植物病原菌效应因子的毒性功能研究进展

李金玥

摘 要 病原菌与植物在相互排斥的过程中协同进化，病原菌进化出大量的毒性效应因子干扰植物基础免疫，又称为病原物相关分子模式触发的免疫PTI（PAMP- Triggered immunity），植物随之进化出相应的抗病蛋白感知这些毒性效应因子引发特异性免疫反应ETI（Effector-Triggered Immuntiy）。在抗病植物中效应因子诱发抗病反应，但在感病植物中效应因子能破坏宿主免疫提高病原菌致病性。对比大量的植物-病原菌互作系统发现，许多细菌、真菌或卵菌病原菌独立进化出不同的效应因子，这些效应因子以不同的方式破坏植物免疫系统的几个关键途径，如防止病原菌入侵的渗透免疫，模式识别受体PRRs（Pattern Recognition Receptors）介导的基础免疫，和植物激素的生物合成及其介导的信号途径。本文着重对大量来自不同病原菌的毒性效应因子根据其生化功能进行归纳总结，为更好地探究病原菌如何与宿主细胞相互作用使植物表现为抗病或感病提供了一个新的视野。

关键词 病原菌 毒性效应因子 植物免疫系统

中图分类号：Q948 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.04.013

在自然界中存在着大量的植物致病病原体，这些病原菌利用不同的途径破坏植物防御体系。然而，在大多数时候植物能有效地感知病原菌入侵发挥抗性，保持自身的健康生长。但病原菌偶尔也会克服重重障碍成功毁坏植物免疫系统，侵占宿主细胞。首先，病原菌进入植物体内面临的第一道障碍是附着于每个细胞表面的一层坚固的细胞壁。然后，病原菌穿过细胞壁，到达细胞膜，它们在植物细胞膜上遇到各式各样的胞外识别受体PRRs，这些PRRs能识别大多数病原微生物的病原物相关分子模式PAMPs（Pathogen-Associated Molecular Patterns），如细菌鞭毛蛋白、脂多糖、几丁质等，迅速触发基础免疫PTI（PAMP-Triggered immunity），从而阻止病原菌的进一步感染。病原微生物在冲破植物的第二道防御屏障后，将面临位于细胞内特定区域的R蛋白（Resistance proteins），R蛋白能直接或间接地识别相关效应因子引发抗性更强的免疫反应ETI，避免病原菌的进一步侵染。在植物组织内，PTI和ETI共同作用限制病原菌的入侵和生长繁殖。

随着微生物基因组测序技术的发展，鉴定出大量的植物病原菌毒性效应因子，针对丁香假单胞菌和黄单胞菌效应因子的系统性特征分析，鉴定出大量的宿主靶标蛋白，这些靶标蛋白在植物免疫系统中起重要作用。相比之下，对真菌和卵菌效应因子的靶标蛋白却知之甚少，但几个已知的细菌效应因子破坏宿主免疫的方式也能在真菌和卵菌的效应因子中观察到。本文主要围绕不同的病原菌效应因子如何利用不同的方式破坏植物免疫系统这个问题，对各种植物与病原菌的互作系统进行综述。

1 植物病原菌及其效应因子

根据病原菌寄生于植物上的生活方式，可分为活体营养、半活体营养和死体营养三种类型。活体营养型病原菌侵染活体组织并维持宿主的生存能力，死体营养型则在杀死宿主细胞后靠死体组织为生，半活体营养型病原菌早期寄生于活体杀死宿主细胞后再侵蚀死体。病原菌的生活方式主要取决于自身分泌的效应因子，效应因子能与宿主蛋白直接作用提高病原菌毒性。

半活体营养型细菌如假单胞菌和黄单胞菌，通过气孔、排水孔或损伤部位进入植物组织，一旦病原菌进入细胞间隙，主要通过类型III分泌系统向宿主细胞内传递效应因子。真菌和卵菌类病原菌会产生多种类型的孢子附着于植物表面，在合适的条件下，孢子生长出胚芽管延伸至有利的侵染位点。大多数真菌和卵菌的胚芽管会生长成一个特化的结构，称为附着胞，附着胞的菌丝尖利用机械力或酶溶解作用穿过植物表皮和细胞壁。病原菌进入植物组织，一些菌丝能通过细胞质膜内陷入侵宿主细胞，形成第二个特化组织吸根。吸根不仅负责病原菌营养物质的摄取，也是效应因子的主要分泌位点。

植物病原菌效应因子除在宿主细胞内发挥毒性功能外，也能在质外体起作用。质外体效应因子主要有细胞壁降解酶（Cell Wall-Degrading Enzymes， CWDEs），毒素和各种富半胱氨酸蛋白，CWDEs和毒素是死体营养型病原菌主要的毒性因子，而活体营养型和半活体营养型病原菌效应因子则是多种富半胱氨酸蛋白。一些效应因子是植物抗微生物水解酶的抑制子，不仅能保护病原菌细胞壁免受水解酶的破坏，还能阻止作为PAMPs的细胞壁成分的释放以躲避植物PRRs的识别，但质外体效应因子本身能作为PAMPs被植物PRRs蛋白识别引发免疫反应。

2 毒性效应因子介导病原菌的入侵

试图侵入植物表皮的纤维型病原菌会在侵染位点引发一系列抗病反应如活性氧爆发、胼胝质沉淀以及分泌大量的抗微生物蛋白，这一过程称为渗透免疫。然而，一些丝状真菌在侵染位点并没有诱导胼胝质沉淀，可能是这些真菌能有效抑制或躲避宿主的渗透免疫。研究发现，在炭疽病菌入侵宿主细胞之前，通过附着胞的渗透孔分泌一些效应因子，这些效应因子能麻痹宿主监测系统促使炭疽病菌躲避植物抗性。玉米黑粉菌的效应因子Pep1能直接靶标玉米的过氧化物酶POX12，POX12对活性氧如过氧化氢的产生十分必要，因此Pep1通过对POX12的特异性靶标，抑制活性氧介导的渗透免疫。

植物的渗透免疫也在抵御细菌侵染的过程中发挥关键作用，植物免疫受体PRRs感知到病原菌PAMPs，立即诱导气孔关闭防止病原菌入侵。最近研究表明脱落酸（ABA）信号途径对PAMP介导的渗透免疫的重要性，ABA诱导产生过氧化氢，H2O2通过类受体激酶GHR1诱导气孔关闭。然而，一些假单胞菌分泌的冠菌素，是一种类似茉莉酸（JA）的效应因子，能干扰ABA信号途径防止宿主防卫细胞的气孔关闭。拟南芥RIN4是丁香假单胞菌效应因子AvrB的靶标蛋白，RIN4蛋白正调控细胞质膜上的ATP酶AHA1和AHA2能抑制气孔关闭，效应因子AvrB可能通过磷酸化RIN4蛋白调节RIN4对ATP酶的正调控作用。对类型III效应因子是否能在细菌入侵前进入防卫细胞还不太清楚，但可以确定的是，在PAMP诱导气孔关闭之前，少量细菌的入侵能传递类型III效应因子进入宿主细胞。

3 毒性效应因子靶标PTI途径蛋白

植物PRRs蛋白FLS2和EFR在分别识别细菌鞭毛蛋白和延伸因子Tu后，招募类受体激酶BAK1或其同系物形成一个激活状态的复合体。几丁质受体蛋白CERK1通过胞外区LysMs基序结合几丁质，形成同型二聚体并诱导自身磷酸化激活PTI抗病途径。FLS2，EFR和CERK1在植物细胞质内与类受体激酶BIK1及其同系物PBL1紧密结合，PRRs感知到PAMPs后，诱导BIK1磷酸化致使BIK1从PRRs蛋白复合体上游离出来，但还不太清楚BIK1作用的下游底物。

许多被假单胞菌和黄单胞菌类型III效应因子作用的靶标蛋白在PTI途径中发挥重要作用。丁香假单胞菌效应因子AvrPto作为一种蛋白激酶抑制剂，与FLS2、EFR等模式识别受体PRRs相结合，抑制PRRs的激酶区域，进而干扰MAPK级联信号传导途径的上游。在植物体内表达AvrPto能抑制多个PAMPs诱导产生的PTI抗性，表明除FLS2和EFR，AvrPto还可能靶标其他的PRRs。另一个假单胞菌效应因子AvrPtoB也能抑制FLS2，CERK1和BAK1的激酶活性，同时敲除假单胞菌DC3000的毒性基因avrPto和avrPtoB不仅显著降低细菌毒性，还能致使其他类型III效应因子失活。假单胞菌效应因子AvrPphB是一个半胱氨酸蛋白酶，能切割多个BIK1蛋白家族成员抑制PTI，黄单胞菌效应因子AvrAC具有的尿苷酰基转移酶活性能抑制BIK1激酶，因此BIK1家族成员是至少两个细菌效应因子攻击的靶标蛋白。

除了抑制PRRs复合体的激酶活性，病原菌效应因子也能靶标PTI途径的下游信号分子。假单胞菌类型III效应因子HopAI1作为一种磷酸苏氨酸裂解酶，使MAPK级联信号途径中的MPK3和MPK6去磷酸化失活，阻止PTI信号的正常传递，干扰相关抗性基因NHO1的表达，而另一个效应因子HopF2是利用ADP核糖转移酶活性抑制MAPK激酶。另外研究发现，假单胞菌的效应因子HopU1能修饰RNA结合蛋白GRP7和GRP8，损害它们的RNA结合功能抑制PTI。

真菌类病原菌效应因子的宿主靶标蛋白还有待进一步确定，但一些真菌分泌的含LysM基序的效应蛋白已被证实能用另一种方式抵御PRRs介导的免疫反应。黄枝孢菌效应因子Avr4含有几丁质结合结构域LysMs基序，能结合真菌细胞壁的主要成分几丁质，进而保护细胞壁免受植物几丁质酶的破坏。同样地，黄枝孢菌效应因子ECP6和稻瘟病菌效应因子Slp1都含有三个LysMs基序，能与宿主细胞内的几丁质酶竞争结合几丁质，以躲避宿主PRRs对几丁质的识别。

4 毒性效应因子调控宿主基因转录

黄单胞菌AvrBs3家族和青枯菌PthA效应子家族成员具有共同的结构特征，位于C端的核定位区域（NLS）和能特异性激活宿主基因转录的酸性转录激活区域（AAD），这些结构特征暗示这些效应因子能在细胞核内调控宿主基因的转录。研究表明，AvrBs3的NLS具有核定位能力，AvrXa10的AAD能在拟南芥和酵母中激活报道基因的转录，而且AvrXa7也能结合双链DNA序列。另外，条斑病菌效应因子PthXo1在易感水稻能诱导宿主基因Os8N3表达提高病原菌毒性。因此，AvrBs3和PthA家族成员能通过干扰细胞核基因转录下调植物抗病反应。

然而，有一些效应因子介导的转录激活却有助于宿主免疫反应，水稻条斑病菌效应因子AvrXa27在一些水稻品种中激活Xa27抗病基因转录引发植物免疫。稻谷病原细菌的类型III效应因子HsvG和HsvB位于宿主的细胞核内，能在易感植物中促进虫瘿形成。两种效应蛋白都具有转录激活区域和DNA结合结构域，转录激活区域由一段特定的重复序列组成，改变激活结构域重复子的数量能使效应因子的毒性功能发生改变，表明转录激活对效应因子的毒性功能至关重要。

5 毒性效应因子干扰激素抗病途径

水杨酸（SA）、茉莉酸（JA）和乙烯（ET）是具有抗病功能的植物激素，在大多数情况下，SA信号途径介导对活体营养型病原菌的抗性，而JA和ET的抗病信号途径介导对死体营养型病原菌的抗性，SA途径和JA途径很大程度上具有拮抗性。许多植物病原菌通过分泌模拟植物激素的效应因子或激活抗病信号干扰植物激素途径。例如，假单胞菌分泌的冠菌素，一种类似茉莉酸的效应因子能干扰SA介导的抗病反应。另外，效应因子AvrB，AvrPtoB和AvrRpt2能分别激活茉莉酸、脱落酸和生长素诱导的宿主基因表达，AvrPto和AvrPtoB能诱导乙烯的生物合成引发番茄植物的细胞死亡。

最近研究发现，一种半活体营养型的真菌类病原菌玉米黑粉菌利用另一种方式抑制SA信号途径。黑粉菌效应因子Cmu1是分支酸变位酶，能将分支酸转化为预苯酸，分支酸是水杨酸生物合成的重要中介物，Cmu1通过有效地变位作用耗尽分支酸，抑制水杨酸的积累。效应因子AvrB与MPK4，RIN4和RAR1相互作用，AvrB以RAR1介导的途径磷酸化MPK4，进而磷酸化RIN4蛋白，AvrB的诱导促使这三种蛋白上调JA抗病基因的表达从而干扰JA信号途径。这些研究表明各种病原菌能进化出不同的毒性效应因子以不同的方式抑制植物激素介导的免疫途径。

6 结语

无论是植物渗透免疫，还是基础免疫PTI或物种特异性免疫ETI都具有共同的抗病信号转导分子，并引发一系列相似的抗病相关反应。最近越来越多研究表明，PTI信号途径和ETI信号途径有交叉重叠，在功能上相互偶联。例如，大麦R蛋白MLA通过干扰抑制PTI的WRKY转录因子引发ETI，拟南芥RRS1-R蛋白在典型的TIR-NBS-LRR结构的N端融合有一个WRKY结构域，RRS1-R可能在细胞核内调控WRKY介导的基因转录，因此植物多层防御体系具有重叠交叉的抗病信号途径。

细菌、真菌和卵菌病原菌进化出不同生化功能的毒性效应因子，破坏植物普遍存在的免疫系统的关键环节。这些独立进化的效应因子在大多数情况下单独起作用，但也有可能一些效应因子能相互影响共同作用于植物免疫系统。例如，一种效应因子能特异性地修饰另一种效应因子的活性，AvrRpt2抑制AvrRpm1诱导的HR。确定更多的病原菌效应因子，特别是真菌类病原菌效应因子的生化特征，并探究这些效应因子破坏植物免疫系统的手段，将有助于我们理解植物病原菌是如何导致植物疾病的爆发。

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