寄主病原物互作的生理生化基礎(chǔ)

1、第二章 寄主-病原互作的遺傳和生化基礎(chǔ)第一節(jié) 寄主-病原物相互作用的遺傳學(xué)基礎(chǔ) 1. 植物-微生物相互關(guān)系（1）附生（epiphyte)（根圍和體圍）（2）內(nèi)生 (endophyte) 寄生(parasite) 共生(symbiont)兼性腐生 兼性寄生 專性寄生Relationship between plant and pathogen 寄主和病原物互作可分為： 親和性互作 compatible： susceptible 非親和性互作 incompatible：resistance2. 寄主和病原物的遺傳變異 變異(variation): 指生物個(gè)體間在形態(tài)、結(jié)構(gòu)、生理和生化等方面的變異。

2、 可分為： （1）可遺傳的變異-指染色體結(jié)構(gòu)和數(shù)目的改變,包括突變 （mutation)和重組（recombination) （2）非遺傳的變異-與遺傳物質(zhì)無(wú)關(guān)，是在生長(zhǎng)過(guò)程中受 不同環(huán)境條件影響造成的。 基因型(genotype )-表現(xiàn)型(phenotype)Resistance variation: Vanderplank(1978)Vanderplank(1978)垂直抗性( (vertical resvertical res.).) 水平抗性( (horizontal reshorizontal res.).) Other terms: 小種?；苑切》N?；?race specif

3、ic) (non-race specific) 單基因抗性多基因抗性(monogenic res. ) (multi-genic res.)病原物致病性變異 pathogenicity variation 幾個(gè)概念 致病性(pathogenicity)：描述一種病原物引起病害能力的。（是一種定性的描述） 無(wú)致病性(nopathogenicity)：通常指該菌株對(duì)一種植物的所有個(gè)體（品種）均喪失致病力。 毒性(virulence)：指一定的病原物引起植物發(fā)病的相對(duì)程度，同一種病原菌中不同菌系對(duì)不同寄主或品種的毒性有所不同。（是一種定量的描述） 無(wú)毒性（avirelence)：通常表示一菌株對(duì)一種

4、植物的某些品種是無(wú)毒性的，稱無(wú)毒株。 致病性變異分量的變異和質(zhì)的變異 量的變異分強(qiáng)致病力菌株和弱致病力菌株 質(zhì)的方面變異稱為致病性分化 可表現(xiàn)為?；停╢orma speciales): 指在不同植物上的致病性分化。 小種(race)：一種病菌在同一寄主植物不同品種 上表現(xiàn)出的致病性差異。3. 寄主和病原物的識(shí)別(Recognition) 識(shí)別：主要表現(xiàn)為寄主-病原互作過(guò)程早期在細(xì)胞表面發(fā)生的特定反應(yīng)，對(duì)寄主植物的病理過(guò)程和對(duì)病原物的致病作用起到不同程度的促進(jìn)和阻礙作用 (key step leading to resistance or susceptibility）。 識(shí)別的類型： （1）

5、接觸識(shí)別(Recognition in touching)和接觸后識(shí)別 (Recognition after touch) （2）親和性識(shí)別(compatibility recognition)和非親和性識(shí)別 (incompatibility recognition) （3）一般性識(shí)別(general recognition)和特異性識(shí)別(specificity recognition )（1）接觸識(shí)別和接觸后識(shí)別 接觸識(shí)別：是指寄主與病原物發(fā)生機(jī)械接觸時(shí)引發(fā)的特異性反應(yīng)。 接觸后識(shí)別：是病原物在寄主植物上定殖后發(fā)生的特異性反應(yīng)。 （2）親和性識(shí)別和非親和性識(shí)別 親和性識(shí)別：能導(dǎo)致有效定殖和感

6、病反應(yīng)的識(shí)別 非親和性識(shí)別：使病原物侵染受阻和寄主植物產(chǎn)生抗病反應(yīng)的識(shí)別。 （3）一般性識(shí)別和特異性識(shí)別 一般性識(shí)別：指存在與非寄主植物和病原菌的互作以及其它不存在基因?qū)蜿P(guān)系的接觸早期階段。 特異性識(shí)別：指發(fā)生在基因?qū)虿『ο到y(tǒng)中的特異性互作。識(shí)別的機(jī)制 一般性識(shí)別在寄主和病原互作早期表面分子表現(xiàn)結(jié)構(gòu)互補(bǔ)并發(fā)生?；宰R(shí)別。 特異性識(shí)別中存在寄主和病原物的基因互補(bǔ)和產(chǎn)物的特異性互作。 例如真菌中的孢子與寄主植物表面接觸后，孢子在表面固定，促進(jìn)或阻止親和反應(yīng)的發(fā)展，以及真菌孢子的定向生長(zhǎng)均為一般性識(shí)別。 細(xì)菌識(shí)別主要由配體（ligand,也稱植物識(shí)別子cognor)和受體(receptor,

7、也稱細(xì)菌識(shí)別子cognon)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在植物表面兩種互補(bǔ)分子結(jié)合導(dǎo)致細(xì)菌在寄主細(xì)胞表面特異性吸附。(1)植物細(xì)胞受體 A. 果膠化合物：多為多聚半乳糖醛酸。 B. 植物外源凝集素（lectin)：復(fù)合糖蛋白，功能集團(tuán)是具有半抗原 性質(zhì)的多個(gè)糖殘基聯(lián)結(jié)位點(diǎn) C. 植物細(xì)菌凝集素(agglutinin)：糖蛋白或酸性多糖，功能集團(tuán)是糖 殘基聯(lián)接位點(diǎn)（2）細(xì)菌識(shí)別子 A. 脂多糖(LPS)： B. 莢膜多糖(CPS)： C. 胞外多糖(EPS)：識(shí)別的模式（Pattern of the recognition） （1）交叉橋結(jié)構(gòu)模式 常用來(lái)解釋寄主-病原物接觸識(shí)別中表面分子互作的。 通過(guò)植物外源凝集素

8、兩端的葡萄糖殘基分別與寄主根毛細(xì)胞壁和病原識(shí)別子結(jié)合。菌體根毛細(xì)胞壁外源凝集素根毛原生質(zhì)體 （2）激發(fā)子-受體模式 主要用來(lái)解釋寄主植物主動(dòng)抗性反應(yīng)中對(duì)病原物對(duì)病原物信號(hào)分子的識(shí)別和信息傳遞過(guò)程。 激發(fā)子：病原物產(chǎn)生的能激發(fā)寄主植物對(duì)其侵染產(chǎn)生抗性的物質(zhì)。 受體：是寄主細(xì)胞膜上接受激發(fā)子刺激信號(hào)并能使信號(hào)向胞內(nèi)傳遞的物質(zhì)。RrAaR-protein-Avr protein interactionSignal transductionActivation of defense-related genes in plantRefense response4.4.寄主植物和病原物之間遺傳和變異的相互

9、關(guān)聯(lián)性 （1）基因?qū)?Gene-for-gene Hypothesis) 植物對(duì)某種病原菌的特異性抗性取決于它是否具有抗性基因，即寄主分別含有感病基因（r）和抗病基因（R），病原分別含有有毒基因（vir）和無(wú)毒基因（avr），只有當(dāng)具有抗性基因的植物與具有無(wú)毒基因的病原相遇時(shí)，才能激發(fā)植物的抗病反應(yīng)，其他情況下二者表現(xiàn)親和，即寄主表現(xiàn)感病?；?qū)蚣僬f(shuō)在抗病組合中，植物有R基因，則病原物有非毒性 avr 基因植物R 基因受體 receptorRxrr病 原AxaaRS S S植 物Avrelicitor+_+_R S S S （2）小種：是病原物的種以下分類單元，它是根據(jù)病菌對(duì)寄主種或一

10、個(gè)種的不同品種基因型的致病性?；詻Q定的。 小種的數(shù)量決定于用來(lái)鑒定小種的一套鑒別品種中所存在的抗病基因的數(shù)量。真菌的小種通常依據(jù)其毒性，即它所能克服的抗病基因命名的；細(xì)菌的小種則依據(jù)其無(wú)毒性，即它所不能克服的抗病基因來(lái)命名的。（3）基本親和性： 表示病原物通過(guò)產(chǎn)生致病因子在感病寄主上所獲得的一種致病性關(guān)系。 一方面病原具有攻擊寄主的致病性生化因子，同時(shí)應(yīng)具有對(duì)寄主防衛(wèi)因子的適應(yīng)和解毒能力。 基本親和性在寄主種的水平上具有生物化學(xué)和組織學(xué)上的?；?。第二節(jié) 病原物致病生化因子Biochemical factors of pathogen for pathogenicityToxin Enzym

11、esHormones 1 1毒素( (Toxins)：(1)概念 由病原物產(chǎn)生，少量即可對(duì)植物造成直接傷害的小分子化合物?？稍谥参飪?nèi)轉(zhuǎn)移，與病害癥狀有關(guān)。區(qū)分幾個(gè)概念:毒性物質(zhì)（toxic substances):包括病原產(chǎn)生的毒素和植物產(chǎn)生的抗菌物質(zhì)。植物毒素(phytotoxins)：基本同于毒素，并沒(méi)有限制低分子量。攻擊素(aggressins)：含義較廣，包括對(duì)植物有害的病原代謝物，如酶、毒素、激素和決定遺傳的物質(zhì)。真菌毒素(mycotoxins)：只指由真菌產(chǎn)生的對(duì)植物有害的物質(zhì)。 （2）毒素的類型 A. 按產(chǎn)生的病原種類劃分為真菌毒素、細(xì)菌毒素和線蟲(chóng)毒素等。 B.按對(duì)寄主植物的選擇

12、性劃分為 寄主?；投舅?HST Host-specific toxins) 和非寄主?；投舅?NHST Host-nonspecific toxins) 。 A 寄主?；投舅?HST): 只對(duì)產(chǎn)生該毒素的病原的感病寄主表現(xiàn)毒性，而對(duì)抗病寄主或非寄主植物不表現(xiàn)毒性。多為致病因子（致病必需）。 主要由鏈格孢屬（Alternaria)、長(zhǎng)蠕孢屬（Helminthosporium)等真菌產(chǎn)生。 例如維多利亞毒素（HV-毒素，H. victoria）、T毒素(H. maydis)、HC-毒素(H. sacchari,甘蔗眼斑病菌)、AM毒素(A. mali，蘋(píng)果圓斑病菌)、AA毒素(A. alte

13、rnaria，番茄黑斑病菌)、AK毒素(A. kikuchiana，梨黑斑病菌) B. 非寄主?；投舅?NHST): 是一類對(duì)寄主影響不表現(xiàn)選擇性的毒素。毒素所為害的植物種類比產(chǎn)生該毒素的病原物危害的寄主要寬得多。 多為病原細(xì)菌產(chǎn)生，少數(shù)真菌（如Fusarium）可產(chǎn)生。 為毒力因子（加重病害嚴(yán)重度）而非致病因子。 例如：煙草毒素（tabtoxin)、丁香菌素（syringomycin)、丁香毒素（syringotoxin)、鐮刀菌酸（fusaric acid).（3）毒素的作用機(jī)制 A.毒素引起的癥狀類型主要包括：萎蔫（如鐮刀菌和輪枝菌引起）、壞死（如T毒素、梨孢素和鏈格孢素）、褪綠（長(zhǎng)蠕

14、孢素、菜豆素）、水漬狀（如刺盤(pán)孢素和多糖毒素） B.生理影響 影響寄主植物防衛(wèi)機(jī)制；細(xì)胞膜透性；影響酶活及促進(jìn)細(xì)胞中酶的釋放；促進(jìn)病原微生物在寄主內(nèi)運(yùn)動(dòng)；增強(qiáng)寄主的敏感性；促進(jìn)其它微生物二次侵染；光合作用失常；氧化磷酸化解耦聯(lián)。 C.作用位點(diǎn)：細(xì)胞質(zhì)膜、線粒體膜和葉綠體膜 D.毒素合成的調(diào)控: 受營(yíng)養(yǎng)和代謝兩方面調(diào)控，。2.胞外酶 在病原物攝取營(yíng)養(yǎng)和消解植物抗侵染機(jī)械屏障中起作用。 Enzymes：Resulting in necrosis and rotting （1）降解酶的種類 分為角質(zhì)層降解酶和細(xì)胞壁降解酶(CWDE) 包括： A.角質(zhì)酶(cutinase)，一種酯酶，催化水解角質(zhì)為單

15、體。許多植物病原真菌產(chǎn)生。 B.B.果膠酶(pectice enzyme) )，又包括：果膠甲基酯酶（pectin methylesterase) )、果膠水解酶( (pectin hydrolases) )和果膠裂解酶( (pectic lyases) )。 原果膠酶切斷聚甲氧基半乳糖醛酸和阿拉伯糖之間的化學(xué)鍵；果膠酯酶能夠分解水溶性果膠分子中的甲氧基（-0CH2）與半乳糖醛酸之間的酯鍵，形成半乳糖醛酸和甲醇；聚半乳糖醛酸酶能切斷果膠酸的-1，4糖苷鍵，形成游離的半乳糖醛酸,如圖示。 示果酸酯酶示聚半乳糖醛脂酶 C.C.纖維素酶( (cellulase),),復(fù)合酶系，包括：1,2-葡聚糖酶

16、（EG)，斷裂糖苷鍵； 1,4-D葡聚糖纖維二糖水解酶（CBH)，水解產(chǎn)生纖維二糖; 糖苷酶（ -G)，水解纖維二糖為葡萄糖。 D. 半纖維素酶，將半纖維素降解為單糖，包括木聚糖酶、葡聚糖酶、半乳聚糖酶等。 E. 其它酶類，如蛋白酶、淀粉酶等。 （2）.酶的作用機(jī)制 A . 降解酶在致病過(guò)程中的作用必須經(jīng)過(guò)一定的鑒定程序，包括：病原物在體外產(chǎn)生降解酶的能力，病原物致病力與產(chǎn)酶能力的關(guān)系，病原物致病力喪失與產(chǎn)酶能力喪失的關(guān)系，純化酶制劑重現(xiàn)癥狀和破壞植物組織結(jié)構(gòu)的能力，植物組織結(jié)構(gòu)和成分的變化與酶降解產(chǎn)物的出現(xiàn)。 B. 在致病過(guò)程中的作用：在病原物侵入、植物組織解離和細(xì)胞死亡中起作用。 C. 合

17、成調(diào)控：受底物和底物降解產(chǎn)物的誘導(dǎo)和抑制。3.病原物激素（HormonesHormones） causing abnormal growthcausing abnormal growth 生長(zhǎng)素(Auxins, i.e. indole acetic acid, IAA) 誘發(fā)腫瘤、過(guò)度生長(zhǎng)和形成不定根等，例如根癌農(nóng)桿菌、夾竹桃癭瘤病菌可產(chǎn)生IAA. 赤霉素(Gibberellins，GA），引起節(jié)間伸長(zhǎng)。如水稻惡苗病。 細(xì)胞分裂素(cytokinins) ，引起帶化、腫瘤、過(guò)度生長(zhǎng)及形成綠島。如根癌農(nóng)桿菌、豌豆帶化病。 乙烯（），抑制生長(zhǎng)、失綠、落葉和促進(jìn)果實(shí)成熟等，近60種病原菌可產(chǎn)生，如鐮

18、刀菌、青枯病菌 脫落酸，形成矮縮和落葉。如花葉病毒、青枯病和枯萎病等。 其它多肽類激素。 4. 病原物胞外多糖 是病原物（主要為細(xì)菌）表面和釋放到環(huán)境中的大分子碳水化合物。細(xì)菌中又稱粘質(zhì)或粘質(zhì)層。有利于吸附和吸收營(yíng)養(yǎng)以及抵御干燥，是重要的致病因子。 產(chǎn)生受遺傳因子控制和環(huán)境因子調(diào)節(jié)。（1）性質(zhì)和特征：多糖為主，有時(shí)包含多肽和糖蛋白。水溶性的，植物病原細(xì)菌產(chǎn)生的多為酸性。（2）致病作用A.形成特殊癥狀，如梨火疫病可堵塞維管束引起嫩梢萎蔫；可引起植物胞壁分離造成幼果死亡。假單胞多糖可吸水而表現(xiàn)水漬狀。B. 可抑制識(shí)別，而抑制抗病性。C.有些可起毒素作用。如梨火疫病菌素（amylovorin)。第三

19、節(jié) 寄主植物抗病性的生理生化特征 1抗病性的生理生化特征 抗病性與其形態(tài)、結(jié)構(gòu)和生理生化特征有關(guān)。 抗病因素的類型： （1）形態(tài)抗病因素 A. 植株形態(tài) B. 器官形態(tài),如花器、氣孔、皮孔等 C. 表皮結(jié)構(gòu)和植物毛 （2）細(xì)胞抗病因素 A. 細(xì)胞結(jié)構(gòu)因素如侵填體、凝膠、細(xì)胞壁修飾。 B. 細(xì)胞反應(yīng)因素，如過(guò)敏壞死、合成植物保衛(wèi)素及產(chǎn)生水解酶類。 （3）主動(dòng)抗病因素（Active resistant factors） 植物受到病原物侵染后產(chǎn)生或被激活的抗病特性（host response to pathogen infection）. 有局部的和系統(tǒng)的；有結(jié)構(gòu)的和生物化學(xué)方面的。 A. 結(jié)構(gòu)變化

20、（structure change ），包括細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)和維管束結(jié)構(gòu)變化，如乳突、周皮；凝膠和侵填體（i.e. Papilla formation under the penetration pegs） 。 B. 生化反應(yīng)（Biochemical reaction） ，包括抗菌物質(zhì)、水解酶類、細(xì)胞修飾以及過(guò)敏反應(yīng)（duction of phytoalexin, enzymes and HR upon pathogen infection）. （4）被動(dòng)抗病因素 （Passive resistant factors），植物固有的抗病機(jī)制（natural factors ），包括結(jié)構(gòu)和

21、化學(xué)特征方面，但不包括受侵染后才發(fā)生的。 A. 結(jié)構(gòu)因子，包括角質(zhì)層、蠟質(zhì)、木栓層、木質(zhì)素、硅和二價(jià)陽(yáng)離子等細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)（such as surface structures (epidermic thickening , lignification, etc.). B. 化學(xué)因子，如酚類化合物、生物堿和水解酶類 （1）植保素（phytoalexin） Small molecular compounds produced in plant upon pathogen infection(主要為類黃酮類和類帖物質(zhì)). Extent or degree of resistance is determ

22、ined by the production speed and the accumulation level of the compounds。 Resistant factors of plants （2）過(guò)敏反應(yīng)（hypersensitive response，HR） HR is an extreme reaction of plant to pathogen infection. It usually causes cell or tissue necrosis or death in the infection sites or periphery. The detail mecha

23、nism of HR has not been yet understood. We will discuss this topic in detail later. （3 3）病程相關(guān)蛋白）病程相關(guān)蛋白 （pathogenesis-related protein，PR）: : P R p r o t e i n s a r e s m a l l m o l e c u l a r proteins produced upon or induced by pathogen infection. This will be discussed later. （4 4）植物外源凝集素（）植物外源凝

24、集素（lectinlectin） Lectins are plant proteins which have affinity to sugar residues, and can cause agglutination of red blood cells or glycoproteins. Lectins are constitutively expressed ( (結(jié)構(gòu)性表結(jié)構(gòu)性表達(dá)達(dá)), ), and the expression level could also be induced in some cases. Lectins are usually located on the

25、 surface of cell membrane or cell wall, have their own biological functions in the cell life activities. At the same time, these proteins could kill cer tain fungal pathogens by acting ether as elicitors for phytoalexin production or bind directly with pathogen cells, inactivating the infection proc

26、ess. Lectins are abundant in germinating seeds, i.e. Radish seeds. （5）創(chuàng)傷反應(yīng)（wound responses) 植物受病原物侵染后引起一系列生理生化和組織結(jié)構(gòu)變化，再通過(guò)信號(hào)傳導(dǎo)引起一系列生理生化反應(yīng)。 (6)同工酶（isoenzyme) 是生物體內(nèi)催化相同反應(yīng)而結(jié)構(gòu)不同的酶。有50多種，如氧化還原酶、轉(zhuǎn)移酶、水解酶等，常用于寄主病原識(shí)別后的防衛(wèi)反應(yīng)研究?？共『透胁∑贩N中同工酶活性不同。 （7）噬鐵素(siderophore) 也稱鐵載體,指植物中對(duì)環(huán)境中Fe3+有特異結(jié)合能力的低分子有機(jī)化合物。如氧鎢酸類，鄰苯二酚類含氨

27、基的羧酸和植物噬鐵素。 功能是增強(qiáng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性和抗病性，尤其對(duì)熒光假單胞等一些病害。 致病性變異分量的變異和質(zhì)的變異 量的變異分強(qiáng)致病力菌株和弱致病力菌株 質(zhì)的方面變異稱為致病性分化 可表現(xiàn)為?；停╢orma speciales): 指在不同植物上的致病性分化。 小種(race)：一種病菌在同一寄主植物不同品種 上表現(xiàn)出的致病性差異。在植物表面兩種互補(bǔ)分子結(jié)合導(dǎo)致細(xì)菌在寄主細(xì)胞表面特異性吸附。(1)植物細(xì)胞受體 A. 果膠化合物：多為多聚半乳糖醛酸。 B. 植物外源凝集素（lectin)：復(fù)合糖蛋白，功能集團(tuán)是具有半抗原 性質(zhì)的多個(gè)糖殘基聯(lián)結(jié)位點(diǎn) C. 植物細(xì)菌凝集素(agglutinin)：糖蛋白或酸性多糖，功能集團(tuán)是糖 殘基