活潑、氧化能力強(qiáng)的含氧化合物的總稱，包括過氧化氫、超氧化物、羥自由基和一氧化氮等，是光合作用和呼吸作用等生理代謝活動中產(chǎn)生的副產(chǎn)物。動物中，線粒體是產(chǎn)生活性氧的主要細(xì)胞器，而植物細(xì)胞中葉綠體產(chǎn)生的活性氧是線粒體的20倍，此外，植物細(xì)胞中的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)以及過氧化物酶體也可產(chǎn)生少量的活性氧[9]。正常情況下植物細(xì)胞內(nèi)活性氧的產(chǎn)生和清除是平衡的。病原菌的入侵能導(dǎo)致植物體活性氧的迸發(fā)，使植物受到氧化脅迫，進(jìn)一步導(dǎo)致細(xì)胞死亡，這是過敏性反應(yīng)的重要特征，也是植物的早期防衛(wèi)反應(yīng)之一。

很多類過敏突變體中均觀察到了活性氧的迸發(fā)。玉米Les22(lesionmimic22)基因編碼一個尿卟啉原Ⅲ脫羧酶，顯性類病斑突變體Les22中，尿卟啉原脫羧酶活性顯著降低，導(dǎo)致尿卟啉原Ⅲ過量積累，在光照條件下尿卟啉原Ⅲ促使植株產(chǎn)生過量的活性氧，從而引發(fā)類過敏表型[10]。擬南芥顯性RCD1(radical-induced cell death 1)突變體中，臭氧和過氧化物的積累導(dǎo)致類過敏反應(yīng)表型的產(chǎn)生[11]；野生型擬南芥LSD1(lesions simulating disease resistance 1)編碼的鋅指蛋白能與3個過氧化氫酶互作，提高過氧化氫酶活性，其類病變突變體lsd1中過氧化氫酶活性的降低使得過氧化氫大量積累，導(dǎo)致細(xì)胞程序性死亡[12]。煙草中通過轉(zhuǎn)基因抑制過氧化氫酶的表達(dá)，促進(jìn)了過氧化氫的積累，導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因植株產(chǎn)生類過敏反應(yīng)的壞死斑[13]。這些研究表明活性氧的迸發(fā)與類過敏反應(yīng)表型密切相關(guān)，目前已知植物過敏反應(yīng)中活性氧迸發(fā)的調(diào)控途徑主要有EDS1(enhanced disease susceptibility 1)途徑和NDR1(nonrace-specific disease resistance)途徑[2]。野生型擬南芥對攜帶avrB、avrRpm1、avrRpt2和avrPph3中任意一個無毒基因的番茄假單胞菌均具有抗性，而突變體ndr1-1卻表現(xiàn)出類過敏反應(yīng)并對其感病。進(jìn)一步的研究表明NDR1 是一個具有非小種?；缘恼T導(dǎo)防御反應(yīng)的抗性基因，NDR1在CC-NB-LRR 類R蛋白的調(diào)節(jié)下參與細(xì)胞活性氧的產(chǎn)生[14]。EDS1編碼一個類脂肪酶蛋白，是一種重要的防衛(wèi)基因。EDS1在以TIR-NB-LRR(toll-interleukin-1 receptor nucleotide binding-leucine-rich repeat)類R蛋白(resistance proteins)為主介導(dǎo)的ETI(effectors-triggered immunity)及不涉及R蛋白的PTI(PAMP-triggered immunity)中均發(fā)揮重要作用，主要調(diào)控細(xì)胞內(nèi)氧爆發(fā)和水楊酸(salicylic，SA)的積累并抑制JA/ET(jasmonic acid/ethylene)通路。EDS1通過與另外兩個類脂肪酶蛋白PAD4(phytoalexin deficient 4)和SAG101(senescence-associated gene 101)的互作促進(jìn)SA的積累進(jìn)而抑制過氧化氫降解酶的活性，進(jìn)一步促進(jìn)葉綠體中過氧化氫的積累，導(dǎo)致活性氧過量[15,16]。

2.2 激素信號的激活

植物激素廣泛參與了植物對病害的抵抗。在植物類過敏反應(yīng)過程中，隨著活性氧含量的提升和NDR1、PAD4、EDS1以及CPR5(constitutive expressor of pathogenesis-related genes 5)等基因的響應(yīng)，一系列激素信號途徑被激活。水楊酸(salicylic acid，SA)、茉莉酸(jasmonic acid，JA)、乙烯(ethylene，ET)途徑相關(guān)的程序性細(xì)胞死亡以及相關(guān)防衛(wèi)反應(yīng)在類過敏反應(yīng)中扮演了十分重要的角色。

2.2.1水楊酸信號途徑 水楊酸主要是以水楊酸甲酯(MeSA)的形式在韌皮部完成長距離運(yùn)輸，當(dāng)MeSA被運(yùn)輸?shù)竭h(yuǎn)端組織后，與水楊酸結(jié)合蛋白2(SABP2)形成復(fù)合體，并在SABP2的催化作用下生成SA[17]。SA參與許多R基因特異的植物系統(tǒng)性抗病反應(yīng)，是一種能激活植物抗病防衛(wèi)反應(yīng)的重要內(nèi)源信號分子，可以介導(dǎo)植物局部過敏反應(yīng)，導(dǎo)致植物細(xì)胞死亡。類過敏細(xì)胞中EDS1調(diào)控了活性氧的迸發(fā)，隨后，活性氧擴(kuò)散至旁鄰細(xì)胞，反過來觸發(fā)EDS1-PAD4-SA增強(qiáng)環(huán)，放大旁鄰細(xì)胞的SA信號。這說明ROS信號和SA信號之間存在一種循環(huán)的反饋回應(yīng)機(jī)制，可以放大防衛(wèi)信號的傳導(dǎo)。擬南芥中組成型表達(dá)相關(guān)發(fā)病機(jī)理的基因(constitutive expressor of pathogenesis-related genes， CPR)在激素響應(yīng)過程中扮演了重要角色。擬南芥cpr5隱性突變體植株矮小、葉片光滑、表皮毛分叉減少、內(nèi)源SA含量升高。研究表明CPR5是一個多效性基因，對梨枯病原體和寄生性病原菌卵菌具有抗性[18]，在細(xì)胞增殖、細(xì)胞衰老和死亡、信號分子的響應(yīng)[19]，以及膜蛋白的編輯等方面具重要的調(diào)節(jié)作用[20,21]。擬南芥中CPR30負(fù)向調(diào)控其抗病反應(yīng)，EDS1、PAD4和NDR1對CPR30調(diào)控的防御反應(yīng)具有重要的調(diào)節(jié)作用，而NPR1與這一調(diào)控機(jī)制沒有直接關(guān)聯(lián)。水楊酸在cpr30突變體內(nèi)大量積累，進(jìn)一步的研究表明：cpr30突變體中，水楊酸參與了PR1基因的表達(dá)而不參與PR2基因的表達(dá)調(diào)控[22]。除CPR基因外，還有很多類型的基因參與水楊酸信號的調(diào)控[23]：第一類基因直接編碼參與水楊酸合成途徑的酶。SA可以被苯丙氨酸解氨酶PAL合成，也可被異分支酸合成酶合成，如SID2能將分支酸轉(zhuǎn)化為異分支酸，促進(jìn)水楊酸的合成；第二類基因與水楊酸的積累相關(guān)，但并不直接參與SA合成，如ACD6(accelerated cell death 6)，擬南芥ACD6編碼一個含有跨膜結(jié)構(gòu)域的錨定蛋白，參與了細(xì)胞死亡過程，并與番茄假單胞菌抗性相關(guān)，但具體作用機(jī)制暫不明晰；第三類基因在水楊酸下游起作用，如NPR1，擬南芥NPR1負(fù)責(zé)水楊酸的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。NPR1蛋白以低聚體形態(tài)分散在細(xì)胞質(zhì)中，難以進(jìn)入細(xì)胞核，而感知水楊酸信號后分解成蛋白單體并進(jìn)入細(xì)胞核進(jìn)而激活PR基因表達(dá)。對擬南芥突變體npr1的研究發(fā)現(xiàn)，NPR1基因的啟動子含有一個WRKY蛋白的結(jié)合位點(diǎn)——W-box序列，WRKY蛋白結(jié)合W-box序列后激活NPR1表達(dá)，而突變體中W-box序列的變異阻止了WRKY蛋白的結(jié)合，抑制了NPR1基因的表達(dá)，進(jìn)而抑制植物產(chǎn)生SAR[24]。

2.2.2乙烯信號途徑 乙烯是一種廣為人知的植物激素，它影響植物各器官的生長、發(fā)育、衰老等過程，同時在調(diào)節(jié)植物HR中具有重要作用。外施乙烯能夠顯著增加喜樹堿誘導(dǎo)的番茄過氧化氫和類過敏反應(yīng)的產(chǎn)生[25]；乙烯濃度增大能夠顯著增加月季花的類過敏反應(yīng)；由浸泡引起的水稻根系表皮中檢測到乙烯的合成；對乙烯不敏感的番茄能抑制由活體營養(yǎng)病原菌感染引起的類過敏反應(yīng)。擬南芥內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的乙烯信號受體家族(ETR1、ETR2、ERS1、ERS2和EIN4)負(fù)責(zé)感知乙烯信號。這些乙烯受體主要包含GAF(cGMP phosphodiesterases/adenylyl cyclases/Fh1A)結(jié)構(gòu)域、蛋白激酶結(jié)構(gòu)域以及負(fù)責(zé)與乙烯結(jié)合的N端，可分為兩個亞家族：ETR1和ERS1是亞家族Ⅰ的主要成員，包含GAF結(jié)構(gòu)域和組氨酸激酶結(jié)構(gòu)域，具有組氨酸激酶的活性；而ETR2、ERS2和EIN4屬于亞家族Ⅱ成員，包含N端類似信號肽的疏水跨膜片段，以及C端退化的組氨酸激酶結(jié)構(gòu)域，具有絲/蘇激酶的活性。對單個擬南芥乙烯受體功能缺失突變體及其組合的研究發(fā)現(xiàn)：任意單個受體基因功能缺失突變體的表型均與野生型相似；兩個乙烯受體基因的功能缺失突變體部分表現(xiàn)出對乙烯的反應(yīng)，但對外源乙烯處理仍有響應(yīng)；只有三個或以上受體功能的缺失才表現(xiàn)出對乙烯的持續(xù)反應(yīng)[26,27]。這說明乙烯受體負(fù)調(diào)控下游乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，且不同乙烯受體之間的功能存在冗余。乙烯信號途徑的負(fù)調(diào)控因子RTE1(reversion to ethylene sensitivity 1)是一類保守的膜結(jié)合蛋白，過表達(dá)RTE1的擬南芥表現(xiàn)出對乙烯處理不敏感，RTE1調(diào)控ETR1的功能是通過調(diào)節(jié)ETR1的N端結(jié)構(gòu)域并改變受體的活性狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)的[28～30]。這些結(jié)果表明乙烯受體ETR1與RTE1的互作調(diào)控了乙烯信號通路[31,32]。此外，CTR1(constitutive triple response 1) 與乙烯受體互作形成的ETR-CTR復(fù)合體，是乙烯受體下游的另一個負(fù)調(diào)控因子。擬南芥CTR1基因的功能缺失突變體對乙烯不敏感，但ctr1仍然能夠?qū)σ蚁┊a(chǎn)生部分響應(yīng)[33]，表明擬南芥中乙烯信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)部分依賴于CTR1。EIN2(ethylene insensitive 2)是乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的核心組分，是已知的第一個乙烯信號的正調(diào)控因子。在擬南芥中，ein2功能缺失突變體表現(xiàn)出對乙烯完全不敏感的表型[34]，說明EIN2在乙烯信號途徑中扮演著極為重要的角色。

2.2.3茉莉酸信號傳導(dǎo)途徑 茉莉酸是植物防衛(wèi)反應(yīng)的重要信號分子，可以通過誘導(dǎo)植物特異基因的表達(dá)來發(fā)揮植物的抗逆抗病功能。研究表明，由O3誘導(dǎo)的擬南芥過敏性細(xì)胞死亡后幾小時內(nèi)即可檢測到JA的存在，并且用外源茉莉酸甲酯處理可抑制由O3誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡，而對JA不敏感的突變型jar1受O3誘導(dǎo)后HR細(xì)胞死亡未受到影響[35]。COI1基因編碼的F-box蛋白是SCF(Skp1/Cullin/F-box)E3泛素連接酶復(fù)合體的核心組分，能識別泛素化底物。泛素連接酶是一個多蛋白組成的復(fù)合體，CUL1(Cullin1)、RBX1(ring-box1)、ASK1(Arabidopsisskp1 homolog1)等與COI1相互作用共同組裝成完整的SCFCOI1E3泛素連接酶[36]。MYC2又稱之為JIN1、JAI1(jasmonate insensitive 1)是bHLH基因家族的主要成員。MYC2是JA信號途徑的核心轉(zhuǎn)錄因子，主要參與調(diào)控了主根生長、針對蟲害的應(yīng)答反應(yīng)等過程[37]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，MYC2還可作為轉(zhuǎn)錄抑制因子，負(fù)調(diào)控植物激素介導(dǎo)的對病原菌的應(yīng)答以及光形態(tài)建成等方面[38]。JA信號通路主要由激素分子、E3泛素連接酶、阻抑蛋白和轉(zhuǎn)錄因子等幾部分組成。一般情況下，植物體內(nèi)茉莉酸水平較低，茉莉酸負(fù)調(diào)控因子JAZ(jasmonate zim domain)蛋白與茉莉酸轉(zhuǎn)錄因了MYC2結(jié)合，關(guān)閉JA應(yīng)答基因的表達(dá)，抑制JA的信號傳導(dǎo)；當(dāng)植物體受到脅迫刺激時，活性氧的積累能促進(jìn)茉莉酸含量上升，JA與異亮氨酸Ile生成復(fù)合物JA-Ile，該復(fù)合物與受體COI1(coronatine insensitive 1)能夠結(jié)合形成SCFCOI1-JAZ共受體復(fù)合物，促使茉莉酸負(fù)調(diào)控因子JAZ蛋白的泛素化和降解，最終釋放出茉莉酸轉(zhuǎn)錄因子MYC2，促進(jìn)JA的合成[36]。

2.3 防衛(wèi)系統(tǒng)的激活

隨著植物激素信號系統(tǒng)的激活，一系列下游防衛(wèi)基因的表達(dá)被激活。目前研究較多的主要有SA信號響應(yīng)的病程相關(guān)蛋白途徑以及ET/JA信號響應(yīng)的抗菌肽途徑。

2.3.1SA信號響應(yīng)的病程相關(guān)蛋白途徑 當(dāng)植物遭受病原菌侵染后，體內(nèi)水楊酸含量的提高及其信號的傳導(dǎo)在植物的局部抗性以及獲得性系統(tǒng)抗病性(system acquired resistance，SAR)過程中扮演了極其重要的角色。在類過敏性反應(yīng)中，ROS信號和SA信號形成的回環(huán)效應(yīng)同樣能夠誘導(dǎo)植物的獲得性系統(tǒng)抗病性[39]。SAR可以持續(xù)幾周甚至幾個月的時間內(nèi)來有效抵抗多種病原物的侵染，包括病毒、細(xì)菌、真菌以及卵菌[40]。在長期的植物-病原菌共同進(jìn)化過程中，植物形成了應(yīng)對病原菌入侵的激素信號傳導(dǎo)系統(tǒng)來激活抗病反應(yīng)過程，而病原菌也演化出了阻斷植物激素信號傳導(dǎo)的策略。水楊酸羥化酶(salicylate hydroxylase，NahG)扮演了重要角色。來源于細(xì)菌的NahG可將水楊酸轉(zhuǎn)化為無生物活性的兒茶酚。在植物中，轉(zhuǎn)NahG基因的植株不能積累SA，也就不能由SA誘導(dǎo)植株產(chǎn)生SAR。對擬南芥突變體lsd6、lsd7、cpr22、acd6和acd11的轉(zhuǎn)基因研究均表明NahG抑制了突變體中SA的積累和類過敏反應(yīng)[41]。SA信號通路中另一個重要的調(diào)控基因是轉(zhuǎn)錄因子NPR1(non-expressor of pathogenesis-related genes 1)。正常情況下NPR1通過二硫鍵形成寡聚體的形式存在于細(xì)胞質(zhì)當(dāng)中，當(dāng)植物受到外界脅迫后，細(xì)胞內(nèi)SA大量積累，在SA能催化NPR1寡聚體二硫鍵的斷裂，使得NPR1寡聚體裂變?yōu)镹PR1單體。隨后，NPR1單體通過核質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入到細(xì)胞核內(nèi)[42]，結(jié)合并活化堿性亮氨酸拉鏈轉(zhuǎn)錄因子家族的TGA蛋白[43]。最后，活化的TGA蛋白結(jié)合到病程相關(guān)基因(pathogenesis-related genes，PR)啟動區(qū)的as-1cis調(diào)控元件上啟動PR基因的表達(dá)[44]。病程相關(guān)蛋白是植物遭受外界脅迫時被誘導(dǎo)表達(dá)的一類數(shù)量龐大的蛋白質(zhì)，依據(jù)蛋白結(jié)構(gòu)和功能的不同,PR蛋白可分為17個家族，包括幾丁質(zhì)酶、葡聚糖酶、滲調(diào)素、抗菌肽等。PR3、PR4、PR8和PR11編碼幾丁質(zhì)酶(chitinase)，催化水解真菌細(xì)胞壁的幾丁質(zhì)組分。PR2編碼β-1,3-葡聚糖酶(β-1,3-glucanase)，催化水解真菌細(xì)胞壁的β-1,3-葡聚糖組分。PR5編碼一個類甜蛋白(thaumatin-like)，具有葡聚糖酶活性，能降解真菌細(xì)胞壁的組分 β-1,3-葡聚糖。PR6編碼蛋白酶抑制劑(proteinase inhibitors，簡稱PIN)，與蛋白酶結(jié)合抑制蛋白酶活性，具有多種生物化學(xué)功能。PR10編碼類核糖核酸酶(ribonuclease-like)，具有核酸酶活性能抑制真菌的生長，在植物的脅迫響應(yīng)中以及發(fā)育過程中具有極為重要的作用。PR15編碼草酸氧化酶(oxalate oxidase)，能將草酸降解為二氧化碳和過氧化氫，并增強(qiáng)植物抗性[45]。SA還能誘導(dǎo)其他一些病程相關(guān)蛋白如幾丁質(zhì)酶、過氧化物酶以及抗真菌蛋白等。

2.3.2ET/JA信號響應(yīng)的抗菌肽途徑 SA誘導(dǎo)了植物病程相關(guān)蛋白的表達(dá)，而ET/JA信號主要調(diào)控植物抗菌肽的表達(dá)。擬南芥中Thi2.1(thionin)和PDF1.2(plant defensin 1.2)是ET/JA信號中的標(biāo)志基因，這兩個基因特異地受JA或ET的誘導(dǎo)，可作為區(qū)分依賴于SA抗病信號傳導(dǎo)途徑和ET/JA抗病信號傳導(dǎo)途徑的標(biāo)記基因。硫堇蛋白(Thionins)及細(xì)胞防御素是一類廣泛存在于植物細(xì)胞中并對細(xì)菌、真菌等病原微生物具有抑制或殺滅作用的小分子量多肽。擬南芥中Thionin基因Thi2.1和Thi2.2受乙烯和茉莉酸的誘導(dǎo)表達(dá)，但對水楊酸不敏感[46]。目前已有來自15個物種的100多個Thionins基因被鑒定，Thionins基因編碼一類45～47個左右氨基酸殘基的多肽。依據(jù)半胱氨酸及二硫鍵的多少可以將這些Thionins蛋白分為兩類：一類含8個半胱氨酸及其形成的4對二硫鍵，另一類包含6個半胱氨酸及其形成的3對二硫鍵[47,48]。絕大多數(shù)Thionins蛋白均折疊成“L”狀結(jié)構(gòu)，兩個反向平行的α螺旋相互纏繞形成了“L”結(jié)構(gòu)的長臂，而單鏈折疊成的反向平行的β轉(zhuǎn)角構(gòu)成了“L”結(jié)構(gòu)的短臂，二硫鍵進(jìn)一步穩(wěn)固該空間結(jié)構(gòu)。疏水氨基酸殘基聚集在“L”長臂的外表面，而親水殘基聚集在內(nèi)表面或“L”結(jié)構(gòu)拐角處的外表面[49,50]。植物Thionins通過影響致病菌細(xì)胞膜的通透性而具有抗菌活性。Thionins與靶細(xì)胞的膜上特異分子結(jié)合互作。很多類型的硫堇蛋白均能破壞細(xì)胞磷脂雙分子層，作用1 h后即可檢測到細(xì)菌細(xì)胞膜的裂解[51]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)Thionins與細(xì)胞膜結(jié)合后影響靶細(xì)胞內(nèi)離子平衡，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞裂解[52]。此外，Thionins還可通過改變一些代謝酶的氧化還原狀態(tài)影響硫醇的次級信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程，并放大Thionins對細(xì)胞的毒性效應(yīng)，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞死亡[53,54]。對一些JA或ET信號不敏感突變體的研究發(fā)現(xiàn)：磷酸化的乙烯響應(yīng)因子(ethylene response factor 104，ERF104)能與PDF1.2(plant defensin 1.2，植物防御素)基因啟動子區(qū)域的GCC盒結(jié)合，激活PDF1.2a和1.2b的表達(dá)[55]。此外，磷酸化的ERF6比ERF104更加穩(wěn)定，進(jìn)一步激活包括PDF1.1、PDF1.2a、PDF1.2b等多個防衛(wèi)基因的表達(dá)[56]。植物防御素(plant defensin)與硫堇蛋白的大小相近，由約45～54個氨基酸殘基組成，也具有6個或8個以二硫鍵相連的半胱氨酸，根據(jù)防御素二硫鍵位置的不同可分為α防御素、β防御素、θ防御素3類。植物防御素被認(rèn)為是Thionins的一類，被命名為γ-thionin[57]。但是隨后的工作表明植物防御素具有獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)，其典型特征是僅具有1個α螺旋，另含1個反向平行的β折疊片。防御素的半胱氨酸連接特征為：α螺旋片段上的兩個半胱氨酸(CXXXC) 按先后順序依次與β片層C未端上的兩個半胱氨酸(CXC)相連形成兩個二硫鍵，這種特征結(jié)構(gòu)被稱為cysteine-stabilized-α-helix motif[58]。防御素具有α淀粉酶活性，能夠抑制菌絲生長，具有廣譜抗真菌或細(xì)菌的特點(diǎn)，是植物防衛(wèi)系統(tǒng)的重要組成部分。與硫堇蛋白不同的是：防御素對動植物細(xì)胞不具有傷害性，在植物病害防治技術(shù)中具有較高的安全性。

3 展望

綜上所述，大多數(shù)類過敏反應(yīng)材料都表現(xiàn)出HR相似的表型，廣泛發(fā)生于植物生長發(fā)育以及抵御生物脅迫和非生物脅迫的各個階段，參與調(diào)節(jié)的激素信號紛繁復(fù)雜，通過對類過敏反應(yīng)材料的研究，大量類過敏相關(guān)基因被克隆，人們對其介導(dǎo)植物抗病機(jī)制的主要途徑已有一定的認(rèn)識。

活性氧的迸發(fā)發(fā)生在很多類過敏性反應(yīng)材料中，它通過EDS1/PAD4途徑調(diào)控植物的水楊酸信號，然而，SA不僅能直接地反饋調(diào)節(jié)活性氧，而且可以通過EDS1間接地調(diào)控活性氧。此外，植物激素調(diào)控是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，不同激素之間存在互作效應(yīng)與交叉調(diào)控。很多研究表明SA信號與JA信號是相互拮抗的，但也有少量研究表明SA和JA之間存在協(xié)同互作。SA和JA/ET之間也存在協(xié)同調(diào)控，ET能促進(jìn)SA信號的傳導(dǎo)。在類過敏反應(yīng)介導(dǎo)的抗病過程中，JA和ET通常是相互協(xié)同作用的。這些研究表明植物激素調(diào)控的復(fù)雜性，植物的抗病系統(tǒng)是由一系列的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的，人們對植物類過敏反應(yīng)介導(dǎo)植物抗病性的主線已有較為清晰的認(rèn)識，但對這一調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)識還有待進(jìn)一步深入。

對植物類病變壞死表型的形成機(jī)制進(jìn)行更加深入與全面的研究，從而加深對植物抗病防御體系和細(xì)胞程序性死亡機(jī)理的理解，將極大地豐富植物分子病理學(xué)與分子生物學(xué)的內(nèi)涵，并為選育抗逆能力強(qiáng)的作物品種提供理論依據(jù)。同時，由于多數(shù)類過敏材料本身的農(nóng)藝性狀欠佳，直接推廣應(yīng)用有一定困難。一方面篩選出農(nóng)藝性狀好的類過敏材料對抗病育種具有重要意義，另一方面如何改良已有農(nóng)藝性狀欠佳的類過敏反應(yīng)材料，達(dá)到利用其廣譜抗病性的目的，對新時期的綠色農(nóng)業(yè)具有重要價值。