尖镰孢菌的侵染过程和致病机理研究进展.pdf

南方园艺SouthernHorticulture2023,34(5):67-尖镰孢菌的侵染过程和致病机理研究进展杨炎昌,阳廷密,韩旸，门友均，王明召*（广西桂北特色经济作物种质创新与利用重点实验室/广西特色作物研究院，广西桂林54 1 0 0 4)摘要：由尖镰孢菌引起的植物枯萎病是世界性的难题，对瓜类、茄科、香蕉、棉、豆科及花卉等作物构成严重威胁。长期以来，与尖镰孢菌相关的研究也备受关注。本文介绍了近年来尖镰孢菌侵染过程和致病机理方面的研究进展，以期为病害的发生机制研究、病害防控及抗病育种提供参考。关键词：尖镰孢菌；枯萎病；侵染过程；致病机理中图分类号：S436文献标识码：A文章编号：1 6 7 4-58 6 8-(2 0 2 3)0 5-0 0 6 7-0 5镰孢菌属（Fusarium）为真菌中较大的属，广泛分布于自然界，有很多种类可以侵染植物引起病害，如禾谷镰孢菌（F.graminearum）尖镰孢菌（F.oxysporum）、茄病镰孢菌（F.solani）等。国内外已经报道被镰孢菌危害的植物有玉米、小麦、水稻等粮食作物，也有番茄、豆类、黄瓜等蔬菜作物和香蕉、西瓜、猕猴桃等水果植物，以及丹参、黄芪、芦荟等药用植物。其中,植物致病性尖镰孢菌（F.oxys-porum)寄主范围广泛,危害巨大,防治困难，被列为植物病理研究领域的十大病原真菌之一 2 。其种下有多个专化型，各专化型特异性强，只侵染少数特定种类的植物。据不完全统计，尖镰孢菌可侵染1 0 0多种植物 3 ,主要引起枯萎症状，如常见的香蕉枯萎病、棉花枯萎病以及瓜类枯萎病等。该菌经土壤传播，由根部侵入，引起植株系统侵染，具有发病急、蔓延快、防控难等特点,常造成毁灭性的灾害 4 。国内外有关尖镰孢菌的研究较早，迄今为止，研究人员已经对尖镰孢菌的生物学特性、病害流行学、致病机理、寄主互作、防治措施等进行了许多研究，特别是随着现代细胞生物学、分子生物学以及电子显微技术等先进学科和技术的迅猛发展，尖镰孢菌的致病分子机理正在逐渐被揭示。1尖镰孢菌的侵染过程1.1侵入前期病原菌侵人寄主植物前,存在信号识别和趋附过程，包括物理信号和化学信号的识别，同时，还必须适应各种环境条件，如温度、湿度、土壤pH值、拮抗微生物等 5。侵人前的信号识别和向化性反应是尖镰孢菌侵染的第一步,也是能否侵染成功的关键。目前有关尖镰孢菌侵人前期的研究主要集中在寄主植物根系分泌物对病菌生长的影响。这种影响可分为促进生长和抑制生长两类，且根系分泌物的种类、含量在抗感品种中往往存在差异。郝文雅等研究西瓜根系分泌物对枯萎病菌生长的影响时发现,西瓜感病品种根系分泌物中的可溶性糖含量及游离氨基酸含量显著多于抗病品种。与感病西瓜品种相比,抗病西瓜品种根系分泌物中不含酪氨酸。其中甘氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸均可促进病原菌孢子萌发，但同时抑制孢子产生,而丝氨酸是一种抑菌氨基酸。Steinkellner等 7 研究表明，番茄根系分泌物可促进番茄枯萎病致病菌株Fol007分生孢子萌发。此外,Steinberg等1 8 研究认为番茄根系分泌物对番茄枯萎病菌生长的影响似乎无选择性,不同菌株对有机氮等物质代谢能力的强弱影响其在根上的定殖。左存武等 9 研究发现,高抗枯萎病香收稿日期：2 0 2 3-0 6-0 3基金项目：广西农业科技自筹经费项目（Z2022129）;广西特色作物研究院科研基金项目（2 0 2 2 B004);广西农业科技自筹经费项目（Z2022130)；国家现代农业产业技术体系广西创新团队建设专项（nycytxgxcxtd-2023-13-02）。第一作者简介：杨炎昌（1 9 9 5-）,男,硕士，主要从事植物病原微生物的分子生物学、植物病害防治等领域的研究;E-mail：.通讯作者：王明召（1 9 7 7-），男，高级农艺师，主要从事猕猴桃相关技术研究;E-mail:。68蕉品种的根系分泌物中的有机成分对病原菌孢子有致死作用，中抗品种的根系分泌物对病原菌的孢子萌发、菌丝生长有显著抑制作用，而感病品种的根系分泌物对病原菌的孢子萌发、菌丝生长起促进作用。1.2侵入过程尖镰孢菌的侵染包括分生孢子萌发、菌丝附着、侵入表皮、体内定殖、扩展蔓延等一系列过程，与此同时，和寄主发生一系列复杂的互作。目前,研究尖镰孢菌侵染过程常用的方法有两种：组织化学染色结合普通光学显微镜观察法、荧光蛋白标记结合激光共聚焦扫描显微镜观察法 1 0。由于专化型和寄主的多样性，不同尖镰孢菌对寄主的侵染过程可能存在差异。Lagopodi等用绿色荧光蛋白(GFP)基因标记尖镰孢菌番茄专化型，研究了其对番茄根的侵染模式,孢子萌发后形成的侵染菌丝首先接近根毛，接种2 d后菌丝从根毛进人根中，然后从根外表皮侵染进去，4 d后菌丝在根中形成网状结构，6 d后菌丝进人维管束,第10d发现根中开始形成大型分生孢子,部分根开始腐烂。Li等 1 2 用GFP基因标记香蕉枯萎病菌FOC4,研究了其侵染巴西蕉的过程，发现根部细胞分裂比较旺盛的区域是病原菌主要侵染位点。FOC4直接侵染根的表皮细胞：菌丝能直接穿透细胞壁因而可以在细胞内外生存，病菌分生孢子主要产生于根系统和假茎。接种3 d后病原菌趋附在根毛表面并开始穿透行为,6 d后小型分生孢子和菌丝开始侵人次生根表皮细胞，7 d后小型分生孢子大量侵染次生根，1 3 d后小型分生孢子在薄壁细胞内大量繁殖，分生孢子萌发成菌丝,并沿维管组织向上扩散，1 9 d后菌丝在根系组织中大规模增殖,植株根系开始出现腐烂症状。2 9 d后菌丝体在球茎和假茎木质部导管中大量增殖。Herman等 1 3 用GFP基因标记尖镰孢菌甜瓜专化型,观察病原菌侵染甜瓜的过程,发现接种1 2 d后病菌开始在根毛聚集，并沿着表皮细胞的凹槽蔓延，3 d后穿透根部表皮，开始定殖扩展，4 d后侵人木质部，6 d后大部分根系被严重侵染，但下胚轴未见明显侵染迹象，8 d后植株发病,菌丝成功进人导管,并产生大量分生孢子,分生孢子再次萌发侵染。Hall等 1 4 用组织化学染色法研究棉花枯萎病菌侵染棉花的过程,接种2 4 h,病菌孢子开始萌发，3 d后，在根部表面形成庞大的菌丝网，菌丝南方园艺开始附着并穿透表皮细胞,5d后,病菌在根表皮细胞内定殖、扩展，7 d后,进人导管并向上蔓延。尖镰孢菌的侵染过程是复杂的，有许多问题还未得到解决，比如：关于尖镰孢菌的侵染位点，目前还没有定论，大多数研究认为该菌在根部表皮没有特定的侵染位点，伤口也不是侵染所必须的条件 1 5-1 6 ,但Bowers等1 7 和Farquhar等 1 8 的研究则认为根尖区可释放大量分泌物，是最初和最重要的侵染位点。此外，孢子是如何精确地粘附到寄主植物表面的？侵染过程中病原菌-寄主互作的分子机制是什么？还有待深人研究。2尖镰孢菌的致病因子在植物-病原菌大战中，植物有着严密的防御体系,而病原菌也有各种狡猬的攻击手段。病原菌必须克服植物层层防御，才能吸收和利用植物体内的营养物质。尖镰孢菌是一种弱寄生菌,往往喜欢采取先杀死植物组织,后掠取营养的策略 9。它通过分泌多种细胞壁降解酶来降解细胞壁，侵入原生质体；还可分泌多种毒素毒化植物细胞,使细胞失活、解离；另外，大量的病菌还会堵塞导管，阻碍植物输水功能,导致植株萎焉，降低植物抗性。2.1细胞壁降解酶真菌分泌的细胞壁降解酶与其致病性密切相关。真菌侵人过程的主要障碍是植物的细胞壁，只有突破这道障碍,病原菌才可获得营养而生长，并在植物组织内蔓延。果胶、纤维素、半纤维素、木聚糖、木质素等是植物细胞的重要组成成分 2 0 。尖镰孢菌可以分泌果胶酶、木聚糖酶、果胶裂解酶、木质素降解酶、纤维素酶和半纤维素酶等多种细胞壁降解酶来破坏植物细胞壁。诸多研究表明,这些酶在尖镰孢菌致病过程中起着重要作用。根据编码基因的差异，尖镰孢菌分泌的果胶酶又分为多种，目前研究较多的是PG酶中的PG1和PG5。研究推测PG酶在尖镰孢菌穿透寄主根表皮层和通过维管系统向上扩展的过程中发挥重要作用 2 1 ,然而Di和Roncero2的研究结果则表明甜瓜枯萎病菌的致病性与PG的积累无相关性，Pg1不是其必需的致病基因。Garcia-Maceira等 2 3 通过敲除pg5基因进行功能验证,也获得了同样的结论。但是,果胶酶在尖镰孢菌致病过程中是否起作用目前还不能确定。De第3 4 卷第5期Lorenzo等 2 4 认为,尖镰孢菌除了产生PG1和PG5之外，还产生很多功能类似的酶,单一敲除其中的某个酶编码基因无法证明其是否发挥作用,因为其它的酶可以进行功能弥补。因此果胶酶对尖镰孢菌的致病作用，还需要改进研究方法，进一步全面深人研究。同样地，对于木聚糖酶、果胶裂解酶、木质素降解酶、纤维素酶和半纤维素酶的致病作用,研究也不透彻，众说纷绘，但大多数研究者都认为它们在尖镰孢菌的侵染和致病过程中起重要作用。2.2致病毒素在病原菌与寄主植物之间的掠夺战中,有很多病原菌通过分泌毒素对植物造成不可逆伤害。目前，已知毒素在尖镰孢菌的致病过程中扮演着重要角色,病原菌通过分泌多种毒素损伤植物根系细胞结构，破坏生理生化环境，影响种子萌发。这些毒素包括：镰刀菌酸、伏马菌素、卡毒素、恩镰孢毒素、脱氢镰刀菌酸、串珠镰刀菌素、白僵菌素、麦角固醇以及玉米赤烯酮等 2 5。其中,镰刀菌酸的相关研究最多,也最为重要。镰刀菌酸(5-丁基-2-吡啶甲酸)是镰孢菌分泌的非专化型毒素，可与细胞原生质膜的某些特定蛋白质结合，改变膜结构、损伤膜功能，造成膜通透性失常，电导值增强，同时导致线粒体活性氧的含量降低、ATP合成受阻,最终寄主植物根系胞内物质外流、代谢紊乱、输水功能受阻、生长受到抑制 2 6 。许文耀等 2 6 对香蕉枯萎病菌FOC1和FOC4粗毒素培养滤液进行了研究，证明镰刀菌酸是最主要的致枯萎毒素,并认为镰刀菌酸的致萎原因在于破坏了根系的膜系统，造成代谢紊乱，根系防卫机能丧失，活力下降，导致植株快速缺水萎。但有研究认为，镰刀菌酸既能致病也能诱导植物启动防御反应，Waskiewicza研究表明，少量的镰刀菌酸确实具有诱导植物合成植保素的功能 2 7 。因此,镰刀菌酸含量的致病阈值以及镰刀菌酸诱导植物合成植保素的信号传导机制也是今后研究的方向之一。2.3堵塞导管导管是植物输送水分的重要部位，一旦导管功能受阻，则植株会因无法供给水分而萎焉。尖镰孢菌在侵人维管束，沿着导管向上扩展时，会在导管中产生大量菌丝体和分生孢子，此外，在侵染过程中，该菌分泌多种细胞壁降解酶来降解植物的细胞壁,细胞壁被杨炎昌等：尖镰孢菌的侵染过程和致病机理研究进展4结语和展望尖镰孢菌生存能力强，寄主范围广，通过土壤传播直接侵人植物根系，在根表皮细胞中定殖后，向维管束扩展,沿维管束向上蔓延,在多种细胞壁降解酶、69.降解后，大量果胶流人导管，二者共同导致导管堵塞，使宿主植物发生输水障碍,最终萎致死 2 8 。3尖镰孢菌的致病相关基因随着基因测序技术的不断发展，基因测序越来越方便快捷、价格越来越低廉，研究基因的技术手段也日趋成熟,病原菌致病基因的相关研究是植物病理学领域的热点之一。开展致病基因的鉴定和功能研究，对阐明尖镰孢菌的致病机理、病害控制和抗病育种具有重要意义。目前，已经鉴定了一些尖镰孢菌的致病基因,并对其功能进行了初步探究。通过尖镰孢菌番茄专化型(F.oxysporumf.sp.lycopersici,Fol)基因组比较分析发现，整个基因组的1/4 为谱系特异性(Lin-eage-specific）区域，该区域富含转座子与致病基因，由于该区域的存在,尖镰孢菌经常发生基因组水平转移，容易出现寄主专化型和生理小种，这是尖镰孢菌致病力强和宿主范围广的主要原因 2 9 。从Fol中分离出的基因fmkl,可编码丝裂原活化蛋白激酶(Mitogenac-tivated proteinkinase,MAPK)，促使孢子萌发与菌丝伸长 3 0 。Vander Does 等 3 从Fol中分离出效应因子编码基因SIX1，证明该基因可在活体细胞中大量表达,是尖镰孢菌从腐生向寄生转化的重要基因。Kawabe等 3 2 分离到FPD1，它是尖镰孢菌中一种氯化物传导调节蛋白编码基因,突变FPD1基因后,病原菌致病力显著下降。Magdalena等 3 敲除了尖镰孢菌番茄专化型的类肌球蛋白运动原几丁质合成酶基因chsVb后，病原菌完全丧失了致病力。突变尖镰孢菌0-6 8 5中编码环腺苷酸磷酸-蛋白激酶A的基因后,病原菌无法定殖。研究人员在Focu和Fol中克隆了编码ABC转运蛋白的基因foABCl，相关功能验证试验表明，ABC转运蛋白负责毒素在宿主植物细胞中的转运 2 5。突变尖镰孢菌黄瓜专化型的FGA1、FG A 2 和FGB1基因，其致病性受到极大影响,FGA1、FG B 1 突变体的致病性大幅减弱,而FGA2突变体甚至完全丧失了致病性 3 4 。70毒素、导管堵塞等致病因子的协同作用下，导致植物发病,许多基因参与了侵染和致病过程。虽然尖镰孢菌的侵染过程和致病机理研究不断深入，但还有许多问题值得进一步探索，比如：病原菌如何精准定位寄主和侵染部位？与寄主存在哪些互作行为？还有哪些未知的致病因子和致病相关基因,以及这些基因的表达如何调控？各专化型的精细遗传图谱构建 3 5 等等，建议今后加强上述几方面的研究。在充分认识病原菌特性、病原菌-寄主互作的前提下,可以利用病原菌辅助抗病育种，加快抗病品种的选育，同时有望提出新的防治方法,研发出针对性强、低成本、高药效、环境友好的防治药剂。参考文献：1高芬,岳换弟,秦雪梅,等.植物致病镰刀菌细胞壁降解酶的研究进展 J.江苏农业学报,2 0 1 8,3 4(4):9 55-9 6 0.2 Dean,R.,Van Kan,J.A.,Pretorius,Z.A.,Hammond-Kosack,K.E.,Di Pietro,A.,Spanu,P.D.et al.The Top 10 fungalpathogens in molecular plant pathology J.Mol Plant Pathol2012,13(4):414-430.3林羽立.甘薯蔓割病水培鉴定体系的建立与病菌致病相关基因的克隆 D.福州：福建农林大学，2 0 1 5.4】刘洋.茄病镰刀菌瓜类专化型的鉴定及其侵染途径研究D.北京：中国农业科学院，2 0 1 0.5 畅畅引东镰孢菌与寄主互作中致病相关基因生物信息分析及表达研究 D.太原：山西农业大学，2 0 1 8.6办郝文雅，沈其荣，冉炜，等.西瓜和水稻根系分泌物中糖和氨基酸对西瓜枯萎病病原菌生长的影响 刀.南京农业大学学报,2 0 1 1,3 4(3):7 7-8 2.7Steinkellner S,Mammerler R,Vierheilig H.Germination 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