植物抗性響應(yīng)機制的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)

植物抗性響應(yīng)機制的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)摘要：植物的防御反應(yīng)被一系列復(fù)雜的信號分子和轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子調(diào)控。抗性基因（R基因）在識別病原菌和起始抗性響應(yīng)中起到一定作用。三個重要的信號分子，水楊酸（SA），茉莉酸（JA）和乙烯都調(diào)節(jié)R基因表達和基礎(chǔ)抗性的響應(yīng)。這些信號途徑已經(jīng)通過突變體研究了對病原菌的感病性或抗性，或?qū)@些突變體外部噴施SA,JA和￡丁。在不同信號途徑中的交叉反應(yīng)導(dǎo)致抗性相關(guān)基因的調(diào)整。復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)至少被八個不同的轉(zhuǎn)錄因子家族調(diào)控著抗性相關(guān)基因的表達。一些在相同啟動子上能誘導(dǎo)不同的轉(zhuǎn)錄因子順式作用元件可能誘導(dǎo)產(chǎn)生相同的抗性基因。這種復(fù)雜的抗性信號和基因表達使植物能成功的抵抗多種病原菌。前言：植物應(yīng)對病原菌的侵染通過復(fù)雜的適應(yīng)性的響應(yīng)。有的響應(yīng)是組成型的表達或病原菌非特異性的，但是大多數(shù)是通過識別病原菌的特性后誘導(dǎo)的。植物依賴于這種復(fù)雜的響應(yīng)，可能死于病原菌的侵染（親和反應(yīng)），或者阻止病原菌的侵染（非親和反應(yīng)）。R基因的表達產(chǎn)物會識別病原菌的avr基因從而啟動抗病反應(yīng)°R-avr結(jié)合會造成細胞新陳代謝改變。早期的響應(yīng)是Ca信號產(chǎn)生活性氧和蛋白激酶。接下來，編碼信號分子或與這些分子相關(guān)的抗性生理和代謝的轉(zhuǎn)錄因子增加。已知的不同的R-avr信號途徑交匯到一點，經(jīng)常導(dǎo)致相同的目標基因表達。植物的抗性反應(yīng)通過下游信號因子的積累，如SA,JA,ET，而這些因子又通過加強細胞壁、木質(zhì)化，產(chǎn)生抗毒素和局部細胞死亡反過來調(diào)控抗性反應(yīng)表達。植物的這一套事件導(dǎo)致抗性的表達。通過對擬南芥抗性相關(guān)基因突變體的研究可以了解在R基因識別和防御反應(yīng)的表達中下游信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)。通過確認這些突變體出現(xiàn)了增強感病性或抗性可以使我們了解SA,JA,ET的信號途徑。另一個植物激素脫落酸（ABA）也在抵御病原菌中起到作用?？剐皂憫?yīng)包括有著不同路徑廣泛的信號放大和交互途徑的復(fù)雜的信號網(wǎng)絡(luò)。近年來，cDNA微陣列已經(jīng)用于抗性誘導(dǎo)基因表達的研究。此項技術(shù)可以用來對病原菌誘導(dǎo)的信號分子基因的表達即SA,JA,ET。一大部分基因在抗性響應(yīng)中對其他基因起到暫時和空間調(diào)控的作用或者編碼轉(zhuǎn)錄因子。轉(zhuǎn)錄因子屬于一個大的基因家族而且誘導(dǎo)抗性相關(guān)基因的表達。本綜述了病原菌誘導(dǎo)的抗性響應(yīng)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。對模式植物擬南芥的各種突變體的研究證明了本文中提到的大多數(shù)路徑。R基因信號途徑在病原菌識別中R基因起到很大的作用。當R基因的產(chǎn)物識別與病原菌avr基因時便引發(fā)基底的和特殊的抗性響應(yīng)。R基因的產(chǎn)物是多態(tài)性的而且在擬南芥中是受100多個位點的多基因家族編碼。大多數(shù)已經(jīng)確定的R基因都編碼一個細胞內(nèi)的蛋白。這個蛋白在C-段包含一個亮氨酸豐富的核糖結(jié)合位點(LRR)。R蛋白與的膜結(jié)合或許是在細胞質(zhì)中，它參與病原菌的識別，導(dǎo)致在病原菌侵入的位點的超敏細胞死亡。一些R-依賴的信號途徑已被證實在下游調(diào)控因子上有不同之處。一些下游調(diào)控因子有脂肪酶類似蛋白，未知功能的膜結(jié)合和一些蛋白依賴的蛋白降解因子。一些R基因誘導(dǎo)的信號在早期交匯到一點以此導(dǎo)致與防御響應(yīng)和信號途徑有關(guān)共同基因上調(diào)。在植物中已確認了調(diào)節(jié)防御響應(yīng)的三種關(guān)鍵信號分子分別是，SA、JA和ET。它們的功能已通過突變體進行研究。SA信號途徑已知在植物發(fā)生局部或系統(tǒng)抗性時SA會積累。在抗性響應(yīng)中起到重要編碼病程相關(guān)(PR)的蛋白的轉(zhuǎn)錄將活化，PR蛋白可以作為是SA激發(fā)下游信號的一個有用的參考。人們利用突變體對SA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑進行遺傳分析。這種突變體顯示了SA誘導(dǎo)的PR蛋白的表達缺陷。在一些突變體中沒有出現(xiàn)SA的積累(eds4,eds5,pad4,sidl,sid2)，然而其它的突變體(nprl,sail,nim1)SA信號受到影響，因此它們對外源噴施SA不敏感。這兩種突變都增加了對病原菌的敏感性。另一方面，有些突變體表現(xiàn)出穩(wěn)定的PR基因表達，從而導(dǎo)致SA積累增加(cprl,cpr5,cpr6).這些突變體表現(xiàn)出對病原菌的抗性。能表達出細菌羥化酶(nahG)轉(zhuǎn)基因植物會導(dǎo)致SA水解成水解成兒茶酚從而抗性降低。人們也運用與SA相關(guān)的突變體來分析SA在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的作用。雙突變的研究可以進一步研究SA在抗病信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的作用。在eds和cpr的雙突變體表現(xiàn)出對一種病原菌的抗性但對另一種沒有作用，表明了對這種病原菌有兩個不同的SA依賴的信號途徑，一種依賴NPR1，另一種不依賴NPR1。Tafrk1Defeiji^-reldLed.iniikLnLa-d.([ea.edInSA.J紋由11口里MiikinLa-l^cmark^cmucnc；1prcild□/phenuLypcKcfcrcnucMutnj;ckhiurKijd]<iisceptibilri?i-ti*pmhi猝做Nolux:Limuliiti-onaf￡A找M:enhanced bility4enhanceddjxzis占 bility§出｝:SA.iriducticn-deficient1耘上fiAmductifTi-dcficient2況直：phytnaJac[卜場亡物七4-死七bi-a^mthe&kHpm?-lik：￡pr-ola-nP-aiibvBTejzu.h.lorforind/ucticinof&As^-tithesisDjpMAjs-lik-=protein(tofenundAuiiibilNxiwrithmidMetrilu.J慎榆).("■l^ebrnnke1hL(盹W7)SA-inicnsiliv^邸尸」：noiKiprcsiorofPRcenes湖M:ncni-inducihleiTnmunity血戶：SA-inseifittiwAlldic.AnkyrinrqxatcxintaininEproteininterajctiiiEwithhZJPIranstripticri以廿心侶CaoclsJ.睥蝴UulaneyHil.(Il聘，人ShahetaJ.(I997)Mutiiat^^hiKVi-i?｝*電曲urwijdl「e若成腳c“i■華口也pLidMi-^enEnhiuiceJSAiLucmnLiJME■cpvl:c-ar^titutiv^expreidojiofPRuenes GARe-tpicueda-cnstitnth'skifprJ:cnmldtLitiwe己KprESjdfninfjP/2j/enes ^p-n-nt^inifinijxl-IR-Hkiel?.inTiE；rprrf:cnnttitLitiweespreMi-n-nnPPRtrenffs marlcfirocn-s.Fr-rmJApa.thwjiykl^uiecpfcsAfidSprTTt^inefiUKkATiTlfnmvifinnMk1es.iflTi-tiniulHtTi￡diicnse N耶thwTe￡iihtn「nfcellde-flthks.irri-^inii]lHtTi￡diicsse ehinc-ffimctinnmofatinTidefcnECnodeath1 <jadcsfar ULtlectide-debriDenodcith2 dependent^tedian-chaniEl皿狂ajuueleralcdcd1death5 ijanitilutiveiucti^itianofaewjal血&:Jjuceleraledcdldeath6 drfencimarkers.SA-dep?rdent;_MkhypmeTi&iti?response-hkele&kiTi1 ajcuimulitionofR.0SCjanitTlutiveexpraiKinofSA-ETi'JAdefencewncsMutaitscxpresaitjiHRhmrertS.AR曲｝:defectiveinindixjedrr&istanue Encedesb102anrinaacidprotein;時上iuppresficrcfSAiT^ensitrvity8 simMrtonon-speatic:lipidan.:suppressor<ifnprlindudbk1 traniter-likeproleiTiJ:coratitutiv^ resjilarti SA.-dependent.NPRl-in<fcpendentSA-dep-endent.aciad-awmtreajncfSAandNFRI<jod￡&foraspeirticproleiTiaiccn/ymeinvoJ心.in化回and.tjitemkjjctrvati>nncfdefieric?*ne&ClurkeelnJ.『瓣&也好J)H-nwIinffCtal. 1SW7)Dittrichrtal.(1W4),Wrymairnela1. fiTrenbrrj!(2001)￥uctaUlg,CiwenheTi!ctJ.(20(X1),Ra.beetaJ.(1翔),Devadasetml.Q明J)SwukielaJ.Deliney(2WX)).Lietb\.(1^99).5u7iik:iclid.(2<?4iSA非依賴的信號途徑盡管SA在植物的防御反應(yīng)中是一個重要的信號分子，但是一些阻礙SA信號傳遞的突變體也有抵御病原菌侵染的能力。而且，PR基因的活化與SA的積累水平不總是一致的。這表明，可能存在誘導(dǎo)PR基因的另一條信號途徑。在一些試驗中病原菌的浸染會會造成JA和ET的增加。在HR表達過程中，與JA和ET合成相關(guān)的兩個基因脂肪酸合成基因和ACC合成基因都上調(diào)。外源噴施JA或ET會導(dǎo)致PDF1-2和Thi2-1的表達，這兩個基因在病原菌侵染時分別編碼防衛(wèi)素和硫素。這些基因因為不會導(dǎo)致SA的響應(yīng)所以可以作為JA和ET的標記。在植物受到食草動物傷害或根際病菌侵染時JA、ET會積累，它們的表達會減少病害癥狀這與系統(tǒng)獲得抗性類似。根接種熒光假單胞桿菌(Pseudomonasfluorescens)會激發(fā)SA或JA/RT依賴的途徑。早期發(fā)現(xiàn)SA信號突變體nprl會阻止SA依賴的信號途徑，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)還阻止JA/ET信號途徑，表明NPR1不但在SA信號傳遞中起作用而且在JA/ET信號中起作用。對JA或ET不敏感的突變體用于對JA/SA信號途徑的分析。這些突變體包括乙烯受體1突變（etrl），組成三突變體（ctrl）和乙烯不敏感突變體2（ein2），所有的這些突變體都影響ET的信號途徑。另外還有毒素不敏感型突變體（coil），jarl（JA抵抗型）和JA敏感型突變體（jin4），這些都影響JA的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。這些突變體都表現(xiàn)出對病原菌的敏感性。npr1,jar1或npr1,ein2的雙突變體也對病原菌敏感。這些突變體表現(xiàn)出PRKSA誘導(dǎo)）表達的完全缺失和PDF1-2（JA-/ET-誘導(dǎo)）。因此，JA/ET在局部抗性表達中起到一定作用。hrll,etrl和hrll,coil的雙突變在出現(xiàn)病變的葉子上體沒有發(fā)現(xiàn)PR1基因表達的減少，但是在沒有病變的葉子上PR1表達受阻而這會增加感病性。這些結(jié)果表明在植物由局部抗性到系統(tǒng)抗性轉(zhuǎn)化過程中JA/ET起到一定作用。最近人們發(fā)現(xiàn)ABA在抗病響應(yīng)中起到一定作用。外源噴施ABA會增加植物對病原菌的感病性，這表明ABA是抗性響應(yīng)的負調(diào)節(jié)因子。ABA的信號因此表現(xiàn)出對JA/ET信號途徑的拮抗。但是在感病早期ABA通過快速形成肌胝質(zhì)從而增加對病原菌的抗性。Table2Defeite-relatcd.rnutantsiiffactaiinJA.ETand.ABAdgnalliTij;MutantsRemarksongendprabein/phenotypeRcferCTi?JA.iiETiaJHiij!odH:caronatinc-iriirnsitrvc1CedesforinKboxprolan;plijiarcleinubKiuitinatiDnand.auxinproteisome她naJImgpathwayEctiJ.11^4j.Xiectd(1JD8)Jar/:jiarnonatere戒tance項禎4:jasmonicCedesfarJATncidif>inEenzymesSLx<nickelil.1；1W2,2001'.He磬rHiJ.lirjiii珈用o.w}phjtodieridGaddreducia&e3*(oratophytodienciGadd.reductaseStintiandBruw&cMronitine-infiCTiiitire1iuppressarrestorercoil-related,phencrlypeXimelil.㈤4)ETsignailing前起：ethylenc-iTiEensTtrwSupprasesmducticuofPUFl.2andIhiS.l; fartran&criptionactivator<■Lumanand.Lxkcr(195()).Bertctal.。豹丸AJun&octal.(1999).(Jarbeelal.(2WX)jconititutivetripleresponseCicneencxxle&anegitiwregulatorofclhjlcneiignaliriE；wtfcsfcrRifpratdnkinaic-likcproteinkiehcrctal.(L993).LiwtonetaJ.(1994).McCourt(W9)但E":ethylenetnpleresponseCedesfarETretjrplor^irnilartohi&tidinekin皿Chiuigetal.(1993).RnninclcxctaJ.(199*]ABAMjjnallingahiJ-/:Aug-insensitivea/w-/:AISA-defkzienlSer/IhrprateinphctphataicNcgati>BerrgulatorcfABAsignallingBertduchectd. AJIenelaJ.〔1。免)koaiTlTKefCt11.(吟陀1血-2：ABA-dcrfkicnlMuiati口口inSDRl^enewhkha&hartchsdrideh>draUEiuK'rcdL^ta^Einvolved,inAHAbja&yrrthe&kLe€in-Klo￡i&l￡i7iel沮d.(1更響'ChoigetaJ.[古用2)防御信號途徑的交互作用由SA,JA,ET,ABA等信號分子引發(fā)的抗性并不是獨立的，而是一個復(fù)雜的信號網(wǎng)絡(luò)。不同路徑之間的介導(dǎo)可以通過以下方法。1不同路徑中共享的因子例如NPR1,介導(dǎo)了SA和JA./ET的信號途徑。2同時調(diào)節(jié)不同路徑的因子例如在編碼組成型抗性的突變體中誘導(dǎo)PR1和PDF1-2表達的因子。3一種途徑的因子是另一種途徑的負調(diào)節(jié)因子。例如，ABA阻止SA誘導(dǎo)的防御，或者SA阻止JA誘導(dǎo)的防御響應(yīng)。4信號分子之間的協(xié)同作用。例如，JA/ET會增強SA誘導(dǎo)產(chǎn)生的抗性。ET和JA之間的協(xié)同作用也有過報道。5增強一種途徑但是對另外一條沒有誘導(dǎo)。例如，在突變體中JA/ET被誘導(dǎo)但是SA途徑被阻遏。特殊路徑的誘導(dǎo)是也是病原菌依賴的。因此，SA途徑主要誘導(dǎo)生體營養(yǎng)型病原菌的反應(yīng)，然而JA/ET途徑誘導(dǎo)尸體營養(yǎng)型病原菌的抗性。植物能明顯的用不同途徑來應(yīng)對不同的病原菌。P”1K彌mRfljiijitsiiee ItesintaiiceE;Ll!.1M(^1^1土UH’ingirnmdion，瓦1%'妃己口v^ricmtponcnti;(?f山七Miwl 骯gnMLiri*pwhwMys-Ar「gw*in-dknlcinducLi^nLin』birj;incl/HtrinhibiliDn.Rnc-medinLedsitiniilliny:sup2rLmpnw.'h.“nLlicbitJi-LildefencepHfhwHyLtndhitsbeenJihotvnbyhittihudline%.InicrLtclu^ns.Ixuvucnkty3虺millingmt^cuulc^,MtlicylicitcLd(SA),■ii^monLiljc[JA),cltiylcnc itnJLtb^ci^ichlidfABA)hLivebeenin-dkLticdbyh(?Ltllines.Inhibil-orsof defencepi-tthwitys,wheremmin5『呻L：^n^uhluyc of「csiMiiniJcintikHKiiinLlnlics.rIhephenotypicpre?LeinsLorcxpixr*jj。。olreh-LsUtneenlitiicly,PRLPDIT.lnnJTH[三.1,LnducudbySA,JALindETpMhEq*「MpucU件ly?haltb<.icnunderlined.1hismrxJcIl、bgctloncLtrllcrrcport-utlmbytiki^cbr^d-kf2C(jl)unJKunfcclHndBmokif2(j02)抗性信號中的轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄因子是序列特異性的DNA結(jié)合蛋白可以調(diào)節(jié)基因表達。轉(zhuǎn)錄因子在下列基于DNA結(jié)合域的基因家族中調(diào)節(jié)抗性基因的表達。1WRKY家族這一家族的轉(zhuǎn)錄因子是植物所特有的，包括72個成員.WRKY蛋白有1-2個含有60個氨基酸的WRKY域。DNA的結(jié)合區(qū)域在一個稱作W-box的的保守區(qū)域,這個接合域結(jié)合在許多植物抗性基因的啟動子上。許多W-box都在一個單一的啟動子區(qū)域，表明WRKY蛋白可能有協(xié)同作用。WRKY基因可以被病原菌、細菌、真菌甚至是信號分子如SA和JA誘導(dǎo)。R基因的產(chǎn)物RRS1被發(fā)現(xiàn)有WRKY域除此之外還有TR-NB-LRR域，表明直接R基因的產(chǎn)物可以調(diào)控WRKY產(chǎn)生病原菌的識別。ERF家族這一家族的轉(zhuǎn)錄因子也是在植物中特有的而且包含擬南芥AP2/EREBP146個成員的56個。這些成員包括了一個稱作GCC-box的保守序列。這一序列也在病原菌和SA,JA,ET誘導(dǎo)基因的啟動子區(qū)域出現(xiàn)。我們已經(jīng)知道R基因的產(chǎn)物可以誘導(dǎo)這一家族的多個成員。在番茄中