李雯雯，陳帥飛

麗赤殼屬病原菌致病機制研究進展

李雯雯，陳帥飛＊

(國家林業(yè)和草原局桉樹研究開發(fā)中心，廣東 湛江 524022)

麗赤殼屬真菌包含多種全球分布且危害嚴(yán)重的植物病原菌，由麗赤殼屬真菌引起的桉樹葉焦枯病是危害我國桉樹人工林健康的重大病害之一，目前其致病機制尚不清楚。本文概述了當(dāng)前麗赤殼屬病原菌致病機制的研究進展，包括其侵染過程、致病因子以及分子致病機理。另外，基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)以及小RNA分析是今后研究麗赤殼屬病原菌分子致病機制的主要方法。

桉樹；侵染過程；致病因子；致病機理

麗赤殼屬()真菌隸屬于子囊菌門(Ascomycota)、糞殼菌綱(Sordariomycetes)、肉座菌目(Hypocreales)、叢赤殼科(Nectriaceae)，之前其無性屬名為帚梗柱孢屬()[1]。麗赤殼屬真菌包含一些全球分布的重要植物病原菌，其寄主范圍廣，能夠危害林木、農(nóng)作物及園林植物將近100個科的335種植物的地上和地下部分，可造成葉部焦枯、葉部腐爛、莖腐、根腐等多種癥狀[2-3]。例如，可引起嚴(yán)重的花生黑腐病和大豆紅冠腐病[4-5]；可侵染牡丹的葉片造成牡丹褐斑病[6]。由麗赤殼屬真菌引起的桉樹葉焦枯病是我國桉樹人工林重大病害之一[7-9]。

早期研究表明，植物病原菌接觸寄主植物后，在適宜的條件下產(chǎn)生侵染結(jié)構(gòu)，然后在寄主體內(nèi)定殖擴展，通過產(chǎn)生胞外酶、毒素等各種致病效應(yīng)因子，致使植物產(chǎn)生病害癥狀[10]。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，病原菌致病因子及相關(guān)基因成為其致病機制研究的熱點，相關(guān)研究在與同屬一個科(Nectriaceae)的植物病原菌如鐮刀菌()上已取得相當(dāng)?shù)倪M展[11-12]。目前，針對麗赤殼屬病原菌的致病機制研究，國內(nèi)外均少有報道。本文通過概述麗赤殼屬病原菌致病機制的研究進展，以期為進一步揭示麗赤殼屬病原菌與寄主植物的互作機制，進而為探究新的病害防控途徑提供參考。

1 麗赤殼屬病原菌的侵染過程

植物病原真菌侵入寄主植物體內(nèi)并成功定殖是其致病的首要條件[13]。真菌在侵入寄主植物時菌絲往往會形成許多特殊結(jié)構(gòu)，如侵入釘、附著胞、吸器等，這些侵染結(jié)構(gòu)的形成對病原菌的生長及病害的發(fā)生具有重要意義[10,13]。關(guān)于麗赤殼屬病原菌侵染寄主植物的過程，在不同的麗赤殼屬物種與寄主植物上均有研究。MILHOLLAND[14]將(=[15])的孢子懸浮液噴灑在藍莓的幼嫩莖干和葉片上，發(fā)現(xiàn)接種2 h后孢子末端萌發(fā)形成芽管，8 h后在芽管頂端形成單細胞的附著胞，附著胞與植物接觸部位形成侵染絲，然后通過氣孔侵入植物表皮細胞，偶爾也可見侵染絲直接穿透表皮；菌絲穿過氣孔后尖端膨大并形成分枝，在葉肉組織的細胞間和細胞內(nèi)擴展，最終導(dǎo)致表皮細胞和周圍薄壁組織壞死、塌陷。藍莓幼嫩莖干內(nèi)的菌絲可深入導(dǎo)管，誘導(dǎo)植物產(chǎn)生侵填體，阻塞導(dǎo)管，致使植株死亡[14]。JOHNSTON等[16]研究了花生黑腐病菌的菌核早期侵染花生的過程，通過觀察發(fā)現(xiàn)，可將感染的花生下胚軸發(fā)病過程分為以下幾個階段：菌絲在下胚軸表面隨機生長；在表皮形成侵染墊，侵染墊下方的植物細胞核變大，染色加深，成為壞死前細胞；侵染墊產(chǎn)生菌絲；菌絲完全在皮層定殖；菌絲在韌皮部外的周皮停止擴展，如果條件有利于菌絲生長，菌絲在周皮表面聚集成團，導(dǎo)致壞死由周皮向維管束組織擴展；壞死斑擴展到維管束導(dǎo)致植物死亡。另外，JOHNSTON等[16]還發(fā)現(xiàn)在有外源營養(yǎng)(PDA培養(yǎng)基)的情況下，侵染寄主的速度更快，菌絲可深入包括木質(zhì)部在內(nèi)的所有組織，并且在靠近地面部分的外表皮形成子囊果。研究表明，在根部的侵染機制不同于下胚軸，在根部不形成侵染墊，而是菌絲直接侵入中柱并定殖[16]。花生黑腐病和大豆紅冠腐病的組織病理學(xué)分析均表明：的侵染可導(dǎo)致植物外胚層和維管束堵塞[17-18]。YE等[19]通過掃描電鏡觀察了分生孢子萌發(fā)及侵染過程，發(fā)現(xiàn)分生孢子可從兩端或中間萌發(fā)，產(chǎn)生1個或多個芽管，芽管產(chǎn)生多個分枝，末端形成侵染結(jié)構(gòu)，從葉背面的氣孔侵入葉片。此結(jié)果也證實了此前關(guān)于桉樹焦枯病發(fā)病規(guī)律的研究中病原菌主要從葉背面自然孔口侵入的結(jié)論[20]。

2 麗赤殼屬真菌的致病因子

植物病原真菌的致病性是指病原物所具有的損害寄主和引起病變的能力，而決定病原物致病性的因子通常被稱為致病因子，主要包括各種酶類、毒素和生長調(diào)節(jié)物質(zhì)等[10]。植物病害的發(fā)生常常是病原物多種致病因子共同作用的結(jié)果。

細胞壁降解酶(Cell Wall Degrading Enzyme, CWDE)是重要的致病因子，主要包括果膠酶、纖維素酶、半纖維素酶、木質(zhì)素降解酶等，上述酶可降解植物細胞壁聚合物，對于不產(chǎn)生侵染結(jié)構(gòu)的植物病原菌尤為重要。此外，所有的植物病原真菌在入侵后期都需要上述酶。許多植物病原真菌會主動殺死和降解植物組織，利用釋放出的單糖和寡糖進行生長和繁殖[21]。在研究細胞壁降解酶作為致病因子時需要考慮的問題是何種酶在病原菌侵入植物時更重要或最先起作用。當(dāng)然，由于植物細胞壁的復(fù)雜性以及病原菌自身的特性，不同植物病原菌侵染寄主時所需的細胞壁降解酶不同，從而可得出不同的病原菌致病模式的差異[21]。不同的細胞壁降解酶在病原菌侵染寄主植物的不同時期所起的作用不同，彼此之間相互協(xié)調(diào)。細胞壁降解酶的協(xié)同作用在鐮刀菌上得到了深入的研究[22-24]，而麗赤殼屬真菌這方面的研究還相對較少，許多問題有待進一步探究。

毒素是植物病原菌在代謝過程中產(chǎn)生的一類可在低濃度下干擾植物正常的生理功能并對植物產(chǎn)生毒害作用的非酶類化合物[10]，主要作用于植物細胞質(zhì)膜、葉綠體、線粒體等位點，增大細胞膜通透性，使宿主失水，改變細胞器結(jié)構(gòu)和功能，影響酶的活性，進而影響寄主植物的光合作用、蒸騰作用、核酸代謝和蛋白質(zhì)合成等生理生化過程，是植物病原菌主要致病因子之一[25-26]。HIROTA等[27]從的培養(yǎng)濾液中分離鑒定出一種環(huán)狀四肽毒素Cyl-2，研究表明其在濃度為30 mg·L-1時對生菜幼苗根系生長仍有明顯的抑制作用。KIM等[28]研究了的代謝產(chǎn)物對大豆病害發(fā)展的作用，結(jié)果顯示培養(yǎng)液中產(chǎn)生的有毒代謝物能夠?qū)е麓蠖谷~片電解質(zhì)流失，這表明的代謝物質(zhì)可能參與了葉部病害癥狀的表達，此現(xiàn)象在鐮刀菌與玉米的互作系統(tǒng)中也得到了證實[29]。OCHI等[30]從中分離得到一種植物毒素，稱之為PF1070A，是一種環(huán)狀四肽。實驗結(jié)果表明菌株毒力與PF1070A的產(chǎn)生呈明顯正相關(guān)，說明PF1070A在菌株毒力中起作用，對植物有毒害作用[30]。VON WALLBRUNN等[31]從中分離得到2種有毒化合物，分別鑒定為球毛殼甲素A(chaetoglobosin A)和19-O-乙?；蛎珰ぜ姿谹(19-O-acetylchaetoglobosin A)，可嚴(yán)重抑制供試植物幼苗的生長。劉宏毅等[32]在全基因組測序的基礎(chǔ)上，通過生物信息分析，對其ABC轉(zhuǎn)運蛋白進行分類鑒定，并進行了功能預(yù)測，結(jié)果表明ABC轉(zhuǎn)運蛋白除轉(zhuǎn)運外源化學(xué)物質(zhì)和疏水的化學(xué)分子外，還參與細胞代謝、核糖體的合成、翻譯以及增強呼吸作用等多項生命活動，為侵染桉樹提供能量。

3 麗赤殼屬真菌的分子致病機制

目前有關(guān)麗赤殼屬真菌分子致病機制的研究相對較少，相關(guān)的文獻報道則更少。近年來，全基因組測序已被廣泛應(yīng)用于植物病原菌研究，該技術(shù)與比較基因組學(xué)分析的應(yīng)用，加快了對植物病原菌的研究，同時也極大提高了對病原菌的認知[33-34]。YE等[35]測定并組裝了的基因組，大小為63.7 Mb，包含14 355個編碼基因，編碼能力與十分相近[36]。通過與另外的12種子囊菌進行系統(tǒng)發(fā)育和基因家族比較分析，發(fā)現(xiàn)與親緣關(guān)系更近，且擁有最多共同的基因家族，說明二者保留了更多的共同特征[35]。另外，特有的基因家族大多還未被注釋，推測是為了適應(yīng)特定寄主而形成的，而已經(jīng)被注釋了的特異性基因家族在肽酶活性、氧化還原酶活性等功能項目上得以富集表達[35]。與相比，收縮的基因家族在功能上主要與tRNA甲基轉(zhuǎn)移酶活性、蛋白磷酸化和氧化還原酶活性相關(guān)，擴張的基因家族在氧化還原過程中顯著富集[35]。

表皮和細胞壁是植物抵御病原入侵的主要物理屏障，由角質(zhì)、纖維素、半纖維素、果膠、木質(zhì)素和結(jié)構(gòu)蛋白組成。植物病原分泌一系列細胞壁降解酶，促進宿主細胞壁降解，從而有助于侵染[37]。角質(zhì)酶是表面穿透性病原真菌(如、)的重要致病因子，敲除角質(zhì)酶基因會使病原菌致病力顯著下降[38-39]。與其他病原真菌基因組相比，包含大量的角質(zhì)酶基因，參與果膠和木質(zhì)素水解的酶基因也相對更多，這可能也是其能夠侵染具有較厚表皮的桉樹抗病品種的主要原因[35]。通過對侵染桉樹不同階段的轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，侵染前期角質(zhì)酶基因Cp_Cap05169上調(diào)表達，表明該基因是促進桉樹感染的重要因子[19]。另外，研究還表明與果膠水解相關(guān)的多聚半乳糖醛酸內(nèi)切酶基因Cp_Cap14295，與纖維素、半纖維素降解相關(guān)的β-半乳糖苷酶基因Cp_Cap06841和β-葡糖苷酶基因Cp_Cap12678在侵染過程中也在不斷上調(diào)[19]。侵染后期下調(diào)基因數(shù)量明顯增多，說明隨著時間的推移承受的宿主壓力越來越大[19]。GO和KEGG富集分析表明差異表達基因主要參與調(diào)節(jié)氧化還原酶活性、水解酶活性和跨膜轉(zhuǎn)運蛋白活性[19]。大部分差異表達基因在侵染初期被上調(diào)，這些上調(diào)基因主要參與細胞壁水解和毒素合成，揭示了細胞壁水解酶和毒素在桉樹葉焦枯病發(fā)生中的重要作用[19]。

4 結(jié)語

麗赤殼屬真菌的許多物種對植物都具有很強的致病性，是重要的植物病原菌[2]。由麗赤殼屬真菌引起的各類病害給農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)造成重大的經(jīng)濟損失。由于病原真菌與寄主植物互作的復(fù)雜性，麗赤殼屬真菌的致病機理研究雖取得了一些進展，但仍處于初級階段，還有很多更深層次的問題需要探索。隨著組學(xué)技術(shù)以及小RNA研究的深入發(fā)展，麗赤殼屬真菌的分子致病機制研究進程或?qū)⒌靡源龠M。在基因組、轉(zhuǎn)錄組等數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用RNA干擾、基因敲除等技術(shù)研究致病相關(guān)基因的功能以及基因調(diào)控的生命過程，有助于明確致病因子和致病基因在麗赤殼屬真菌致病過程中的作用和機制。通過麗赤殼屬病原菌致病機制的研究，將為通過選育桉樹抗病基因型進而實現(xiàn)桉樹葉焦枯病的防控提供科學(xué)依據(jù)。

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Research Advances on Pathogenic Mechanisms ofSpecies

LI Wenwen, CHEN Shuaifei

(,,)

Species ofinclude a large number of important plant pathogens, which are commonly distributed worldwide.leaf blight caused byis one of the most serious diseases tos plantations in China. At present, the pathogenesis ofis still unclear. In this paper, we reviewed the current progress of research into the pathogenic mechanisms of, including its infection process, pathogenic factors and molecular pathogenic mechanism. Genomics, transcriptomics, proteomics and small RNA analysis have to date been the main research methods to study the pathogenic mechanisms of thespecies.

eucalypt; infection process; pathogenic factor; pathogenic mechanism

10.13987/j.cnki.askj.2020.01.010

S763.15

A

國家重點研發(fā)計劃項目“桉樹高效培育技術(shù)研究”課題“桉樹高效可持續(xù)經(jīng)營技術(shù)”(2016YFD0600505)

李雯雯(1992－ )，碩士，主要從事森林病害研究，E-mail:liww9208@126.com

陳帥飛(1982－ )，博士，研究員，主要從事森林病害研究，E-mail:cerccsf@126.com