1、植物抗病信号传导途径与其相互作用第 26 卷第 3 期南京林业大学(自然科学版)v0I26.N.32002 年 5 月 JournalofNanjingForestryUniversity(NaturalSciencesEditi0n)Mav.2002植物抗病信号传导途径及其相互作用陈英.黄敏仁,诸葛强,王明庥(南京林业大学杠不遗传甸基匿工程重点实验室.江苏需京 2100371摘要:植物与病原物长期的互作过程中产生了一系列的防卫反应 .其中系统获得性抗性(SystemieAcquiredResistance.SAR)和诱导性系统抗性(InducedSystemicResistance.ISR)
2、是植物抗痛信号传导途径中的两种重要形式它们分别由植物内源信号分子 SA 和JA/Et 作介导,两种信号的传导途径之问既相互独立卫相互联系.协同作用.从而使植物作出对自身伤害最小却叉最为有效的防卫反应.笔者就 SA 依赖性信号传导途径和 SA 一非依赖性信号传导途径的分子生物学研究进展.以及两种信号传导途径间的相互作用等方面进行了综述.关键词:系统获得性抗性;诱导性系统抗性:信号传导中围分类号:$722 文献标识码:A 文章编号:l0002006(2002)03008506SignalingPathwaysandInterplayinPlantDiseaseResistancecHENYing.
3、HUANGMinren.ZHUGEQiang.WANGMingxiu(TheKeyLaboratoryoresIGeneticsGeneEngineeringNanjingForestryUntversily.aing210037,China)Abstract:Plantsareconstantlybeingchallengedbyaspiringpathogens.Plantshave,inturn.evolvedresponsesystemsthatdecipherpathogensignalsandremaintheinvasionlocalizedandinduceappropriat
4、edefenseresponses.Theactionofsmallsignalingmolecules,suchassalicylate,jasmonateandethylene,isveryimportantinthesignalingtransductionpathwaysandpantdefenseresponse.Theinterplayofsignalsprobablyallowstheplanttofinerunedefenseresponsesinbothlocalandsystematictissues.Thisreviewdealswiththereseachprogres
5、sofSAdependentandSAindependentsignalingtransductionpathwaysandtheirinterplay.Keywords:Systematicacquiredresistance(SAR);Inducedsystemicresistance(ISR):Signalingtransducton植物在与病原物长期相互作用,共同进化过程中产生一系列防卫体系,从而有效地抑制病原物对自身的侵害.当植物受到病原物侵染时.侵染部位通常会在几小时内形成局部细胞死亡,限制病原物的增殖与扩散.称为过敏反应(HypersensitjveResponse,HR)11.
6、过敏反应几天或一周后整株植株会对其它病原物产生抗性,称为系统获得性抗性(SystemicAcquiredResistance.SAR)21.植物非病原菌株如荧光假单胞菌(Pseudomonasfluorescens)与植物互作时会诱导植物产生另一种系统性抗性,Pieterse等称之为诱导性系统抗性(InducedSystemicResistance.ISR).ISR 对病原真菌和细菌同样具有广谱抗性,在植物抗病反应过程中.抗病信号必须由内源信号分子从受侵染部位传导至整株植物,引起相应的系统性抗性,因而内源信号分子在植物抗病信号传导途径中起重要作用目前研究较多的植物内源信嘘稿口期:2001 一】
7、?一 0B 修叫日埔:!so203I基金项目:汀苏省高新技术资助项 H1BG2001312,作者简舟:陈萸(1973 一). 宜 ,川宜宾.南京林业太学林木育种专业博士生南京林业大学(自然科学版)第 26 卷第 3 期号分子是水杨酸(salicylicacid,sA). 茉莉酸(jasmonicacid,JA)和乙烯(ethYkne,Ft).SAR 和 HR 需要 sA 介导,称之为 SA 依赖性遮径(SAdependentpathway),这一途径中 PR1 蛋白坼同表达;ISR则是通过植物激素 JA 和 Et 介导.Morriseey 和 Oshourn 用 JA 和 Et 处理可降解sA
8、 转基因拟南芥,诱导产生了系统性抗性,说明该途径与 sA 尤关.称之为 SA-依籁性途径(SA-ind印 endenpathway)笔者综述了植物抗病信号传导途径,机理方面的新近研究结果,重点比较了 SA 一和 JA/Et依赖性的途径及其间复杂的信号传导网络+期为植物抗病育种和抗病基因工程途径提供有益线索.1SA 依赖性途径SA 在 SAR 和植物抗病方面极为重要当烟草或黄瓜受病原菌侵染后,SA 含量成倍增加,诱导产生 SAR,说明 SA 的积累可作为一种内源信号 ,使局部抗性转化为 SAR.有研究表明 SA 不是长距离信号分子,且少量的 sA 不足诱发 SAR 因而 SA 要诱导产生 SAR
9、.必须要在信号传递下游有一个长距离信号分子协同作用.有证据表明 H!(是继 SA 后的第二个信使.Chen 等从烟草中鉴定出一种可溶性 sA 结合蛋白(SAbindingprotein,SABP).具有过氧化氢酶活性“而 SA 和具有生理话性的 SA 类似物能抑制该酶的活性.导致了H:O 水平升高.激活 PR1 基因表达.建立 SAR 余迪求等发现能 SA.启动脂质过氧化反应并修饰其它大分子,诱导脂质过氧化,进而激活抗性基因的表达:动力学和光谱学方面的研究表明.SAf为电子供体为过氧化物酶提供一个电子,使其处于相对不活跃状态,从而抑制该酶的活性,而 SA 转变成带CompoundI(FeIV)
10、,SASACompoundII(FeV)脂质过氧化图 iSA 与脂质过氧化间的关系Fig1InterplayofSAandlipidperoxide有一个电子处于氧化状态的 SA.过程如图所示“而有报道认为 H:0:不是 SAR 的第二信使因为 Neuenschwander 等发现未被病毒感染的建康烟草叶片中.SAR 基因表达量并未随 HO 水平的提高而提高且用 H(浸润烟草可诱导 PRl基因表达,但 1mo/I 的 H0 不能明显诱导 NahG植物 PR1 基因表达.说明由 H!o 介导的 PR 一 1 表达需要 SA 的参与 IVII 七 0n 和 Summermatter 分别在烟草和拟
11、南芥中发现高浓度 H:可诱导 SA 合成.表明 H!可能通过诱导 SA 激活 PR1(pathogenesisrelatedprotein)基因.为了深入了解 SA 在植物抗性反应中的作用.很多研究中采用与 SA 水平有关的拟南芥突变体为研究对象拟南芥 PAD4(phytoaexindeficency)基因的突变体对亲和性菌株 Pseudomonassyringae 敏感性提高,积累 SA 和 camalexin(-种抗菌的内源植保素).Jirage 等克隆了 IAD4 基因一.该基困编码与 EDS1(enhanceddiseasesascepbilky)同类的脂肪酶.其活性与植物抗病信号传导
12、有关此外P.syringa 侵染拟南芥时 SA 的积累也需 EI)S1 参与虽然 EDS1 和 PAD4 处于 SA 积累途径的上游(图 2).其 mRNA 的水平却受 SA 的调节Nawrath 和 M6traux 得到没有 SA 诱导缺陷型位点 SID1,SID2 的拟南芥突变悼,该突变体受病原苗感染后 SA 含量减少 sid 和 PAD4 都能提高一RRPPI.RPP5.RPS4RPS2.PRS5(RPP7),RPP8TIRLZLZ图 2 拟南芥中 s 介导信号传导途径Fig.2SAmediatedsigoalingpat)vaysinArabidopsls【)s(prlroerbind
13、ingsitemutam).引物结合位点 IRPP(reslgenest.尸p.pumaizia).抗寄生霜霉基因 IRPS(resist 一gtoPsyrin,geaj 抗丁香霜霉基围:NB(nudmtdtbi,dinRsite)棱苷酸结合位点:JRR(eueinmrichrepea1)富亮氪酸复序列:TIR(Tol!,interleukm1receptorhomologyregionToll,lntereuk:n 受悻娄似结构eds(enhanddiseases 时/:epbiktymu:ants)感病陛增强寰空悻sid(salicylicaddmdmmnfwiemnutals)水橱酸诱导
14、缺陷型赛童体apt(nonexpressor0fPRtiesutants)PR 基园非表达突变体NahGtllcyichydroxylagene).水杨酸水解酶基目SS2002 年总第 99 期陈英等:植物抗病信号传导途径及其相互作用植株对致病菌和非致病菌的敏感性.但 sid 不是 camalexin 积累缺陷型,这说明信号传导途径下游有分叉.研究表明 PAD4 是 SA 积累的调控元件.而 SID1 和 SID2 可能编码直接控制SA 合成的蛋白.互补实验证明 SID1 和 EDS5 是等位基因.具 J 谱PAD4.SID1/EDS5(enhanceddiseasesusptihilitv)
15、和SID2 均为 SA 积累缺陷型.说明 SA 依赖性植物防卫反应为多基因控制.NPR是拟南芥抗病信号传导途径下游控制 SA 积累的关键基因.也足 SAR 的一个中心元件 ,通过对不同植物防卫反应和突变体背景间关系研究发现,NPR1(NonexpressorofPRgenes)是抗性途径下游的一个多功能调节子和SA 依赣性途径中的分支点.如 NahG(sailylichydroxylgsegene)存在.Erysipheorontii不能激活 PR 一1 基因.但在 nprl 中其作用仅部分抵消 0.NPR 有一段锚蛋白重复序列.参与了蛋白质互作,这种普遍存在的修饰作用正是 NPR1 起作用的
16、分子基础.病原菌一特异性信号控制NPR1 在多途径中的调节作用,NPR1 和其它蛋白质发生选择性的协同作用从而激活一系列 SAR 基因最近研究发现,NPR1通过锚蛋白重复序列与转录因子 TGA 家族成员相互作用.细胞学定位研究发现 NPR 一 1 定位于细胞核支持这一模型洋葱瞬间表达研究表明 SNI1 也定位于细胞核.未经处理的snil 或 snilsprl 拟南芥对毒性菌株 Psyringae 或 P.parasiticn 抗性没有增强.这说明需要非依赣性 NPR1 和SNI1 的激活步骤.因此,SNI1 可能对 SAR 具有转录阻遏蛋白作用,而 SA 能激活NPR1 可以解除SNI1 的抑
17、制作用,从而使 TGA 家族转录因子激活 PR1 表达2SA 一非依赖性途径(JA/Et 依赖性途径)几个独立的研究均发现植物抵抗病原菌侵染时需要植物创伤反应调节子 JA.同决定绝对的植物抗性或感病性表型相比.Et 的作用更多的是控制病害症状 Et 反应调节子EIN2(ethyleneinsensitivegene)的突变体可导致拟南芥对病原真菌 Botryti.cinerea 感病性增强.因此.Et 途径可根据植物与病原菌互作的特异类型促使症状朝正或负的方向发展.Alternariabrassicicoga 导致拟南芥产生坏死斑,激发内源 JA 和 Ft 水平提高,PDF1.2(plantd
18、efensln1.2)累积,对 A.brassicKola 有抗性对影响 JA,Et 和 SA 途径的拟南芥突变体进行研究,对其受 A.brassicicola 侵染产生的 SAR 进行遗传学分析和 PDF1.2 表达进行量化( 图 3)一.外源 JA 和Et 同时存在可诱导 PDF1.2mRNA 和蛋白质水平提高,但 sA 却不能昕有 nprl 或 NahG 的 PDF12表达或对 A.brassieola 的抗性没有影响 .而 JA 的反应调节子 Col的突变体却没有抗眭.且累积PDF1.2mRNA,这正是 SA 非依赖性抗性机理一病原菌不能诱导 ein2 表达 PDF1.2.不产生抗性.
19、这对 PDF1.2 在植物病原菌互作中作为抗真菌代表的重要性颇有争议.camalexin 的合成主要由 Abrassicicola 侵染诱导 .用 Et 和 JA 处理挡【南芥不能诱导 camaexin 合成.而 SA 积累却是诱导 camalexin 所必需的.但效率不高 .PAD3 基因编码一种细胞色素 P450 单加氧酶 .该酶与玉米中催化吲哚衍生次生代谢物的合酶相似.说明 PAD:极有可图 3 拟南芥受 Aternariabrassicicola 感染后抗病信号传导Fig3SignalingJnthessreresponseofArabidopsistOAlternariabrassi
20、cicolaR()I(reactiveoxygenime*media*es)过氧化卉导;PAD(phy:oalexmdefimencygenes).植保素缺陷型基因;Jmvb(JAinducedresistanmgene)J_L,_瞒导抗性基因;PDFI.2(plantdefensin1.!)植物防御素 l2:ETR(etlene口 I.rgene).乙烯受件基阴:EJN(h1rkn 哪r】坩 gone)己烯非敏感性基因能编码 camalexin 合酶 Thomma 等“和 Glazebrook 等均发现 pad3 对A.brassiticola 较敏感,但对同样可诱导 camalexin 台
21、成的病原菌 P.yring“pv.m“culicol“的侵染却没有反应.虽然 camaLexin 在其它植物与病原菌互作中的作用仍不清楚.但很明显在拟南芥与A.brassicAola 互作过程中cmalexin 是一种起决定性作用的抗真菌化台物.因而通过对拟南芥与A.brassicitola 之间防卫反应信号传导的研究,更好地了解植物对不同类型的病原菌侵染作出不同的防卫途径.87南京林业大学(自然科学版)第 26 卷第 3 期I.ee 分离和克隆了一个病原菌和 JA 一诱导的水稻抗病基因 JAmyb(JAinducedresistance).编码Myb 转录因子真菌感染 1d 后即可诱导 JA
22、myb 转录,产生抗性,参与坏死斑形成.在细胞死亡和坏死相似突变体坏死斑形成时也明显地观察到 JAmybJA 和伤 VI 可迅速诱导JAmyb.而 SA 和 SAR诱导子却不能.这说明 JAmyb 与寄主细胞死亡有紧密的联系 ,并且参与了水稻的JA 一介导,SA 一非依赖性信号传导途径3 植物防御反应信号传导途径的互作SA 一依赖性和 SA 非依赖性植物抗病信号传导途径间如何产生交叉作用,已有研究发现植物能对特定的病原菌作出最为合理的反应.以便激活适当的防卫反应.如前所述,信号分子 SA 和 JA 参与不同的信号传导途径.但大量研究表明创伤处SA 和 JA 诱导的基因表达间存在拮抗作用 1Jl
23、 因此植物可通过动力学微小差异累积或特殊信号传导分子的运输及时进行有效的防卫反应.Reymond 和 Farmer 提出一个精确刻度 (tunabledia1)模型对交叉途径作出准确的描述.通过信号分子问相对浓度的变化产生协同或拮抗作用.拟南芥确实可同时激发 SA 一依赖性 SAR 和 JA/Et 一依赖性 ISR 反应.提高植物对病原菌 P.syrlngaepv.tomato 的抗性.用标记基因 BGI2(编码一种葡聚糖酶)标记组成型 SAR 时发现,隐性 cpr5(consistiveexpressionofPRgene)和显性 cpr6 组成型合成高水平SA,还同时表达 SA 和 JA
24、一依赖性标记基因“J,对病原菌 P.syringae 和 P.paraMti有抗性,以上表型均为 SA 一依赖性,其差异仅在是否需要 NPR1Shah 等在筛选 nprl 抑制子时发现显性 ssi1 可完全避开 NPR1 的作用,而 ssi1SA 依赖性方式组成型表达 JA 一依赖性标记基因 PDFJ.2】这可能说明野生型 SSI1 蛋白与 CPR5/CPR6 共同参与 SA 或JA 一依赖性途径间的信号联系(图 4),SA 依赖性途径可从 NPR1 处解离.遗传学也表明存在正向和负向调控开关(调控 SA 和 JA 依赖眭防卫反应间的相互作用)在 HR 反应中,要有效地激发防卫反应,使死亡细胞
25、控制在一定区域,则需要正向和负向调CPR1COL1EIN2ETR1固 4SAR 和 ISA 信号传导途径及相互关系Fig.4InterpayofSA-andJA/EtmediatedsignaingpathwaysJARQasmmdeacidreptorgene).茉莉醛受体基因;ETR(eyhy 卜朗 ereptorgene)乙烯受体基因;NPR(nonepressorPRgenes).PR-非表达于基因 ED6(enhanceddiseasesupbilitygenes).感病性增强基固;PAD(phytoale:dndeficicygent)植保素缺陷型基西 E 肼 salicylica
26、cldlndutionde/ic/entgems).水节子的共同参与.精确控制信号流量和方向.cpr5 杨睦稍导缺陷基园 ;cPR(s 州expresNonofPRg 如)和 snit 及一大类坏死模拟突变体均说明存在许多 cotype).;导致细胞死亡的负调控子.在植物防卫反应的各点 gme)乙烯非敏感性基因起反馈调节子作用.从而阻止产生高破坏性的反应和减少能量损耗.对信号传导途径中断的突变体(nprl,eds5,ein2,jar1) 和组成型激活信号传导途径的突变体(cprl,cprs,cpr6)进行上位分析发现:cprl,cpr5 和 cpr6 激发的组成型抗性完全被 sA 缺陷型突变体 eds5 抑制,而 sA 非敏感突变体 nprl 仅部分抑制:eds5 抑制 cpr 的 sA 累积表型,而 nprL 却可提高 sA 的积累.这些现象说明存在一种由 SA 一介导,NPR1 非依赖性抗性反应 Et_非敏感性突变体 ein2 和 JA 非
