植物激活蛋白提高植物抗病性的机制研究进展

陈勇辉，殷瑞雪，万园，温平周，罗小霞

（1.江西生物科技职业学院，江西南昌 330200；2.江西科技师范大学 生命科学学院，江西南昌 330013）

植物的正常生长受到各种病原微生物的侵袭。植物通过与病原物之间长期的相互影响、相互适应、协同进化，形成了一系列对抗病原菌的防御机制。其中，诱导抗性是植物重要的抗病机制之一[1]。激活蛋白（activator protein）是从镰刀菌、交链孢菌及稻瘟菌等真菌中分离纯化而得的一类新型的蛋白质激发子，它可以诱导植物产生抗病性，提高植株免疫力，帮助植物在受到病虫侵扰时提高生存能力[2]。因此，针对植物激活蛋白提高植物抗病性的研究非常必要。

1 植物激活蛋白

激活蛋白是稻瘟菌、黄曲霉菌和交链孢菌等病原真菌表达的一种热稳定蛋白激发子，它本身没有任何杀菌和抑菌活性，主要通过结合一些存在于宿主细胞表面的激发子受体，经信号转换和细胞内部水杨酸、茉莉酸/乙烯两条信号途径的传导，激活植物自身的免疫系统，提高植物抵御病虫害和不良自然环境胁迫的能力[3]。同时，该蛋白可以诱导植物产生系统抗性，促进植物生长繁殖，提升作物品质，并可将其用来生产高效的多功能生物农药[4]。

国外已有许多有关激活蛋白应用于病虫害防治的研究报道，如美国Eden生物公司就曾利用欧文氏菌激活蛋白诱导植物获得抗病性，并应用于农业生产中[5]；1922年，WEI等[6]发现植株在感染梨火疫欧文氏杆菌（Erwnia amyotvoar）后，可以产生一种抗植物病虫害的过敏性蛋白质。现阶段，国内对激活蛋白提高植物抗病性的研究主要以水稻、番茄、烟草和丝瓜等农作物为对象。

2 植物抗病反应的类型

植物的抗病性常常表现为限制病菌的生长和扩散，将其控制在感染部位的小区域内。多数情况下，植物与病原菌相互识别引发局部抗病反应，即过敏性反应（Hypersensitive Response，HR）；经过一段时间后，被侵染植株的抗性水平扩展到整个植株，形成系统获得性抗性（Systemic Acquired Resistance，SAR）。

2.1 过敏性反应

过敏性反应（HR）这一概念最早由STAKMAN提出，用来描述锈病在其谷类抗病品种上形成的快速、局部的植物细胞死亡[7]。过敏性反应是植物与病原菌不亲和作用时，植物所产生的一种自身防卫反应，主要包括植物识别病原菌、植物细胞死亡、抗病反应的激发以及病原菌生长的抑制这4个环节[8]。研究发现，HR与植物的抗病性有关，植物在受到病原菌侵袭后，受侵染点及临近的组织会快速坏死，从而抑制病原菌的生长。

2.2 系统获得性抗性

系统获得性抗性(SAR)是植物受到病原微生物初次侵染时，自局部侵染点激发的防御机制，并会进一步激活的整株水平上的持久广谱抗性[9]。SAR是在HR后，通过一系列的信号转导，又引发的整株植物对病原菌的广谱抗性，植物体感染病原菌后，产生SAR并伴随着系统性水杨酸含量的增加和诱导病程相关蛋白质的表达[10]。

3 植物激活蛋白提高植物抗病性机制

植物激活蛋白提高植物抗病性的机制十分复杂，在此过程中一些活性氧及相关酶类起着重要的调控作用。不少研究发现，活性氧的含量增加以及一些抗病相关防御酶类的活性增强是植物激活蛋白提高植物抗病性的主要表现，这些都可以作为植物抗病能力的指标，判断植物激活蛋白对植物抗病性的影响[11]。

3.1 活性氧

活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）主要有超氧阴离子（O2-）、过氧化氢（H2O2）和羟自由基（·OH），浓度过高的活性氧对植物细胞不利。植物在遭受到病原菌的侵染后会产生一系列的生理生化反应，活性氧类物质的产生是早期的防卫反应之一，它可直接减少病原菌的存活率，其中以H2O2最具典型，适量浓度的H2O2可抑制病原菌孢子的萌发和传播[12]。饶力群等[13]研究发现，H2O2不仅可以直接杀灭病原菌，还能参与细胞的膜脂质过氧化反应，干涉过敏反应，导致植物细胞壁木质化和细胞的死亡，诱导对植物病害的抗性。

3.2 超氧化物歧化酶

正常环境条件下，植物体内ROS的产生和清除始终处于动态平衡状态，但逆境会诱导ROS在植物体内积累，ROS的大量积累会导致细胞膜脂质过氧化，使膜系统受到损伤，从而造成植物组织的损伤。超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase，SOD）是生物体防御酶系统的重要一员，也是ROS清除中第一个产生作用的抗氧化酶，它可以快速歧化超氧阴离子自由基，形成H2O2和分子氧，抵御植物体内ROS积累的毒性，从而提高植物抗病性[14]。匡传富等[15]研究烟草喷施植物激活蛋白的效果发现，与未处理组比较，处理组的SOD活性增长明显，病情等级也较低，表明超氧化物歧化酶活性与植物抗病性呈正相关。

3.3 苯丙氨酸解氨酶

苯丙氨酸解氨酶（Phenylalanine Ammonia Lyase，PAL）广泛存在于各种植物和少数微生物中，是植物体内苯丙烷类代谢的关键酶，它不仅参与防御物质——木质素和异黄酮类物质的合成，还能够产生一种重要的次级信号分子水杨酸（Salicylic Acid，SA），激活植物过敏反应和系统获得性抗性，对提高植物抗病性有核心作用[16]。KOUKOL[17]首次从绿色植物中分离提取出PAL，并发现受病原菌侵染的植物中，感病品种的PAL活性增加量小于抗病品种，不能迅速合成有抗病作用的生化物质，未能有效阻止病原菌扩展，说明PAL活性可作为植物抗病性的生化指标。麦麦提艾力·热合曼等[18]使用灰霉菌激活蛋白处理番茄幼苗能显著提高苯丙氨酸解氨酶（PAL）、过氧化物酶（POD）和多酚氧化酶（PPO）活性，进而提高番茄的抗病性。

3.4 过氧化物酶和几丁质酶

过氧化物酶（Peroxidase，POD）被认为是植物抗病反应中的关键性酶，在植物与病原菌互作系统中显示出多样活性变化[19]。几丁质酶是一类与植物病害相关的蛋白质，在高等植物生长发育过程和抗病过程中起着重要的作用[20]。韩晓光等[21]以稀释1 000倍的植物激活蛋白粗提液处理玉米，发现玉米中苯丙氨酸解氨酶、过氧化物酶、几丁质酶和多酚氧化酶活性比对照均有所提高，说明植物激活蛋白能诱导玉米抗病性。邱德文等[22]以30 mg/L的激活蛋白处理黄瓜种子、幼根和叶片，发现激活蛋白能促进黄瓜幼根生长，并提高叶片中脱氢酶、过氧化物酶、苯丙氨酸解氨酶和脯氨酸含量。

4 结语

综上所述，植物在不断抵御病原微生物侵染的过程中，宿主的抗病基因产物与病原微生物无毒基因产物相互识别并最终激活植物抗病信号的传导途径，这一复杂过程中，植物激活蛋白能调控植物中活性氧的动态平衡及相关防御酶活性的大小[23]。植物激活蛋白引起的植物抗病性，与植物体内相关分子信号转换与传导、活性氧的代谢和相关防御酶活性有很大联系。然而，通过信号转导诱导信号分子和具有特异性植物受体分子之间的识别及相互作用，并最终引发机体的防御反应是一个复杂的过程，对同一植物使用不同的诱抗剂，可能会诱导出相似的抗病反应，但是激活的信号转导途径却不一定相同[24]。为进一步抑制病原菌对植物的危害保证粮食安全，加强对植物激活蛋白诱导抗病性的分子机制以及机体内各个信号分子之间相互传导的具体途径研究具有重大的现实意义。