根结线虫诱导的巨型细胞及其形成机制

刘锐 赵建龙 谢丙炎 李惠霞 茆振川

（1.甘肃农业大学植物保护学院 甘肃省农作物病虫害生物防治工程实验室，兰州 730070; 2.中国农业科学院蔬菜花卉研究所 蔬菜生物育种全国重点实验室，北京 100081）

近年来，随着农业种植业结构的优化和调整，设施蔬菜栽培面积得以迅速发展，但长期连茬栽培为根结线虫病等土传病害的发生和危害提供了适宜的环境，导致根结线虫病成为制约我国设施蔬菜发展的主要限制因素［1-2］。根结线虫（Meloidogyne spp.）在全世界范围分布广泛、寄主种类多、危害严重，每年造成巨大的损失，是危害农作物最严重的线虫之一，被列为全球十大植物寄生线虫之首位［3-5］。

根结线虫病是作物生产中极难防治的病害。根结线虫侵染寄主植物后，造成植物矮小、叶片发育不良、畸形，严重时整株萎蔫枯死［6］。据报道，根结线虫超过100 种，危害数千种植物［4,7］，严重影响农作物生产的有南方根结线虫（M.incognica）、爪哇根结线虫（M.javanica）、花生根结线虫（M.arenaria）和象耳豆根结线虫（M.enterolobii），其中以南方根结线虫危害最为严重［8］。虽然每种根结线虫有独特的寄主范围和偏好的环境条件，危害寄主的症状略有不同，但在寄主根部形成瘿瘤或肿胀是它们的共同特征。在寄生的过程中，该类线虫诱导植物根部微管细胞重新分化形成取食位点，即巨型细胞（细胞核分裂，细胞质不分裂而形成多核的巨细胞），这些细胞是线虫发育过程中唯一的取食来源［9］。因此，取食位点的形成和维持在根结线虫侵染及发育过程中发挥着至关重要的作用。本文拟综述根结线虫诱导寄主植物形成巨型细胞的形态学和生理学研究进展，及寄主植物的防御策略、线虫-植物协同进化等，以解析巨型细胞形成过程，进一步揭示根结线虫寄生的分子机制，为根结线虫抗性育种及其有效防治开拓思路。

1 巨型细胞的形成和调控机制

1.1 巨型细胞的形成

根结线虫以二龄幼虫侵入植物后，在寄主中完成其整个生活史，一般在20-40 d 内完成一个生命周期［10］。二龄幼虫从寄主根部伸长区穿透寄主植物，沿细胞间向下迁移至根尖，向分生组织移动，最终进入维管束圆柱体木质部发育区［11］。二龄幼虫通过口针穿刺一些寄主细胞，诱导这些细胞成为永久性取食位点。通常，根结线虫的取食位点由5-8个细胞经历形态和生理的变化，成为根结线虫的营养库。Treub 根据其形态特征，于1886 年首次将其命名为巨型细胞（giant cells）。在20 世纪60 年代，通过光学和电子显微镜技术对植物寄主中诱导的取食位点的形态特征进行了详细的描述［12-13］。观察发现，在寄主根部维管束内巨型细胞形成的第一个证据是线虫头部附近出现双核细胞［14］。随后，巨型细胞前体细胞经历反复的核分裂但不进行细胞质分裂，使其大小为正常细胞的100 多倍［15］，新的有丝分裂周期与胞质分裂解偶联导致巨型细胞呈多核状态［16］。通常巨型细胞核仁增大，质膜面积增加，细胞质变得致密，包括线粒体、质体、核糖体、高尔基体和内质网等细胞器大量富集，且呈漩涡状排列［17］。随着巨型细胞的形成，细胞中央液泡由开始时的大液泡变成许多小液泡，细胞壁也随之增厚［18］。

1.1.1 巨型细胞的细胞壁 在侵染寄主的过程中，由于植物细胞壁结构和化学组成的限制和保护，根结线虫首先要克服寄主细胞壁的物理和化学屏障，才能成功地侵入寄主细胞，并在组织中迁移。根结线虫在建立取食位点时，巨型细胞的细胞壁会发生修饰，增厚、向内生长，并改变其成分，以满足巨型细胞形成所需的物理和化学基础。

在发育早期，巨型细胞出现细胞壁的增厚。最初，细胞壁上出现许多小斑块，随着这些斑块扩大、合并，导致更大范围的细胞壁增厚。但在成熟的巨型细胞中，细胞壁厚度是不均匀的，这表明在其发育过程中细胞壁是不对称分布［19］。通过高倍电子显微镜观察，发现增厚的细胞壁与初生细胞壁相似，未显示出任何的特殊结构，染色后也未表现出明显变化［12,20-21］。在韧皮部细胞、维管柱薄壁细胞及其邻近的不同组织内的巨型细胞中，细胞壁均向内分散生长［19,22］。有研究发现，巨型细胞间存在胞间连丝，至少在两个相邻的巨型细胞之间的细胞壁中存在胞间连丝［18,22］。不过，也有研究发现拟南芥受南方根结线虫侵染形成的巨型细胞，其细胞壁缺乏胞间连丝，而营养物质是通过发育良好的细胞壁向内生长系统，以胞外增殖方式进入巨型细胞［19］。拟南芥转录因子PUCH1 基因在线虫侵染早期上调表达，PUCH1 突变体中的细胞壁增厚，可能通过长链脂肪酸合成调节巨型细胞的发育［23］。总之，巨型细胞形成过程中细胞壁的修饰过程非常复杂，这些变化可能是由寄主细胞基因差异表达导致的。

与正常细胞相比，巨型细胞细胞壁的成分会发生变化。巨型细胞细胞壁的组成在细胞增大过程中也随之变化。植物细胞壁的主要成分是纤维素，这是一种由1,4-β-葡聚糖组成的线性聚合物。在巨型细胞形成的过程中，两种纤维素合成酶基因CesA2和At4g15290（AtCSLB5）下调表达［24］。此外，对根结中的10 个纤维素合成酶基因的全面分析发现，次生壁相关CesA 基因主要在巨型细胞内表达，表明CesA 基因参与巨型细胞的形成［25］；控制细胞壁强度和延展性的关键是木聚糖的代谢，木葡聚糖代谢酶可分为两大类：木葡聚糖转糖基化酶（xyloglucan transglycosylases, XET）［26］和木葡聚糖内转糖基化酶（xyloglucan endotransglycosylases, EXGT）［27］。同样在南方根结线虫侵染杨树后形成的食位点中发现纤维素、木聚糖、木质素的改变［28］。通过对根结线虫感染拟南芥全基因组表达谱分析发现，两个XET基因的表达在线虫侵染后发生改变［29］；巨型细胞形成过程中还伴随着扩张蛋白基因的表达变化。扩张蛋白是细胞外植物蛋白，有助于细胞壁修饰。扩张蛋白家族包括4 个家族：α-扩张蛋白α-expansins（EXPA）、β- 扩 张 蛋 白β-expansins（EXPB）、扩 张蛋白样A expansin‑like A（EXLA）和扩张蛋白样B expansin‑like B（EXLB）［30］。7 个EXPA 和2 个EXPB 基因在受南方根结线虫诱导的拟南芥根中表达上调，且其表达受到暂时调控，其中6 个基因表达量在14 d 时高于7 d［29］。

1.1.2 巨型细胞的细胞骨架 通过基因组和转录组数据研究发现，许多参与细胞骨架的基因在巨型细胞形成过程中存在差异表达［24］。植物细胞骨架主要由微管（MTs）和肌动蛋白丝（F‑actin 或微丝，MFs）以及中间丝组成。线虫取食过程中，微管和肌动蛋白同时受到影响，细胞骨架发生了重组。巨型细胞不能完成胞质分裂，导致膜质体发育不完全。细胞分裂完成依赖于分泌囊泡、动态细胞骨架和一组辅助蛋白的协调作用和相互融合［31］。

具有细胞支架作用的微管，也参与细胞分裂和胞内运输。在线虫侵染后，其表达量会发生剧烈的变化。原位杂交检测发现，线虫侵染初期α-、β-和γ-微管蛋白基因mRNA 含量升高，在线虫侵染25 d后微管蛋白的表达逐渐减少［16］。微管蛋白MAP65‑3的表达在巨型细胞形成初期受到上调，在巨型细胞将要完成发育时其表达量迅速下降。MAP65‑3 与周围细胞的有丝分裂MT 阵列有关，并且在缺失MAP65‑3 后，巨型细胞开始发育但未能完全分化，最终被破坏。MAP65‑3 在巨型细胞有丝分裂细胞骨架中起着关键作用［32］。

肌动蛋白与微管共同构成胞质骨架，在诱导取食位点的形成过程中，其相关基因的表达量显著增加，肌动蛋白丝的密度也增加。肌动蛋白（G‑actins）的两个基因ACT2 和ACT7 在巨型细胞的发育过程中起作用［16］。用GFP 标记的肌动蛋白（GFP:mTalin或GFP:FABD）在巨型细胞和邻近细胞显示出强烈的GFP‑ABD 荧光，表明在巨型细胞形成中肌动蛋白表达量较高［31］。肌动蛋白丝在巨型细胞相邻的细胞中的分布具有随机性，但在与巨型细胞直接相连的细胞中，表现出高密度分布［16］。在巨型细胞皮层中观察到异常粗的肌动蛋白丝，进一步证明MF 网络对线虫侵染做出反应。细胞观察和免疫细胞化学研究揭示，MFs 在巨型细胞中肌动蛋白细胞骨架的组织紊乱［16］，且在细胞分裂过程中内质网中MFs 也明显缺失［33］。Formmins，也被称为Formin 同源蛋白（FH），是一种肌动蛋白成核蛋白，在真核生物中刺激细胞过程的MF 组装，包括细胞分裂、黏附、建立极性和运动［34］。AtFH4 和AtFH21 在线虫侵染后3 d 的巨型细胞中被抑制［24］。拟南芥肌动蛋白解聚因子（ADF）基因家族包括11 个表达成员，其中5个基因在根结中表达上调，根结线虫诱导的线虫取食细胞中ADF2 的高表达有助于线虫成功寄生，主要原因是高浓度的ADF2 可能会导致MFs 的不稳定，从而降低肌动蛋白网络的完整性，继而促进线虫的摄食及其发育［35］。因此，巨型细胞的生长和增大依赖于动态肌动蛋白丝数量的增加和体积增大，以支持巨型细胞的骨架和活跃的胞质代谢。

肌动蛋白细胞骨架的结构变化，可能是特定线虫特定分泌物分泌到维管束细胞导致的结果，这些分泌物能够触发建立功能性巨型细胞形成所需的细胞骨架变化。线虫可能将特定的效应分子直接或间接传递到植物细胞中靶向细胞骨架，而对这些效应分子功能的深入研究将有助于揭示巨型细胞形成的分子机制。

1.1.3 巨型细胞的液泡和细胞核 根结线虫在诱导巨型细胞形成初期，迅速膨胀到相邻细胞的10 倍以上。此时构成细胞的大部分为大液泡，随着巨型细胞的发育大液泡变成许多小液泡，细胞质含量相应增加。随着巨型细胞的成熟，细胞核的数量明显增加，大液泡被细胞质的合成所取代，并成为随后大量蛋白质合成的来源［36］。研究表明，大液泡的形成是巨型细胞扩张的原因［37］。在根结快速发育的过程中，液泡膜内在蛋白（TIPS）以及水通道蛋白（TobRB7）在巨型细胞中高表达［38-39］。研究人员关注巨型细胞发育后期，从大液泡到许多小液泡变化的原因。细胞分裂之前形成一个横跨液泡的细胞质膜，将液泡一分为二，形成占据两个子细胞的较小的液泡。早期的研究表明巨型细胞中大液泡，可能是通过质膜活动将其一分为二形成小的液泡［21］。因此大量的小液泡可能是细胞在没有经历胞质分裂的情况下进入有丝分裂周期而持续的液泡碎裂造成的。近些年关于巨型细胞的液泡相关研究较少，尤其是线虫侵染后激活取食位点的细胞周期从而改变液泡的形成。

根结线虫在寄主植物的维管束柱中诱导5-8 个细胞形成多细胞核的巨型细胞，这些巨型细胞分布于薄壁维管细胞和木质部细胞中，经历多次有丝分裂［40］、细胞分裂中断或阻断［16］，最终诱导根结的形成。研究人员普遍认为，细胞核的增多是核内复制的结果，在整个巨型细胞发育和扩增过程中，会发生多次且经常同步的有丝分裂，最终形成超大的多核细胞［40］。通过光学显微镜和电子显微镜观察巨型细胞中细胞核的变化，线虫侵染24 h 后未观察到双核细胞，48 h 开始可以观察到双核细胞，在72 h观察到2-8 个甚至更多的细胞核。6 d 时观察到大量的细胞核、中央液泡进一步缩小［41］。在侵染早期，根结线虫诱导取食位点的细胞周期蛋白和细胞周期蛋白激酶的表达，促进巨型细胞内复制，导致多核细胞的形成。

1.1.4 巨型细胞的周期变化 根结线虫对取食位点中细胞周期的调控涉及大量的细胞周期基因的表达和激活［42］。在根结线虫侵染寄主根部巨型细胞周期研究中，通过对周期蛋白依赖性激酶cdc2a 和有丝分裂周期蛋白cyc1At 基因的标记，发现在这些基因的转录激活与巨型细胞发育的早期阶段相关［42-43］。同样对根结线虫侵染苜蓿（Medicago truncatula）根部研究发现，细胞分化和核内复制所需的细胞周期基因CCS52a 在诱导的巨型细胞中积累［44］。此外，研究表明细胞周期抑制剂KRP2，触发有丝分裂CDK 活性的抑制和核内复制的过早发生，表明KRP2 参与巨型细胞的发育［45］。拟南芥细胞周期基因AtCDKA;1 的沉默，导致拟南芥对根结线虫的敏感性降低。相反，拟南芥CDK 抑制物（ICK）/KIP相关蛋白（Krp）家族功能的缺失，对根结发育和线虫繁殖的影响较小［46］。而植物细胞周期蛋白依赖性激酶（CDK）抑制剂，如拟南芥CDK 相互作用因子/抑制剂（ICK）/ kip 相关蛋白（KRP）家族中ICK2/KRP2 和ICK1/KRP1 参与控制南方根结线虫诱导的巨型细胞有丝分裂到核内复制，巨型细胞的发育受ICK2/KRP2 蛋白水平严格调控［47］。并不是所有的Krp 都以相同的方式调节细胞周期，Krp6作为有丝分裂细胞周期的激活剂，参与巨型细胞多核和细胞动力状态的保持［48］。通过对61 个核心细胞周期基因的表达深入分析发现，其中大多数基因在巨型细胞中表达［49］。纺锤体组装检查点（spindle assembly checkpoint）是一种精细的监测机制，确保进行有丝分裂的染色体在正确连接到纺锤体微管之前不会分离，而编码纺锤体关键调节因子的基因都在巨型细胞中上调表达［50］。那么防治根结线虫危害，是否可以通过控制细胞周期，抑制巨型细胞的形成，从而达到防治根结线虫的目的，这一防治策略的可行性还有待深入研究。

1.2 巨型细胞的水分和营养供给

根结线虫在建立取食位点后静止不动，而完全依赖巨型细胞为其提供所需的养分和水分［15］。因此，取食位点内的细胞壁修饰、水分运输，蛋白运输等对于维持取食位点的正常功能至关重要。

巨型细胞也是线虫所需水分的来源，而巨型细胞在形成的过程中额外增加了对水分的需求，因此，水分代谢是巨型细胞发育和维持的基础。而线虫诱导的巨型细胞的显著特征之一是在木质部处形成细胞壁突起，从细胞壁伸入取食细胞的原生质中，帮助水分和营养物质从木质部运输到取食细胞［22,41］。在巨型细胞中检测到水通道蛋白特异性上调［38］，进一步发现该水通道蛋白属于主要内在蛋白（MIPs）家族，该家族的成员在巨型细胞中也被发现上调和下调表达［24,29］。由于自身的物理化学性质，质膜的输水能力有限。水通道蛋白除了扩散外，还可以通过质膜形成水孔，进一步促进水分的短距离输送。

根结线虫在建立取食位点的过程中，单糖作为修复损伤组织和细胞骨架的原料，大量糖类物质从地上部位向取食位点转运。植物寄生线虫通过口针刺穿寄主细胞的细胞壁，不同类型的线虫从取食细胞中提取营养物质略有不同。1975 年，Jones 等［20］通过研究凤仙花根的跨膜电位，发现了根结线虫寄生后活性糖转运到巨型细胞的迹象。研究还发现根结线虫侵染后，拟南芥根中几种转运基因的表达存在差异［37］。而在线虫侵染21 d 时氨盐基转运基因AtAMT1;2 下调表达［51］。2021 年许立鹤［52］研究发现，在水稻中拟禾本科根结线虫取食位点巨型细胞内，蔗糖是通过胞间连丝而非水稻蔗糖转运蛋白进行运输。

植物寄生线虫完全依赖寄主植物提供的水和营养，而如何获取营养物质取决于线虫的取食策略。寄生线虫-植物通过复杂的相互作用，诱导植物根部形成特定的取食结构。研究表明，孢囊线虫合胞体是同质分离，在发育早期阶段，运输蛋白负责营养供应，之后通过胞间连丝与韧皮部建立联系，从而获得充足的同化产物［53］。但是，目前尚不清楚根结线虫是如何迫使植物向其取食结构提供大量的营养物质，以及如何完成从单质向共质的溶质供应的转变，这些作用机制还需要更加深入研究。

1.3 植物激素对巨型细胞的调节作用

根结线虫在侵染的过程中会通过调节寄主植物的激素来帮助自身成功寄生［54］。植物内生激素在协调植物对寄生生物营养物和昆虫的反应方面发挥了关键作用［55］。根结线虫首先需要抑制植物防御系统，然后利用激素通路来建立和维修取食位点。因此，在巨型细胞发育的过程中，生长素、细胞分裂素、水杨酸、乙烯和茉莉酸等植物激素发挥重要作用［56-57］。

生长素可以调节植物细胞器的发生，而巨型细胞需要富集大量的细胞器以满足旺盛的代谢需求，因此，巨型细胞发育和成熟与生长素的局部积累密切相关。研究认为，细胞增大、细胞壁增厚和细胞周期激活都可能有生长素调节，推测生长素可能是取食细胞形成和发育的基础［43］。根据根结线虫的分泌物中检测到生长素及其相关化合物，推测线虫通过分泌物干扰生长素合成酶来调控局部的生长素水平，从而诱导巨型细胞的形成［58］。在线虫侵染早期，取食位点周围的生长素的积累可能是由于线虫自身的分泌，局部诱导的植物生物合成，并调控生长素的运输［59-60］。研究表明，南方根结线虫的分泌物在巨型细胞的形成过程中激活了生长素调节因子LBD16，该基因促进植物侧根的发育，直接证明了根结线虫可能或至少部分劫持了植物发育相关关键基因［60］。

巨型细胞中细胞分裂素的含量明显增加，表明细胞分裂素参与巨型细胞的形成［61］。细胞分裂素在巨型细胞形成中发挥作用的直接证据是细胞分裂素氧化酶在根中的瞬时表达，该氧化酶负责细胞分裂素的降解，从而导致植物对RKN 更具抗性［62］。在巨型细胞显微结构中，观察到细胞分裂素信号的负调节因子普遍下调［24］。研究表明，在根结线虫巨型细胞的形成中，乙烯发挥了作用［24,63-64］，但之后研究人员还发现，乙烯可能通过减少线虫对根部的吸引力，从而抑制根结线虫的感染［65-68］。

水杨酸、茉莉酸的研究主要集中在作为防御激素的作用。转录组分析发现，在线虫侵染后的不同时间段，观察到水杨酸途径被抑制［24,68-69］。水杨酸正向调节线虫的敏感性［70］，如超表达介导水杨酸信号的类似脂肪酸蛋白AtPAD4 或水杨酸途径的正向调节因子NPR1 超表达时，植物对根结线虫的敏感性均出现下降［71-72］，而水杨酸降解酶NahG 基因超表达，则增加了对线虫的敏感性［65］。人们普遍认为外施茉莉酸会降低线虫的感染［73］。油菜素类固醇（BRs）参与植物对根结线虫的反应［65］，BRs 可能对茉莉酸具有拮抗作用［74］。近些年除了经典的植物激素外，多肽类激素也影响植物的生长和发育；值得注意的是，线虫已经进化出植物肽激素（PPH）效应模拟物来促进寄生［54,75］。

在根结线虫取食位点形成早期，生长素和细胞分裂素的积累有助于巨型细胞的形成。细胞分裂素能促进分生组织的细胞分化，可以调节有丝分裂G1/S 期，水稻根结线虫通过调节生长素和细胞分裂素的平衡从而促进巨型细胞形成［76］。水杨酸、茉莉酸和油菜素内酯等参与植物防御反应，根结线虫通过调控相关激素来抑制寄主的防卫，从而帮助线虫的寄生。取食位点形成的过程中，线虫通过调节寄主不同激素间的平衡来促进取食位点的形成。线虫与寄主植物激素相关的报道较多，但是关于线虫取食位点形成过程中，如何调控不同激素介导的信号通路，及其相互作用尚缺乏研究。未来可以通过借助高通量测序等技术，加强根结线虫效应子与植物激素互作中的功能研究。

2 根结线虫诱导巨型细胞形成的分子机制

根结线虫从寄主的根部进入，首先需要突破寄主免疫防御反应建立取食位点。目前植物寄生线虫关于调控寄主免疫方面的效应蛋白已经有大量的报道［77］。同时根结线虫可以分泌多种效应物调控寄主植物根部细胞发育，诱导取食位点的形成［78］。并且巨型细胞的发育和维持需要线虫的持续刺激。目前关于根结线虫效应蛋白调控巨型细胞形成相关的细胞壁、核内复制、细胞骨架和物质运输等方面均有报道。

2.1 寄主植物的识别和防御

在植物与线虫的互作中，许多的差异基因已经被证实与线虫的定殖相关，表明线虫可操纵植物寄主细胞对植物基因表达进行大量的重新编程。在线虫侵染过程中，对寄主影响的早期研究是在模式植物拟南芥中开展的，通过比较接种与未接种线虫的拟南芥寄主根（根结区）的差异基因进行分析。之后大规模的转录数据提供了不同宿主基因表达模式差异［24,29,37,51,79］，如番茄（Solanum lycopersi‑cum）［80-81］、 豇 豆（Vigna unguigulata）［82］、 水 稻（Oryza sativa）［83］、 龙 葵（Solanum torvum Sw.）［84］西瓜（Citrullus lanatus）［85］等。虽然数千个差异表达的植物基因与线虫感染有关，这些响应线虫的植物基因被归类为与植物发育途径和巨型细胞发育相关的类别，突出了防御和激素反应、细胞周期和细胞骨架组织、细胞壁和代谢重编程等，它们在植物防御反应、激素途径，以及代谢重新编程中发挥着重要作用。植物触发的免疫反应包括首先感知病原体相关的分子模式（pathogen‑associated molecular pattern, PAMPs）由被破坏的植物组织通过分子模式识别受体（pattern recognition receptors, PRRs）释放的损伤相关分子模式（damage associated molecular patterns, DAMPs）。然后，植物会通过激活防御反应来识别根结线虫并对其做出反应。巨型细胞的发育与免疫反应直接相关，在辣椒中的抗根结线虫基因Me1 通过抑制巨大细胞的发育从而表现出抗根结线虫作用［86］，而Me3 基因以及番茄中Mi‑1 等基因则是诱发HR（hypersensitive response, HR）反应，使巨型细胞的形成受阻，从而表现抗性［87-88］。对基因表达的全基因组分析表明，在根结线虫与寄主的亲和互作中，巨型细胞中参与防御途径的大多数线虫调控基因的表达受到抑制。例如，检测到WRKY 转录因子家族的普遍抑制，这些转录因子家族已知作用于几种植物激素的下游，以激活植物防御或编码病程相关（PR）蛋白的基因［24,29,89］。

2.2 取食位点中基因的表达模式

取食位点需经历一系列不同的阶段，包括初期诱导、根结的形成、刺激细胞核分裂但细胞质不分裂、细胞伸长和扩张、细胞壁增厚、细胞质含量增加、DNA 内复制和代谢活性增加等，这些过程都伴随基因表达的调控。研究人员利用多种方法对线虫取食位点内的基因进行了上调表达和下调表达的分类，为确定哪些基因在取食位点的形成中起重要作用奠定基础。例如，通过对南方根结线虫侵染后的拟南芥全基因组的表达谱分析，鉴定出3 373 个基因存在显著的差异表达，其中植物发育调控、非生物和生物胁迫信号转导等相关基因的参与取食位点的形成［29］。2009 年研究人员对线虫侵染植物后基因的变化进行了全面的综述［39］。之后研究人员利用激光捕获显微切割技术对番茄感染线虫早期的取食细胞进行分离和分析，与拟南芥相同发育阶段的根结转录组测序结果比对分析，发现植物根结中117 个同源基因被共调控［81］。利用转录组分析爪哇根结线虫侵染拟南芥以及拟禾谷根结线虫侵染水稻早期根组织，发现在巨型细胞发育过程中维管束细胞间存在分子联系，并假定为巨型细胞为干细胞［24,69］。测序技术的进步为深入解析根结线虫取食细胞的形成提供了数据支持。

2.3 线虫效应蛋白在巨型细胞形成中的作用机制

效应蛋白是由病原物产生的能进入寄主细胞，调控寄主细胞的信号转导、免疫响应等功能的生物分子，植物寄生线虫分泌蛋白，在线虫侵入时抵御寄主防卫反应、建立取食位点的一些蛋白质或小分子物质也属于效应蛋白［90-91］。根结线虫食道腺分泌效应蛋白，通过口针注射到寄主植物细胞中，可调控寄主内不同的分子途径、细胞周期、招募或劫持植物的功能效应分子，诱导维管细胞再分化形成巨型细胞［92-94］。在寄主植物和根结线虫的互作中，已经报道了一些关于效应子在巨型细胞的形成中发挥作用，从而影响植物防御系统的研究［95］。

近年来随着组学技术的快速发展，越来越多的关于根结线虫巨型细胞相关的效应蛋白相继报道（表1）。效应蛋白通过与寄主蛋白的互作，在植物的物质代谢、细胞结构、物质运输以及基因转录中发挥作用，参与调控根结线虫巨型细胞的形成。效应蛋白参与降解细胞壁。在植物寄生线虫中第一个鉴定出的相关效应蛋白为β -1,4‑Endoglucanase，它可以降解植物细胞壁，打破线虫寄生的第一道屏障［114］；之后研究人员从根结线虫中克隆到具有纤维素酶和果胶酶降解活性的一些基因，这些基因与降解细胞壁相关；在线虫侵入时，线虫也会产生一些功能性的延伸蛋白，有助于线虫的寄生［115］；爪哇根结线虫中克隆的Mj‑pel‑1，对果胶有高活性，在根结线虫侵染早期起重要作用［96］。（1）效应蛋白参与调节细胞骨架的形成和物质运输。第一个报道这类功能的效应蛋白是通过口针分泌到寄主体内的钙网蛋白（Mi‑CRT），线虫在迁移期和静止期分泌Mi‑CRT，并在巨型细胞中聚集，为线虫食道腺蛋白分泌到取食位点提供证据［97］；可以促进线虫寄生的效应蛋白MiPFN3，影响寄主中的肌动蛋白的多聚过程，从而影响细胞骨架［98］；北方根结线虫和南方根结线虫食道腺产生的8D05/Msp9 与寄主植物中的水通道蛋白TIP2 特异性结合，在线虫寄生过程中参与调节巨型细胞内溶质和水分子的运输［99］。（2）线虫效应蛋白与植物靶标蛋白在细胞核中互作的功能研究。一些效应蛋白定位在细胞核中，如爪哇根结线虫的背腹食道腺中分泌的效应蛋白MJ‑NULG1a 定位在巨型细胞的细胞核中，在线虫寄生的过程中起关键作用［100］；南方根结线虫可以将效应蛋白MiEFF1 和MiEFF18分泌到寄主体内，其中MiEFF1 定位在巨型细胞核内，与胁迫蛋白、胞质甘油醛‑3 磷酸脱氢酶相互作用，影响线虫的寄生［101-102］；而MiEFF18 是根结线虫保守的效应蛋白，诱导植物根细胞再分化为巨型细胞，并与茄科植物中保守的剪切体SmD1 蛋白互作，通过选择性剪切影响巨型细胞的形成和线虫的发育［103-104］；最近的研究表明南方根结线虫效应蛋白Mi2G02 与寄主植物的trihelix 转录因子GT‑3 互作，通过调控下游基因的表达，从而诱导寄主的生长发育和线虫取食细胞的形成［105］。（3）效应蛋白参与调节植物激素。南方根结线虫和爪哇根结线虫中发现的分支酸变位酶CM‑1/CM‑2 参与巨型细胞的分化和取食位点的形成［106］，Mj‑CM‑1 通过引起对分支酸的竞争来减少吲哚乙酸合成，导致分支酸衍生的代谢物的改变，并最终影响植物细胞的发育［107］。（4）效应蛋白参与细胞代谢。爪哇根结线虫和南方根结线虫中均可产生的一类脂肪酸与视黄醇结合蛋白FAR‑1，在植物中表达时被证明影响植物细胞质代谢，促进巨型细胞和线虫的发育［108-109］；南方根结线虫效应蛋白Mi‑SBP‑1（含有DNA 结合转录因子的螺旋-环-螺旋结构域）可调控寄主的几种脂肪酸的合成，当Mi‑sbp‑1 基因沉默后巨型细胞中脂肪储备能力丧失，线虫发育减慢，寄生能力降低［110］；最新研究发现象耳豆根结线虫分泌效应蛋白MeMSP1 到巨型细胞中，与拟南芥中的谷胱甘肽转移酶（AtGSTFs）互作，导致寄主谷胱甘肽积累，有利于线虫的寄生［111］。效应子可以对寄主细胞内的转录过程重新编程［116］。在多种线虫的亚腹食道腺发现效应蛋白16D10/Msp16 可以刺激根系生长，并与寄主拟南芥中SCARECROW 类转录因子（SCARECROW‑like transcription factors）AtSCL6 和AtSCL21 互作，诱导巨型细胞形成和维持［112-113］。

表1 根结线虫中已报道参与巨型细胞相关效应蛋白Table1 Reported relevant giant cell-associated effectors in root-knot nematodes

3 展望

根结线虫诱导寄主植物维管束部分细胞形成巨型细胞，为线虫自身的生长发育提供营养物质。根结线虫可诱导数千种寄主植物形成类似取食位点，这种模式在线虫和寄主植物相互进化的过程中具有保守性。早期的研究主要集中于寄主的抗性或者是线虫的生长发育［117］。近年来，随着基因组、蛋白质组学、转录组学以及比较基因组的快速发展，巨型细胞形成的分子机制也得到一定程度的揭示。线虫-寄主植物互作的报道明显增加，尤其是对根结线虫效应因子在调控寄主免疫反应、降解寄主细胞壁、激素相关的调控等研究方面取得了实质性的进展［77,118］。通过免疫组化的方法，发现许多效应蛋白可以分泌到巨型细胞中，但这些效应蛋白的功能及其在巨型细胞形成和维护中的作用仍需要进一步研究，特别是线虫效应蛋白是如何直接或间接地影响巨型细胞的细胞周期。据推测，一些蛋白可能特异性地激活巨型细胞有丝分裂M 期促进因子的活性或者诱导S 期相关基因的表达，而另外一些分泌蛋白可能改变巨型细胞中的泛素化途径来影响细胞周期［119］。这些问题尚需进一步证实。而与细胞壁重塑相关的线虫效应子或植物基因尚未被鉴定出来，且其在巨型细胞壁的生物合成中的作用仍知之甚少。

借助转录组测序分析发现，巨型细胞与正常的维管束细胞中存在着大量的差异表达基因，这些基因的差异表达可能是由于可变剪切机制诱导产生的。最近报道的具有核定位的效应子MiEFF18，可以与寄主中的可变剪切体SmD1 蛋白互作，通过RNA‑seq 分析该效应子发现，其通过可变剪切的手段影响巨型细胞的发育［103-104］。然而，植物全基因组可变剪切在根结线虫侵染过程中功能的普遍性，以及根结线虫效应子调节可变剪切的机制尚不清楚。根结线虫在寄生过程分泌许多核定位的效应子，这些效应子是否参与调节寄主植物细胞基因的可变剪切，进而促进“巨型细胞”形成和干扰植物免疫反应也有待进一步验证。

在巨型细胞的形成过程中各种激素之间相互协调，发挥作用。越来越多的研究表明，线虫已经进化出植物肽激素效应模拟物和植物激素，协调或调节巨型细胞的形成，微调根系的发育程序，以促进巨型细胞的形成。根结线虫可能通过招募一些基因驱动多能细胞，诱导这些细胞分化形成巨型细胞，但对线虫招募的基因了解仍然较少［120］。随着现代组学技术的快速发展，以及基因编辑的大量应用，可以找到线虫互作的植物靶标，通过干扰或者编辑的手段开辟根结线虫控制新策略，并进一步开发应用。