摘要：從抗病反應(yīng)分子機(jī)制、抗病相關(guān)基因、抗病基因與防衛(wèi)基因在抗病反應(yīng)中的作用等方面闡述了植物抗病機(jī)制的研究進(jìn)展情況，最后對(duì)未來的研究進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：抗病機(jī)制；抗病基因；防衛(wèi)基因

中圖分類號(hào)：S432.2⁺3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006－6500(2008)04－0045－04

植物在其生長發(fā)育過程中常受到一些病原微生物的侵襲，因此，它們?cè)谧匀簧鷳B(tài)系統(tǒng)中長期并存，相互適應(yīng)，相互選擇乃至協(xié)同進(jìn)化，使得植物的抗病性與病原物的致病性之間形成一種動(dòng)態(tài)平衡。但是自從人類開展農(nóng)業(yè)活動(dòng)之后，經(jīng)常發(fā)生植物病害的大流行。農(nóng)業(yè)上成片種植單一作物，直接降低了遺傳上的多樣性，增加了植物在時(shí)空上的連續(xù)性，為病原物的發(fā)展和連年積累提供了方便。此外，精耕細(xì)作下的農(nóng)田小環(huán)境也更加有利于病原物的傳播和侵染。目前，病害造成的損失使農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)均下降。因此，病害已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上不可忽視的重要問題。

1 植物抗病反應(yīng)分子機(jī)制

植物的抗病性與其它性狀相比有其特殊性，即它不僅決定于植物本身的基因型，還取決于病原物的基因型。因此，植物與病原物互作的遺傳基礎(chǔ)即構(gòu)成了植物抗病的遺傳基礎(chǔ)。目前，廣為接受的描述植物一病原互作關(guān)系的遺傳模式有兩種，即與不親和因子相關(guān)的互作模式和與親和因子相關(guān)的互作模式。

1.1與不親和因子相關(guān)的互作模式

該模式也稱“基因?qū)颉奔僬f，最早是Flor通過研究亞麻對(duì)亞麻銹菌的小種特異抗性提出的，迄今已被證明至少適合于幾十種不同的“植物一病原”互作系統(tǒng)，包括真菌、細(xì)菌、病毒所致病害以及線蟲和寄生種子植物所致的病害。其基本內(nèi)容為：病原物與其寄主植物的關(guān)系分親和與不親和兩種類型，親和與不親和病原物分別含毒性基因和無毒基因，親和與不親和寄主分別含感病基因(r)和抗病基因(R)。當(dāng)攜帶無毒基因的病原物與攜帶抗病基因(R)的寄主互作時(shí)，二者才表現(xiàn)不親和，即寄主表現(xiàn)抗??；其他情況下，二者表現(xiàn)親和，即寄主感病。寄主與病原物間的非親和性互作關(guān)系取決于病原物產(chǎn)生的無毒(或非親和)因子的變異性或寄主對(duì)該因子的敏感性，無毒因子通過改變寄主的生理特性而起作用?，F(xiàn)在這種假說在分子水平上能很好地被“配體一受體”模式加以解釋，即病原物的Avr基因直接或間接編碼產(chǎn)物為配體(elicitor)，能被植物互補(bǔ)抗病基因R基因編碼的受體(receptor)所識(shí)別，并產(chǎn)生某種形式的次級(jí)信號(hào)，繼而誘發(fā)作用自身的防衛(wèi)反應(yīng)基因表達(dá)，激發(fā)寄主植物發(fā)生抗病反應(yīng)。如果病原物缺少無毒基因或植物缺少抗病基因時(shí)，這種識(shí)別作用不能完成，結(jié)果都是病原物致病而植物感病。

1.2與親和因子相關(guān)的互作模式

該模式是Scheffer等首先提出的，它與上述模式的不同在于：病原物與互作有關(guān)的基因的作用是導(dǎo)致病原物與其寄主僅發(fā)生親和性互作。親和性因子通過改變寄主的生理特性而使其易受病原物侵染，而抗病寄主植物含有相應(yīng)的抗病基因，其產(chǎn)物能使親和性因子失活而不起作用。玉米葉斑和穗霉病抗病基因Hml和大麥白粉病抗病基因mlo的抗性機(jī)制與病原物的親和因子有關(guān)，R基因可使親和因子失活，從而表現(xiàn)抗病。

在該領(lǐng)域中，目前研究最清楚的是玉米對(duì)由病原物Colchliobolus carbonum所引起的葉斑和穗霉病的抗性機(jī)制。該病菌產(chǎn)生的HC-毒素被視為親和因子。玉米的抗病基因包括Hm1和Hm2。Hm1基因使全生育期的整個(gè)植株都表現(xiàn)抗病，呈完全顯性；Hm2基因的抗病表現(xiàn)為部分顯性，植株幼苗時(shí)感病，近成熟時(shí)才表現(xiàn)出抗性。

Mlo基因不同于Hml基因，其所介導(dǎo)的抗性為防衛(wèi)反應(yīng)負(fù)調(diào)控因子的失活。大麥?zhǔn)馨追鄄【?Erysiphe grarnini)侵染時(shí)，mlo基因組成性表達(dá)可使細(xì)胞壁迅速進(jìn)行附著生長，產(chǎn)生乳突狀突起，這不僅使細(xì)胞壁強(qiáng)度加大，而且在乳突狀突起中產(chǎn)生抗真菌化合物p-CHA(p-coumaroyoyl-hydrrox-yagmatine)，進(jìn)而抑制病原真菌的入侵。感病植物M／o也進(jìn)行附著生長，但產(chǎn)生速度慢，不能有效地抑制病原真菌的入侵，表現(xiàn)為感病。

2 植物抗病相關(guān)基因

2.1抗病基因

接收病原物信號(hào)，啟動(dòng)植物抗病反應(yīng)信號(hào)傳導(dǎo)的是植物抗病基因的編碼產(chǎn)物，這是分子植物病理學(xué)研究寄主植物的重點(diǎn)和難點(diǎn)。自1992年應(yīng)用轉(zhuǎn)座子標(biāo)簽法分離出第一個(gè)抗病基因Hml，1993年應(yīng)用圖位克隆法分離出第二個(gè)抗病基因Pto后，現(xiàn)已至少分離出40多個(gè)抗病基因(R基因)。這些基因的克隆為人們從分子水平上揭示植物抗病的內(nèi)在機(jī)理以及植物的信號(hào)傳遞機(jī)制，并通過基因工程利用R基因快速培育新的抗病作物品種奠定了基礎(chǔ)。盡管R基因之間的序列同源性很低，但是這些R基因編碼的蛋白也具有一些相似的結(jié)構(gòu)特征。

根據(jù)R基因的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，已經(jīng)克隆的R基因可以分為5個(gè)大類：STK，LRR-TM，NBS-LRR，LRR-TM-STK和毒素還原酶類R基因。

(1)蛋白激酶類R基因(protein kinase，PK)。如番茄Pro基因，其產(chǎn)物是一個(gè)沒有LRR結(jié)構(gòu)域，位于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的典型的絲氨酸／蘇氨酸激酶(ser／Thr kinase)，通過絲氨酸和蘇氨酸殘基的磷酸化來傳遞信號(hào)。目前已經(jīng)有證據(jù)表明，Pto蛋白能與相應(yīng)無毒基因AvrPto的產(chǎn)物相互作用。

(2)LRR-TM類R基因。其基因產(chǎn)物為錨定于細(xì)胞膜上的糖蛋白受體，包括3個(gè)區(qū)域：LRR結(jié)構(gòu)域，跨膜區(qū)域(transmembrane domain，TM)和很短的胞內(nèi)區(qū)域(僅有數(shù)十個(gè)氨基酸殘基)。信號(hào)肽決定了它是胞外輸出的。

(3)NBS-LRR類R基因。這些基因具有的共同點(diǎn)是在它們編碼蛋白的近N端處存在著核苷酸結(jié)合位點(diǎn)。而在它們的近c(diǎn)端則存在著富含亮氨酸的重復(fù)序列。LRR是蛋白與蛋白相互作用的一種典型結(jié)構(gòu)。

根據(jù)NBS前端(N端)的不同結(jié)構(gòu)，對(duì)NBS結(jié)構(gòu)域的8個(gè)主要基序(motif)進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)生學(xué)的研究顯示，在植物中此類R基因主要分為兩類：①TIR-NBS-LRR類。這類R基因在N端包含一個(gè)TIR類似區(qū)域，包括基因N，L6 M，RPP5，RPP1和RPS4等。該類型的R基因主要被發(fā)現(xiàn)在雙子葉植物中，擬南芥共有149條NBS-LRR類R基因，其中94條(約占63.1％)為TIR-NBS-LRR類型。在水稻中僅發(fā)現(xiàn)極少的基因帶有TIR結(jié)構(gòu)，但是它們不含LRR結(jié)構(gòu)域。因此，并不屬TIR-NBS類R基因的范疇；②non-TIR-NBS-LRR類。這類NBS-LRR類R基因N端不含TIR結(jié)構(gòu)區(qū)域，包括基因RPM1，RPS2，RPP8，Xal，Prf和Mi等。該類型R基因在單、雙子葉植物中均有發(fā)現(xiàn)㈣，但數(shù)量較TIR-NBS-LRR類R基因少，擬南芥的149條NBS-LRR類R基因中有55條(占36.9％)屬于是non-TIR-NBS-LRR類。據(jù)報(bào)道，植物non-TIR-NBS-LRR類R基因編碼蛋白N端含有一個(gè)螺旋卷曲(coiied-coil，CC)結(jié)構(gòu)域。CC結(jié)構(gòu)往往形成一個(gè)同型或異型寡聚蛋白聯(lián)合體，以利用蛋白質(zhì)間的相互作用，并且可能在R基因產(chǎn)物與信號(hào)傳導(dǎo)途徑下游分子間的相互作用中行使功能(LZ是CC結(jié)構(gòu)的一個(gè)特例)。

(4)LRR-TM-STK類R基因。如水稻抗白葉枯病基因Xa21編碼的蛋白是一類受體蛋白激酶，它的產(chǎn)物含有STK和LRR-TM兩類R基因的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

(5)毒素還原酶類R基因。為玉米抗HC-毒素基因Hml。玉米圓斑病菌C.carbonum 1號(hào)小種產(chǎn)生HC-毒素，它是一個(gè)環(huán)狀的四肽。當(dāng)玉米在Hml位點(diǎn)隱性純合時(shí)，該四肽是有毒致命的。

2.2防衛(wèi)基因

防衛(wèi)反應(yīng)基因是一類在抗病機(jī)制中最終起作用的基因，受病原物等分子的誘導(dǎo)，它們的編碼產(chǎn)物直接或間接地作用于病原物。不同的植物其防衛(wèi)基因可能大同小異，抗、感病品種之間的差別可能在于防衛(wèi)基因的表達(dá)時(shí)間和表達(dá)量的差別。此外，抗病水平高低不僅要看防衛(wèi)基因的表達(dá)時(shí)間和水平，還要看防衛(wèi)基因的累加效應(yīng)。因此，這類基因的研究重點(diǎn)是基因的表達(dá)調(diào)控。

根據(jù)基因?qū)驅(qū)W說，植物的防衛(wèi)基因的表達(dá)即植物抗病防衛(wèi)系統(tǒng)的激活依賴于寄主植物與病原物之間的相互作用，具體說就是寄主植物的抗病基因與病原物的無毒基因的非親和性作用。使植物表達(dá)抗病性的是防衛(wèi)基因，而決定植物能否表現(xiàn)抗病性的是抗病基因。

3 抗病基因與防衛(wèi)基因在抗病反應(yīng)中的作用

植物的抗病基因(Resistanee genes，R gene)，指基因?qū)蚣僬f中的寄主植物中與病原物無毒基因表現(xiàn)非親和性互作的基因，除此之外，使植物表現(xiàn)抗病性的基因叫防衛(wèi)基因(defense genes)。需要指出，防衛(wèi)基因及其表達(dá)并不像抗病基因那樣僅抗病植株所特有，而是感病植株也存在，只是感病植株中的防衛(wèi)基因相對(duì)抗病植株被激活得慢和表達(dá)微弱而已。與抗病基因相對(duì)的是感病基因(sus-ceptible genes)。事實(shí)上，抗、感病基因在原生功能上都一樣地是植物正常代謝所必需的基因，只是在病原物侵染植物后它們才表現(xiàn)了這種截然對(duì)立的次生功能，由于前者不易被認(rèn)識(shí)，而后者卻引人注意，致使它們分別被冠之以抗病基因和感病基因的名稱。

抗病基因產(chǎn)物是Avr基因產(chǎn)物的受體。兩者間的互作是植物抗病反應(yīng)的起始，防衛(wèi)反應(yīng)的激活是靶細(xì)胞或組織特異于病原物信號(hào)的最終反應(yīng)，抗病植物在受到非親和病原物侵染時(shí)，往往表達(dá)多種防衛(wèi)反應(yīng)，一般先是釋放活性氧，相繼激活防衛(wèi)基因的表達(dá)，最后發(fā)生過敏反應(yīng)和系統(tǒng)獲得抗性。但是，不同的防衛(wèi)反應(yīng)之間有時(shí)并無必然的聯(lián)系。例如，在有些情況下過敏反應(yīng)發(fā)生了，而防衛(wèi)基因卻未表達(dá)，反之亦然。另外，即使是同一類防衛(wèi)反應(yīng)，在不同情況下其信號(hào)傳導(dǎo)過程也有差異，例如不同防衛(wèi)基因的表達(dá)有時(shí)間或空間上的差異。盡管如此，許多研究表明，植物防衛(wèi)反應(yīng)的信號(hào)傳導(dǎo)過程有著某些共性。首先，蛋白激酶和磷酯酶引起的蛋白磷酸化是各種防衛(wèi)反應(yīng)表達(dá)的信號(hào)傳導(dǎo)中的重要環(huán)節(jié)。另外，鈣離子的變化、電解質(zhì)滲透和G蛋白等也常出現(xiàn)在許多防衛(wèi)反應(yīng)的信號(hào)傳導(dǎo)途徑中，最近的一些研究還發(fā)現(xiàn)，水楊乙酸(SA)是激活某些防衛(wèi)反應(yīng)的重要信號(hào)分子，其作用是作為配體與過氧化氫酶結(jié)合，從而抑制該酶的活性，使細(xì)胞內(nèi)的H⁺含量增加，由此誘導(dǎo)防衛(wèi)反應(yīng)。與脊椎動(dòng)物不同，植物尚未進(jìn)化到以一種基本機(jī)制就能有效地抗衡多種病菌的程度，而是以多種結(jié)構(gòu)和生化防衛(wèi)機(jī)制與一種病原物抗衡才勉強(qiáng)奏效。

抗病基因和防衛(wèi)反應(yīng)基因的區(qū)別還有：(1)抗病基因編碼產(chǎn)物具有特異性，而防衛(wèi)反應(yīng)基因編碼產(chǎn)物具有普遍性，即不同的寄主植物中有一套類似的防衛(wèi)反應(yīng)基因，如植保素合成鏈中的酶基因、病程相關(guān)(PR)蛋白基因、植物細(xì)胞壁成分合成酶基因等；(2)抗病基因產(chǎn)物是植物防衛(wèi)反應(yīng)基因表達(dá)的直接或間接調(diào)節(jié)因子。防衛(wèi)反應(yīng)基因一般是受病原物誘導(dǎo)表達(dá)的，編碼產(chǎn)物比較容易分離，而抗病基因是組成型表達(dá)的，編碼產(chǎn)物不容易分離。因此，在基因克隆、基因編碼產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和功能分析等方面的研究工作中，防衛(wèi)反應(yīng)基因均早于抗病基因。所以植物防衛(wèi)基因既有普遍性，又有特殊性。除有一部分是相似的外，還有一部分是不同的，如對(duì)真菌、細(xì)菌毒素的解毒基因，因毒素不同而不同。而人工賦予植物的解毒基因則可能更加不同，有動(dòng)物源的，也有微生物源的。

4 展望

植物中存在的抗病機(jī)制多種多樣，如結(jié)構(gòu)抗性、生化抗性、過敏反應(yīng)、系統(tǒng)獲得抗性、抗侵染、抗擴(kuò)展等。這些抗性機(jī)制從抗病的作用方式看可分為3種：形成障礙物以阻止病原菌的侵染和擴(kuò)展；形成具抑菌活性物質(zhì)以殺死病原菌；形成酶或化學(xué)物質(zhì)解除病原的致病因子。但目前還不清楚抗病相關(guān)物質(zhì)是如何形成的，即形成這些物質(zhì)的基因是如何被觸發(fā)啟動(dòng)的以及其生化反應(yīng)的過程。只有研究清楚這些機(jī)制，才能對(duì)病害的防治更加有效、更加有目的性。