植物类病斑坏死突变体研究进展

杨雪静，刘燕娟，高必达，周 倩

（湖南农业大学植物疾病控制与利用湖南省高校重点实验室，湖南 长沙 410128）

植物在进化的过程中形成了一套复杂的抵御病原菌侵染的机制，其中最有效的一种是过敏反应（Hypersensitive Response，HR）。HR是植物受非亲和性病原菌感染后，受侵染部位及周围细胞迅速死亡，形成局部坏死斑，是抑制病原菌继续增殖扩散的一种植物特异性防卫反应，属于植物细胞程序性死亡（Programmed Cell Death，PCD）的一种[1]。为研究HR的机理，许多人利用一类表现型类似HR的突变体开展了大量工作，这些突变体被称作类病斑坏死突变体（Lesion Mimic Mutation，LMM）。

1 LMM的概念、特点及分类

植物类病斑坏死突变体是一类在没有明显损伤、逆境或病原物侵染的条件下，能在叶片或全株上自发形成坏死斑，状态类似病原物侵染症状的突变体。自20世纪60年代发现第一个自然突变产生的水稻类病斑突变体以来，相继在玉米、拟南芥、大麦、大豆等许多植物中发现了这样的突变材料[1]。这些类病斑坏死突变体的表现型与植物防卫过程中的过敏反应相似，不少LMM在类病斑坏死形成之前或之后还表现出对病原物局部或系统抗性的增强。其中，表现抗性的LMM常常伴随着典型的过敏性坏死反应现象，并可从分子与细胞水平检测到一些特征性的变化，如植物防卫反应相关基因的激活、系统获得抗性途径的激活、水杨酸量的升高、活性氧的迸发以及胼胝质的积累等。此外，在一些类病斑坏死突变体中，坏死斑的形成还依赖于某些环境条件，如光线、温度、光照长度或相对湿度等，并且环境条件的改变会导致植株抗性的变化。

根据类病斑突变体的表现型及其与细胞程序性死亡的关系，Lorrain等[1]将它们分为两类。一种是细胞程序性死亡的抑制途径，另一种是细胞程序性死亡的激发途径。细胞程序性死亡被抑制所产生的突变体称为反馈或扩散型（Propagation class）突变体，这一类LMM的叶片某一点细胞坏死一旦发生，便迅速扩散到整个叶片甚至茎秆和植株。细胞程序性死亡被激发产生的突变体称起始型（Initiation class）突变体，这一类LMM在没有受到病原物侵染时，细胞坏死随机和自发地在叶片或植株上独立产生，不会扩散。起始型突变体又可以分为缺乏细胞死亡起始负调控的功能失去型和组成型表达细胞死亡信号的功能获得型。

2 LMM基因的克隆

近年来通过分子遗传学的方法，已经克隆了一些控制植物类病斑坏死性状的基因（表1），这些基因的克隆对于揭示植物类病斑坏死的形成及其抗病机理有着非常重要的作用。然而，这些基因的序列和功能分析却表明它们之间很少存在同源性，共同的特征是这些突变体当中很多都不同程度地提高了植株对病原菌的抗性，表现出一些抗病反应特有的组织学和细胞学特征，甚至激活了抗病相关基因的表达。这些研究结果表明，造成突变体类病斑坏死形成的原因多种多样，植物细胞程序性死亡和HR信号途径及其调控网络错综复杂，这些途径中任何一个关键性蛋白功能的缺失或获得都有可能引发HR，导致类病斑坏死的形成。

表1 植物中已克隆的与类病斑性状相关的基因

3 LMM类病斑表型的形成机制

随着越来越多LMM基因的克隆与功能分析，国内外许多学者对植物类病斑突变体坏死斑表型形成的机制进行了广泛而深入的研究，依研究结果推测，可能存在以下几个方面的原因。

3.1 抗病基因的改变或过量表达

抗病基因的突变，可能导致信号传导途径的改变从而启动HR，形成类病斑坏死症状。支持这一观点的最直接证据是玉米的rp1基因[27]，该基因控制玉米对锈菌专一小种的抗性。Hu等发现rp1基因的突变是导致玉米叶片类病斑坏死形成的原因。此外，转抗病基因的不少植物也表现出类病斑表型。如，Tang等[26]将抗病基因Pto在番茄中过量表达，可诱导番茄类病斑坏死的发生。

3.2 正常代谢途径紊乱

卟啉代谢途径中任何催化酶基因的突变，甚至任何可导致光活化代谢物富集的突变都有可能引起类病斑坏死的形成。Hu等[24]对玉米les22基因序列的分析结果表明，该基因编码一个尿卟啉原脱羧酶 （uroporphyrinogen decarboxylase，UROD），les22发生了变异，显著降低了UROD的活性，导致酶反应底物尿卟啉原III的大量积累。尿卟啉原III在光照条件下将分子氧转变为活性氧，引发玉米叶片中类病斑坏死的发生。类似的研究在拟南芥中也有报道[3]，说明卟啉代谢途径的紊乱是导致类病斑坏死形成的原因之一。

脂肪酸代谢途径中的基因突变也能导致类病斑表型的形成。拟南芥mod1突变体中的mod1基因编码脂肪酸生物合成途径中的关键酶——脂烯酰基酰基载体蛋白还原酶，在突变体中该基因编码的蛋白发生了一个氨基酸残基的变异，导致脂烯酰基酰基载体蛋白还原酶的活性大大降低，使得脂肪酸生物合成途径受阻，降低了植物体内的总脂含量，引起类病斑坏死表型的形成[28]。

3.3 植物PCD失控

植物PCD是植物自身发育与适应外界不良环境的本能反应，是植物发育与抗病反应的重要组成部分。植物体内存在一整套复杂的机制用以调控细胞的死亡，任何干扰或影响植物正常PCD发生的因素都可能引发类病斑坏死的形成。拟南芥类病斑坏死突变体中克隆的lsd1基因编码一个类似转录因子的蛋白，对植物防卫反应和PCD起负调控作用[29]。Brodersen等[4]敲除编码拟南芥鞘氨醇转运蛋白的acd11基因后能激活植物PCD和防卫反应。这些研究表明，植物类病斑坏死形成与植物PCD失控有关。

3.4 ROS的作用

在类病斑突变体中自发性坏死斑的形成往往伴随着ROS的富集，许多LMM在短时间内，会在坏死斑及周围快速积累H2O2和O2-。Jabs等发现，将H2O2的发生系统（黄嘌呤和黄嘌呤酶，X-XO）分别注入拟南芥lsd1的突变体和野生型中，野生型的细胞不死亡，而lsd1可以诱发不受控制的细胞死亡，这说明ROS可以传导细胞死亡信号。但如果超氧化物歧化酶（SOD）和X-XO同时注入lsd1，坏死斑的形成就会大大减少，这说明ROS诱导了突变体lsd1类病斑的形成。

3.5 水杨酸的作用

水杨酸是一种重要的能激活植物抗病防卫反应的内源信号分子，可以介导局部的植物过敏反应，诱发SAR。细菌NahG基因负责编码水杨酸羟基酶，将SA转化成儿茶酚。在植物中，转NahG基因的植株不能富集SA。对拟南芥突变体acd11的转基因研究表明[4]，在NahG基因存在的情况下，突变体自发坏死斑的形成会受到抑制，表明SA在类病斑坏死的形成中起了关键作用。

3.6 乙烯和茉莉酸的作用

乙烯和茉莉酸是与果实成熟、花粉形成、根系发生等植物生长发育过程密切相关的重要激素。PDF 1.2和Thi2.1基因克隆后，人们发现乙烯和茉莉酸还参与植物对病原菌的防卫反应，在许多拟南芥类病斑坏死突变体都有表达。这些结果说明，一些LMM可表达乙烯和茉莉酸依赖的基因，通过过量表达这些信号分子，或者通过异常调节下游信号实现。Devadas等用突变体acd5、cpr5和hrl1与乙烯途径破坏的突变体杂交，发现类病斑坏死延迟出现，说明乙烯在细胞死亡的正确的起始和扩大上发挥作用。

4 小结

植物类病斑坏死突变体的表现型类似一些病原菌感染后激活的HR，研究LMM的特征及其控制基因，对了解HR信号传导途径和抗病机理具有重要意义。目前，相关研究已取得了不少进展，发现HR涉及PCD、抗病生理、光信号和水杨酸、茉莉酸以及乙烯等相关因子转导途径和活性氧与自由基的生理生化活动等众多方面。但这些途径相互作用的机制，目前为止，人们并不清楚。通过研究植物类病斑突变体坏死斑的形成机制，能进一步加深对HR机理和植物抗病防御体系的理解。研究结果不仅能丰富分子植物病理学的内涵，还有望在植物广谱抗性改良上发挥积极作用。不少植物类病斑坏死突变体比野生型具有更强的抗病能力，可为抗病育种提供了新的资源。

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