真菌黑色素與致病的關(guān)系(共5頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上真菌黑色素與致病的關(guān)系-張傳清(2011-04-10 14)摘要：黑色素是一類(lèi)黑色的復(fù)雜的由環(huán)狀亞單位（包括吲哚、酚和羥基萘酚等）形成的聚合物。許多真菌的細(xì)胞壁是黑色素化的，從而使得其孢子、營(yíng)養(yǎng)菌絲和某些子實(shí)體變得不透明。細(xì)胞沉積的黑色素可保護(hù)其抵抗物理或化學(xué)的壓力、排除毒素及限制某些代謝物質(zhì)的滲透。黑色素化的細(xì)胞壁層是細(xì)胞與其環(huán)境間的一道屏障，黑色素化的細(xì)胞壁層的形成對(duì)病原物寄主間的互作也有深遠(yuǎn)的影響。在許多由產(chǎn)黑色素的真菌引起的植物和動(dòng)物病害中，黑色素的生物合成是病原菌致病性和毒力的重要決定因子。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾種不同的作用機(jī)制將真菌黑色素和病害聯(lián)系起來(lái)。一 什么

2、是黑色素發(fā)霉面包上的小黑點(diǎn)是根霉或毛霉的某些種的孢子囊，而黑色就是由黑色素造成的。黑色素也可以在黑色酵母的細(xì)胞壁、真菌的菌絲、附著胞、擔(dān)孢子、分生孢子和菌核中存在。黑色素不但使得真菌對(duì)環(huán)境壓力具有抵抗作用并且也在真菌的致病過(guò)程中起作用。雖然黑色素的結(jié)構(gòu)能被強(qiáng)氧化劑如H2O2破壞，有時(shí)也能被強(qiáng)堿降解；但黑色素不溶于沸水、熱濃縮的礦物質(zhì)酸和有機(jī)溶劑。有證據(jù)表明真菌中的黑色素與土壤中的腐殖酸相似，而后者是由植物木質(zhì)素降解衍生而來(lái)的。Paim等（1990）認(rèn)為真菌黑色素對(duì)土壤中的腐殖酸含量有顯著影響。真菌至少合成兩種類(lèi)型的黑色素，但目前仍然未能清楚這類(lèi)不定型的生物多聚物。黑色素除了能吸收可見(jiàn)光外，還能

3、吸收?-射線(xiàn)、X-射線(xiàn)、紫外線(xiàn)和紅外線(xiàn)而將能量轉(zhuǎn)移到其分子結(jié)構(gòu)中。從這種意義上說(shuō)，黑色素比黑色更黑。黑色素也是聲波的最有效的自然吸收者，但奇怪的是人的內(nèi)耳中也有黑色素。當(dāng)黑色素和蛋白質(zhì)及其它化合物結(jié)合后，黑色素化的真菌就呈現(xiàn)橄欖色-綠色/黑色或深褐色/黑色的顏色。通過(guò)1，8-二羥基萘酚（1，8-DHN）雙環(huán)結(jié)構(gòu)的聚合作用形成的DHN-或稱(chēng)為聚酮黑色素是研究得最為深入的黑色素。DHN是黑色素生物合成途徑中最后產(chǎn)生的單體，其合成是在聚乙酰合成酶催化下形成聚乙酰開(kāi)始的。該酶將兩個(gè)乙酸分子首尾連接起來(lái)，然后對(duì)其進(jìn)行修飾和環(huán)化。真菌的聚乙酰合成酶和脊椎動(dòng)物中的脂肪酸合成酶進(jìn)化上相關(guān)。也發(fā)現(xiàn)聚乙酰合成酶在

4、細(xì)菌和植物中存在，除了黑色素以外還催化產(chǎn)生黃曲霉毒素、花青苷、植保素及紅霉素、四環(huán)素等物質(zhì)。與其它的大多數(shù)真菌不同的是，新隱球酵母（Cryptococcus neoformans）通過(guò)和產(chǎn)生烏賊汁一樣的途徑形成多巴黑色素，從而使人們的膚色呈現(xiàn)某種程度的黑色。二 真菌為什么要合成黑色素真菌需要用相當(dāng)多的代謝資源來(lái)形成黑色素，所以研究者傾向于認(rèn)為黑色素的產(chǎn)生是有益的。實(shí)驗(yàn)表明黑色素使得黑化的細(xì)胞具有選擇上的優(yōu)勢(shì)，黑色素在細(xì)胞和其周?chē)焕沫h(huán)境間形成了一道屏障，使得細(xì)胞能夠抵抗物理或化學(xué)的壓力、排除毒素及限制某些有用代謝物質(zhì)的滲漏。和起屏障作用相一致的是真菌黑色素通常存在于細(xì)胞壁，但有時(shí)在其它位置也

5、發(fā)現(xiàn)有黑色素。許多真菌也釋放黑色素顆粒到液體培養(yǎng)基中。黑色素化的細(xì)胞往往對(duì)其它微生物的裂解具有極強(qiáng)的抗性。黑色酵母在高濃度的裂解酶存在時(shí)仍能在幾天內(nèi)保持其細(xì)胞的完整性；而其白化突變體（alb-）在幾分鐘內(nèi)就會(huì)被裂解酶裂解。黑色素的這種屏障作用還能保護(hù)真菌免受殺菌劑和重金屬的傷害。有報(bào)道說(shuō)在切爾諾貝利的廢墟上出現(xiàn)了越來(lái)越多的產(chǎn)黑色素的真菌和耐輻射的真菌（Zhdanova，1994）。因?yàn)榕c細(xì)胞壁結(jié)合的黑色素能使細(xì)胞免受可見(jiàn)光和紫外光的傷害，因此在巖石、葉表面及其它暴露位置產(chǎn)生黑色素的微生物數(shù)目要多。隨著植株高度的增加和太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)，附生在植物表面的地衣會(huì)變得高度黑色素化，從而保護(hù)共生植物免受紫

6、外線(xiàn)的傷害并降低植物葉綠體的光漂白（Hale，1983）。田間研究表明黑色地衣的菌體要比白色地衣菌體的溫度高23，且這種差異在微風(fēng)和堿性條件下會(huì)增大。當(dāng)周?chē)h(huán)境溫度較低時(shí)，溫暖的黑色菌體會(huì)促進(jìn)生長(zhǎng)。黑色素突變體比黑色素化的菌株對(duì)熱更加敏感，表明了黑色素的另一個(gè)特性（Frederic等，1999）。目前還不知道黑色素?zé)崮褪苄缘臋C(jī)制，但可能是因?yàn)楹谏啬芪諢崮苋缓缶徛兝涞木壒?。黑色素還能緩沖冷凍等物理傷害，輕度黑色素化的新隱球酵母比白化體對(duì)凍融造成的傷害更不敏感。這說(shuō)明黑色素化的細(xì)胞壁能保護(hù)細(xì)胞不受細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外冰晶的傷害。但老的高度黑色素化的新隱球酵母比沒(méi)有黑色素化的對(duì)冰的傷害更加敏感。色素

7、的高度沉積會(huì)使細(xì)胞壁變的易碎，因此對(duì)冰的抵抗能力還不如更具有彈性的輕度黑色素化的結(jié)構(gòu)。對(duì)真菌的存活和傳播結(jié)構(gòu)如孢子、菌核和地衣粉芽來(lái)說(shuō)，對(duì)溫度極限的抵抗是十分重要的。除了保護(hù)功能外，黑色素能幫助真菌吸收土壤和巖石中的礦物質(zhì)（Banfield，1999）為真菌提供微量元素。雖然在實(shí)驗(yàn)室中單個(gè)真菌的黑色素表現(xiàn)出多種特性，但不可能在生態(tài)系統(tǒng)中去一一評(píng)估這些特性。黑色酵母對(duì)酶的裂解和紫外線(xiàn)都有很強(qiáng)的抵抗能力，但該菌最先分離自野鴨的肛門(mén)，這意味著對(duì)酶的裂解的抵抗能力比對(duì)紫外線(xiàn)的抵抗能力更加重要，但還沒(méi)有肯定的證據(jù)。三 植物病害中的真菌黑色素在許多植物病害中，真菌合成DHN-黑色素從而對(duì)病原物-寄主互作產(chǎn)

8、生影響（Henson等，1999）。黑色素化和致病力間最清楚的聯(lián)系是病原菌穿透的早期事件，這一工作的模型是稻瘟病菌（Howard & Valent，1996）。孢子隨風(fēng)傳播并附著在水稻葉片上，萌發(fā)產(chǎn)生芽管，芽管頂端膨大形成球形的被稱(chēng)為附著胞的結(jié)構(gòu)；附著胞孔形成侵染絲穿透寄主表皮，隨后菌絲在寄主體內(nèi)的擴(kuò)展會(huì)造成災(zāi)難性的后果。機(jī)械作用力（由附著胞的滲透壓產(chǎn)生）驅(qū)動(dòng)侵染絲穿透寄主角質(zhì)層和細(xì)胞壁，但角質(zhì)酶、纖維素酶和果膠酶的釋放能降解葉片的某些組分會(huì)使得穿透過(guò)程更加容易。附著胞中產(chǎn)生的壓力超過(guò)1000磅/英寸2，是在所有細(xì)胞中測(cè)量到的最高的壓力。附著胞產(chǎn)生一種膠狀的物質(zhì)使得其能牢固地附著在寄主表面。這

9、種物質(zhì)的粘性必須足夠的強(qiáng)以使附著胞能承受得住侵染絲穿透時(shí)的后座力，否則附著胞就會(huì)從葉片上掉下來(lái)而使侵入失敗。黑色素沉積于附著胞壁的最內(nèi)層，與質(zhì)膜臨近，但一環(huán)形被稱(chēng)為附著胞孔的由此產(chǎn)生侵入絲的區(qū)域是非黑色素化的。黑色素化的細(xì)胞最大的秘密就是黑色素的分布與附著胞功能間的關(guān)系。附著胞壁的黑色素層是維持強(qiáng)大的滲透壓所必不可少的。附著胞壓力是通過(guò)滲透作用形成的，甘油是其主要的滲透溶質(zhì)（De Jong等, 1997）。對(duì)于真菌來(lái)說(shuō)葉面環(huán)境是不適宜的，為了生存，它必須迅速積累高濃度的滲透質(zhì)，直到能夠穿透寄主角質(zhì)層和細(xì)胞壁。黑色素化的細(xì)胞壁是甘油通過(guò)附著胞質(zhì)膜的障礙，因此應(yīng)該存在位于質(zhì)膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白能迅速將滲

10、出的甘油運(yùn)回原生質(zhì)中（Money，1997）。白化突變體和三環(huán)唑處理過(guò)的附著胞都不能穿透完整的水稻葉片，二者的附著胞沒(méi)有了黑色素就使得大量的甘油滲出附著胞，也就無(wú)法形成葉面穿透所需的壓力。三環(huán)唑能抑制黑色素生物合成途徑中的還原酶，當(dāng)三環(huán)唑存在時(shí)，附著胞就會(huì)形成透明而不是黑色的附著胞壁。三環(huán)唑及其相關(guān)化合物往往被稱(chēng)為抗穿透劑，在阻止穿透的濃度下對(duì)菌絲生長(zhǎng)沒(méi)有影響。因此，當(dāng)病原菌由已存在的傷口侵入時(shí)，三環(huán)唑?qū)Σ『Φ陌l(fā)展沒(méi)有影響。對(duì)于某些根部侵染的病原物，黑色素也是必須的。與附著胞不同的是，小麥全蝕病菌的附著枝是由營(yíng)養(yǎng)菌絲發(fā)育而來(lái)。在小麥全蝕病菌中，附著枝的黑色素化和滲透壓的形成是相聯(lián)系的：野生型黑

11、色素化的附著枝的滲透壓可高達(dá)1.2MPa；而白化體的小于0.1MPa（Money 等，1998）。另外，黑色素化的附著枝的細(xì)胞壁比白化體的細(xì)胞壁具有更強(qiáng)的剛性和更弱的透性。研究者試圖在小麥全蝕病菌的附著枝和其寄主間建立稻瘟病菌的附著胞和壓力同樣的關(guān)系，但除非已知附著枝的功能，否則不可能對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。與稻瘟病菌不同的是抑制黑色素的合成并不能影響小麥全蝕病菌對(duì)小麥的致病性，后者侵染植物不需要黑色素化的附著枝或菌絲。Frederick（1999）認(rèn)為未黑色素化的菌絲能夠分泌出裂解酶協(xié)助穿透，從而彌補(bǔ)了生物機(jī)械力上的不足。但有關(guān)小麥全蝕病菌的研究仍存在許多不確定的地方，Kelly等（1996）就報(bào)道黑

12、色素是小麥全蝕病菌必不可少的致病性因子之一。Caesar-Ton That等（1995）發(fā)現(xiàn)銅制劑不能防治小麥全蝕病，因?yàn)殂~能促進(jìn)黑色素的產(chǎn)生且真菌每克菌絲中的DHN-黑色素能夠結(jié)合3.5mg的銅。這與黑色素能結(jié)合土壤或寄主細(xì)胞內(nèi)的有毒物質(zhì)而保護(hù)寄主的作用是吻合的。與小麥全蝕病菌相同的是，彎孢霉(Curularia)的附著枝在其寄主根部也會(huì)發(fā)生黑色素化?？赡艿那闆r是侵染絲細(xì)胞壁內(nèi)的黑色素能夠緩沖由寄主所產(chǎn)生的溫度升高的壓力；另外，菌絲黑色素化能夠“偽裝”真菌激發(fā)寄主抗性的激發(fā)子，從而使得菌絲在寄主體內(nèi)的擴(kuò)展更加容易。與上述所講的黑色素和土壤中的腐殖酸情況相類(lèi)似的是，我們必須強(qiáng)調(diào)黑色素對(duì)于真菌在

13、寄主體內(nèi)生長(zhǎng)的重要性。但是，植物木質(zhì)素往往在侵染絲周?chē)练e，而木質(zhì)素和黑色素都是能結(jié)合相類(lèi)似的染料的多酚類(lèi)化合物。因此，在細(xì)胞學(xué)上區(qū)分它們是非常困難的。在有些情況下，黑色素并不直接參與真菌的侵染過(guò)程，而是與其越冬存活相關(guān)的。許多真菌在侵染后期會(huì)產(chǎn)生高度黑色素化菌核。菌核在土壤中能抵抗多種壓力，但若沒(méi)有黑色素的保護(hù)，它會(huì)很快降解。黑色素使得菌核不能吸收外界的化合物，且能耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿和有機(jī)溶劑。干的菌核在王水中加熱到100或在熱的強(qiáng)堿中都看不到對(duì)其結(jié)構(gòu)的完整性和黑色素分布有什么影響。菌核也能抵抗許多降解其它細(xì)胞壁組分的酶類(lèi)。雖然木質(zhì)素降解酶-錳過(guò)氧化物酶可以“漂白”多巴黑色素和DHN-黑色素，但這種

14、酶對(duì)菌核黑色素化的外皮沒(méi)有明顯的影響（Butler & Day，1998）。堅(jiān)硬而耐受性強(qiáng)的菌核在農(nóng)業(yè)上有重要的意義。核盤(pán)菌（Sclerotinia）能引起苜蓿、三葉草、萵苣、花生、綠豆、向日葵等多種植物的病害（Zhou & Boland，1998）。病害循環(huán)的后期就會(huì)形成菌核，菌核在土壤中可以一直存活到下一個(gè)生長(zhǎng)季而侵染新的作物。土壤中的菌核隨著連作會(huì)逐年增加，最終導(dǎo)致在該土壤中無(wú)法種植感病作物。黑色素也能促進(jìn)其它一些不形成菌核的真菌的存活。例如，雖然玉米胡麻斑病菌（Cochliobolus heterophus）的非黑色素化突變體仍然對(duì)玉米有致病力，但在土壤中它們卻處于競(jìng)爭(zhēng)的劣勢(shì)（Guil

15、len，1994）。同樣地，雖然小麥全蝕病菌的非黑色素化突變體在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)水稻有致病力，但它們對(duì)紫外線(xiàn)、裂解酶類(lèi)及抗生物質(zhì)更加敏感。這些特性無(wú)疑會(huì)使得它們最終在自然界消亡（Frederic，1999）。 黑色素對(duì)于孢子和菌核存活的重要性很早就為人們所認(rèn)識(shí)，但意識(shí)到黑色素在致病過(guò)程中起著直接而緊密的作用還是最近的事情。抑制黑色素的生物合成常常導(dǎo)致一些有趣的表型，但病原物為什么會(huì)因此而失去致病力還不太清楚。我們對(duì)稻瘟病菌黑色素在附著胞穿透過(guò)程中的作用了解的較多，但黑色素可能在稻瘟病菌-寄主互作過(guò)程中還起著其它的作用。最近，Araki和Kuruhasi（1999）報(bào)道新近開(kāi)發(fā)的黑色素合成抑制劑Carpropamid能促進(jìn)水稻受到稻瘟病菌侵染時(shí)植保素的產(chǎn)生。Carpropamid對(duì)植保素的影響可能（或沒(méi)有）與病菌中的黑素原產(chǎn)生有直接的關(guān)系。黑色素既然能保護(hù)