摘要：綜述了植物病原真菌細胞壁降解酶的類型，闡明了細胞壁降解酶在植物病原真菌侵染中的作用，歸納了影響細胞壁降解酶產生的因素以及細胞壁降解酶之間的協(xié)同作用。

關鍵詞：植物病原真菌；侵染；細胞壁降解酶

中圖分類號：S432.4+4 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2012）21-4697-04

Research Progress of Fungal Cell Wall-degrading Enzyme

DONG Zhang-yong1，2，WANG Zhen-zhong2

（1. Zhongkai University of Agriculture and Engineering， Guangzhou 510225， China；

2. Laboratory of Physiological Plant Pathology，South China Agricultural University， Guangzhou 510642， China）

Abstract： The type of plant pathogenic fungal cell wall-degrading enzymes was overviewed. The role of cell wall-degrading enzymes in the plant pathogenic fungal infection was clarified. Moreover factors affecting the production of cell wall-degrading enzymes as well as the synergistic effects among the enzymes were summed up.

Key words： plant pathogenic fungi； infection； cell wall-degrading enzymes

植物細胞壁是寄主與病原真菌相互作用的重要場所，在植物病原真菌侵入寄主的過程中起主要的屏障作用。病原真菌在侵染寄主植物的過程中分泌一系列細胞壁降解酶（Cell wall degrading enzymes， CWDES），包括果膠甲基半乳糖醛酸酶（Pectin methyl-galacturonase）、果膠甲基反式消除酶（Pectin methyl transeliminase）、多聚半乳糖醛酸酶（Polygalacturonase）、多聚半乳糖醛酸反式消除酶（Polygalacturonic acid transeliminase）和纖維素酶（Cellulose）等，它們在病原真菌的致病過程中不僅能攝取營養(yǎng)，而且能降解寄主組織[1]。

1 植物病原真菌細胞壁降解酶的類型

在植物病原真菌與寄主的識別過程中，病原真菌分泌的細胞壁降解酶可以降解寄主植物的細胞壁和角質層等，這有利于病原真菌的侵入、定殖與擴展。細胞壁降解酶的分類方式有多種，其中根據酶作用的底物，細胞壁降解酶可分為果膠酶（Pectic enzyme）、纖維素酶（Cellulase）、半纖維素酶（Hemicellulase）、角質酶（Cutinase）和其他酶類如蛋白酶（Protease）、淀粉酶（Amylase）和磷脂酶（Phospholipase）等。

1.1 果膠酶

果膠酶是一類能夠催化果膠質分解的酶的總稱。果膠酶大致分為果膠裂解酶（Pentin lyases）、果膠酯酶（Pectin esterases） 、原果膠酶（Protopectinase）和果膠水解酶（Pectin hydrolases）等。其中果膠水解酶又可分為聚鼠李半乳糖醛酸酶（Rhamnogalacturonases）、果膠甲基半乳糖醛酸酶（Pectin methyl-galacturonase）、多聚半乳糖醛酸酶（Polygalacturonase）、半乳聚糖酶（Galactan esterases）、阿拉伯聚糖酶（Arabanase）[2]、木糖基半乳糖醛酸酶（Xylogalacturonas）[3]等。果膠酶按其作用最適pH又分為酸性果膠酶和堿性果膠酶。

1.2 角質酶

許多真菌和少數細菌產生角質酶，角質酶是一種酯酶，在pH 9～10的條件下最適合催化水解角質層，產生寡聚體后降解為單體。催化過程是先經?；饔脧拇贾挟a生醇，再經脫酰基作用產生脂肪酸。角質酶被認為是病原真菌直接穿透植物寄主表皮時用于克服植物表面的角質層的重要因子之一。

1.3 纖維素酶

纖維素酶是能水解纖維素β-1，4-葡萄糖苷鍵，使纖維素變成纖維二糖和葡萄糖的一組酶的總稱，是多組分酶系，又稱纖維素酶復合物。它廣泛存在于自然界的生物體中，細菌、真菌、動物體內都能產生纖維素酶。依據纖維素酶作用的pH條件將其分為酸性纖維素酶和堿性纖維素酶。凡是能在堿性條件下水解纖維素的酶均稱為堿性纖維素酶；凡是能在酸性或中性偏酸性條件下水解纖維素底物的纖維素酶均稱為酸性纖維素酶。

1.4 半纖維素酶

半纖維素酶是分解半纖維素的一類酶的總稱。半纖維素的酶解需要許多酶的共同參與，植物病原真菌可以集中產生半纖維素酶。根據它們作用于聚合體時釋放的單體的類型，可分為葡聚糖酶、木聚糖酶、甘露聚糖酶、阿拉伯聚糖酶和半乳聚糖酶等。

1.5 蛋白酶

許多植物病原真菌產生蛋白酶。隨著植物細胞壁結構研究的深入，發(fā)現(xiàn)植物細胞次生壁、中膠層和細胞膜中也含有蛋白質，因而引起人們對病原真菌產生的蛋白酶進行研究的興趣。Dow等[4]發(fā)現(xiàn)蛋白酶是細菌十字花科黑腐病菌（Xanthomonas campestris pv. campestis）的主要毒力因子，但對于植物病原真菌分泌的蛋白酶的研究仍然很少。

1.6 其他酶類

其他酶類包括淀粉酶和磷脂酶等，分別降解淀粉和脂類物質[4，5]。

2 細胞壁降解酶在植物病原真菌侵染中的作用

2.1 病原物侵染的致病因子

細胞壁降解酶是真菌成功侵染并定殖寄主植物的重要因子。病原真菌要成功侵染植物必須克服寄主在進化過程中形成的多種抗性機制。其中，真菌能產生一系列降解表皮角質層和細胞壁的細胞壁降解酶，其成為真菌克服細胞壁屏障的重要因素之一。植物病原真菌針對植物細胞壁中的每種多糖成分，均分化出相應的降解酶。陳捷等[6]發(fā)現(xiàn)病原真菌無論在活體組織內還是在活體組織外產生的細胞壁降解酶對玉米胚根均有明顯的浸解作用，隨著細胞壁降解酶濃度的增加酶浸解能力增強，且呈顯著正相關。王琪[7]的研究表明，多聚半乳糖醛酸酶是香蕉枯萎病4號小種（Fusarium oxysporum f. sp. cubense race 4）致病過程的重要致病因子之一。

2.2 植物抗病反應的誘導因子

許多以細胞壁降解酶致病的病原物都能引起寄主植物細胞壁透性的變化，為其在植物組織中的入侵和定殖創(chuàng)造條件。同時，植物病原真菌侵染產生的細胞壁降解酶還可能誘發(fā)植物的防衛(wèi)反應。

2.2.1 激發(fā)子 研究表明某些酶作為激發(fā)子誘導寄主植物產生抗性。激發(fā)子是病原物產生的能激發(fā)寄主植物對其侵染產生抗性的一類物質。細胞壁降解酶及其產物具有其他生物和非生物化合物的激發(fā)特性，包括次生代謝物、類脂和蛋白質。用某些酶處理植物組織和細胞，能引起植物的防衛(wèi)反應。因此，病原真菌的細胞壁降解酶對植物作為警示信號與對于病原物作為致病因子同樣重要。在許多情況下，植物似乎并不能直接識別細胞壁降解酶，而是對酶的產物作出反應。其中寡聚半乳糖醛酸作為激發(fā)子的研究較多。寡聚半乳糖醛酸可以誘導植保素和活性氧的產生，影響煙草外植體的形態(tài)建成，誘導番茄蛋白酶抑制劑的局部合成。一些研究表明寡聚半乳糖醛酸的聚合度為10～15時的活性最高。植物同樣對其他寡糖和細胞壁降解酶有反應。真菌木聚糖酶是一種小分子蛋白質，可以在木質部進行傳輸，作為激發(fā)子的木聚糖酶的活性可能會由于變性而喪失，但相異的是木聚糖酶是直接作用而不是通過其產物產生作用[8]。

2.2.2 植物抑制因子 許多植物產生蛋白酶抑制劑，而這些蛋白酶抑制劑對病原真菌產生一定的影響[9]。如在寄主植物與病原真菌長期相互作用的過程中，植物相應地產生能夠抑制病原真菌多聚半乳糖醛酸酶活性的因子，其中以多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白（Polygalacturonase-inhibiting protein， PGIP）為主。植物中存在的多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白可以抑制病原真菌的多聚半乳糖醛酸酶活性，使多聚半乳糖醛酸酶的作用延緩，這樣其水解產物的長度得到提高，且該水解產物能誘導寄主產生防衛(wèi)反應。同時，它可以減緩病原真菌的生長速度，使得寄主其他的防衛(wèi)系統(tǒng)得以表達。Sella等[10]發(fā)現(xiàn)，多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白對多聚半乳糖醛酸的作用具有特異性，大豆的多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白能抑制串珠鐮刀菌（Fusarium moniliforme）FC-10菌株分泌的多聚半乳糖醛酸，但不能抑制串珠鐮刀菌PD菌株所分泌的多聚半乳糖醛酸，因而對這2個菌株的抗病性表現(xiàn)不同。代易等[11]分離純化了香蕉多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白，該抑制蛋白對香蕉枯萎病菌4號小種多聚半乳糖醛酸酶活性的抑制高于對黑曲霉（Aspergillus niger）的多聚半乳糖醛酸酶活性的抑制，表明其對不同多聚半乳糖醛酸酶活性的抑制具有選擇性。

3 影響細胞壁降解酶產生的因素

3.1 植物病原真菌的種類

研究表明，植物病原真菌的不同，其產生的細胞壁降解酶的種類及活性均有差異。一些研究顯示很多病原真菌都能產生細胞壁降解酶。辣椒炭疽病菌（Colletotrichum acutatum）產生的細胞壁降解酶主要是果膠裂解酶、多聚半乳糖醛酸酶以及分解纖維素的β-葡糖苷酶和纖維二糖酶[12]。槭菌刺孢（Mycocentrospora acerina）活體外能產生幾種細胞壁降解酶，在發(fā)病組織中也可檢測到果膠酯酶、多聚半乳糖醛酸酶、果膠裂解酶和內切葡聚糖酶[13]。董章勇等[14]的研究表明，香蕉枯萎病4號生理小種在寄主體內和體外培養(yǎng)時都比1號生理小種多分泌一種多聚半乳糖醛酸酶，兩個生理小種在體外培養(yǎng)時分泌的果膠甲基半乳糖醛酸酶、多聚半乳糖醛酸反式消除酶和果膠甲基反式消除酶沒有差異，4號生理小種在寄主體內比1號生理小種多分泌一種果膠甲基半乳糖醛酸酶，卻少分泌一種多聚半乳糖醛酸反式消除酶，兩個生理小種在寄主體內的果膠甲基反式消除酶則沒有差異。

3.2 細胞壁降解酶種類與病害癥狀的關系

不同病原真菌在侵染寄主植物時所產生的細胞壁降解酶種類與這些酶的特性的不同造成不同病菌侵染癥狀的差異。如匍枝根霉（Rhizopus stolonifer）和半裸鐮刀菌（F. semitectum）侵染甜瓜的致病力和致腐形式有明顯差異，這是由兩種病原物所產生的細胞壁降解酶種類及其活性決定的[15]。匍枝根霉主要從果實的機械損傷處侵入，侵染后菌絲只能在細胞間隙和細胞壁間生長，病菌分泌高活性果膠酯酶、果膠甲基半乳糖醛酸酶和多聚半乳糖醛酸酶，而果膠甲基反式消除酶、果膠裂解酶以及纖維素酶的活性低，這樣該菌能迅速降解果膠物質，使組織解離并軟腐，進而導致細胞離析，但它們不能突破細胞壁進入胞內生長[16]。

3.3 植物病原真菌的致病性

Piero等[17]在研究棉花枯萎病菌時發(fā)現(xiàn)，菌株的致病力差異導致胞壁降解酶的數量及活性狀況的差異。Cano-canchola等[18]用玉米黑粉菌（Ustilago maydis）接種玉米后，強致病力菌株產生的細胞壁降解酶活性較高，而弱致病力菌株及健康玉米組織中則低很多。王純利等[19]研究西瓜枯萎病時得出尖孢鐮孢菌致病力與β-葡萄糖苷酶活性呈正相關的結論，在β-葡萄糖苷酶細胞壁組分的誘導下分泌降解細胞壁，致使寄主萎蔫，酶活性越高，則分解細胞壁的速度就越快。姜雪等[20]研究玉米彎孢霉葉斑病菌對不同抗性種質資源的作用時發(fā)現(xiàn)，寄主抗性水平越高，誘導產生的纖維素酶活性也越高。

3.4 植物品種的抗病性

植物病原真菌活體內產生的胞壁降解酶的數量和活性與寄主植物品種的抗性有關。李寶聚等[21] 的研究表明，黃瓜黑星病菌（Cladosporium cucumerinum）產生的纖維素酶和果膠甲基半乳糖醛酸酶的活性與品種的抗病性密切相關。病菌侵染后抗病品種和感病品種受侵染葉片內纖維素酶和果膠甲基半乳糖醛酸酶的活性都上升，但感病品種中這兩種酶的活性比抗病品種的高很多。Neeru等[22]研究發(fā)現(xiàn)禾生指梗霉（Sclerospora graminicola）在珍珠稷感病品種中纖維素酶和多聚半乳糖醛酸酶的活性均上升，但在抗病品種中卻下降。

3.5 外界環(huán)境

植物病原真菌細胞壁降解酶的種類及活性與金屬離子等環(huán)境因子有關。一些研究者認為Ca2+等離子的存在抑制了植物病原真菌的生長及細胞壁降解酶的活性。Piero等[17]研究發(fā)現(xiàn)Ca2+會抑制棉花枯萎病菌（F. oxysporum f. sp. vasinfectum）產生的多聚半乳糖醛酸酶活性。Martino等[23]的研究表明，蘋果樹粉孢（Oidiodendron maius）能幫助提高其寄主在富含重金屬土壤中的定殖能力，鉻離子和鋅離子濃度在一定范圍內的提高會引起病原真菌多聚半乳糖醛酸酶活性的上升。Sucheta等[24]的研究結果顯示，核盤菌（Sclerotinia sclerotiorum）的胞壁降解酶活性一般受二價金屬離子抑制，但Mg2+卻能刺激多聚半乳糖醛酸酶和果膠酯酶的活性。病原真菌的細胞壁降解酶的種類及活性與溫濕度等環(huán)境因子有關。李寶聚等[25]的研究結果表明，在不同溫度下番茄灰霉病菌產生的細胞壁降解酶活性不同，β-葡萄糖苷酶、多聚半乳糖醛酸酶、果膠甲基半乳糖醛酸酶和纖維素酶在20 ℃時其活性均為最高，15 ℃次之，當溫度達到25 ℃時4種細胞壁降解酶的活性均急劇下降。

4 細胞壁降解酶之間的協(xié)同作用

植物病原真菌產生的細胞壁降解酶降解寄主細胞壁具有時間順序。如黃萎輪枝菌（Verticillium albo-atrum）侵染番茄莖部產生細胞壁降解酶的先后順序為：多聚半乳糖醛酸酶、多聚半乳糖醛酸反式消除酶、阿拉伯糖苷酶、木聚糖酶和纖維素酶。一種果膠酶的作用產物可以誘導另一種或一些細胞壁降解酶的活性。陳捷等[26]對玉米莖腐病菌（F. graminearum）細胞壁降解酶的致病作用的研究發(fā)現(xiàn)，果膠酶和纖維素酶對玉米胚根均具有一定的浸解作用，但二者混在一起時對玉米胚根的浸解能力比任何一種單獨浸解的作用都更加明顯。Kuc[27]的研究表明，黃瓜黑星病菌的復合酶中，纖維素酶和蛋白酶的混合物在24 h之內未能浸解黃瓜胚軸組織，而含果膠酶和纖維素酶的混合物在2～3 h內就能浸解其胚軸組織，果膠酶和蛋白酶兩者的混合物浸解能力更強，只需30～60 min。黃瓜黑星病菌產生的纖維素酶、毒素和果膠酶對黃瓜葉組織超微結構影響的研究表明，3種細胞壁降解酶在致病過程中既各自獨立又相互聯(lián)系。

5 結語

隨著分子生物學和蛋白質組學的發(fā)展，人們從基因水平乃至蛋白質水平研究與認識真菌與寄主植物之間的互作過程將會不斷地深入下去。植物病原真菌細胞壁降解酶在侵染過程中與植物間的互作關系也會在這些技術的發(fā)展過程中逐步得到研究。

參考文獻：

[1] BECKMAN C H. The Nature of Wilt Diseases of Plants [M]. St Paul Minnesota：American Phytopathological Society，1987.

[2] SCHOLS H A， BAKX E J， SCHIPPER D， et al. A xylogalacturonan subunit present in the modified hairy regions of apple pectin[J].Carbohydrate Research，1995，279：265-279.

[3] VAN DER VLUGT-BERGMANS C J B， MEEUWSEN P J A， VORAGEN A G J， et al. Endo-xylogalacturonan hydrolase， a novel pectinolytic enzyme[J]. Applied and Environmental Microbiology，2000，66（1）：36-41.

[4] DOW J M， CLARKE B R， MILLIGAN D E， et al. Extracellular proteases from Xanthomonas campestris pv. campestris，the black rot pathogen[J]. Applied and Environmental Microbiology，1990，56（10）：2994-2998.

[5] COOPER R M， LONGMAN D， CAMPBELL A，et al. Enzymic adaptation of cereal pathogens to the monocotyledonous primary wall[J]. Physiological and Molecular Plant Pathology，1988，32（1）：33-47.

[6] 陳 捷，唐朝榮，鄒慶道，等.玉米紋枯病菌致病因子的研究[J].沈陽農業(yè)大學學報（自然科學版），1999，30（3）：189-194.

[7] 王 琪.香蕉枯萎病菌致病因子的純化鑒定及基因克隆[D].廣州：華南農業(yè)大學，2004.

[8] SHARON A， FUCHS Y， ANDERSON J D. The elicitation of ethylene biosynthesis by a trichoderma xylanase is not related to the cell wall degradation activity of the enzyme[J]. Plant Physiology，1993，102（4）：1325-1329.

[9] LORITO M， BROADWAY R M， HAYES C K， et al. Proteinase inhibitors from plants as a novel class of fungicides[J]. Molecular Plant-microbe Interactions，1994，7（4）：525-527.

[10] SELLA L， CASTIGLIONI C， ROBERTI S， et al. An endo-polygalacturonase（PG） of Fusarium moniliforme escaping inhibition by plant polygalacturonase-inhibiting proteins （PGIPs） provides new insights into the PG-PGIP interaction[J]. FEMS Microbiology Letters，2004，240（1）：117-124.

[11] 代 易，紀春艷，王振中.香蕉多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白的分離與純化[J]. 華中農業(yè)大學學報（自然科學版），2011，30（6）：707-711.

[12] FERNANDO T H P S，LAYASINGHE C K， WIJESUNDERA R L C. Cell wall degrading enzyme secretion by Colletotrichum acutatwn，the causative fungus of secondary leaf fall of Hevea brasiliensis[J]. Mycological Research，2001，105（2）：195-201.

[13]CAM B I E， LEBRETON L， MASSIOT P， et al. Production of cell-wall polysaccharide degrading enzymes in carrot root tissues infected by Mycocentrospora acerina[J]. Plant Pathology，1997，46（2）：276-281.

[14] 董章勇，王 琪，秦世雯，等.香蕉枯萎病菌1號和4號生理小種細胞壁降解酶的比較[J].植物病理學報，2010，40（5）：463-468.

[15] 陳尚武，張大鵬，張維一.匍枝根霉和半裸鐮刀菌侵染甜瓜果實產生的胞壁降解酶與侵染方式[J].植物病理學報，1998，28（1）：55-60.

[16] MICROCHA C J， DEVAY J E， WILSON E E. Role of fumaric acid in the hull rot disease of almond[J]. Phytopathology，1961，51：851-860.

[17] PIERO R M， PASCHOLATI S F. Cellulase production by Fusarium oxysporum f. sp. vasinfectum and the role in pathogenicity on cotton plants[J]. Summa Phytopathologica，2000，26（3）：336-341.

[18] CANO-CANCHOLA C， ACEVEDO L， PONCE-NOYOLA P，et al. Induction of lytic by the interaction of ustilago with zea mays tissues[J]. Fungal Genetics and Biology，2000，29（3）：145-151.

[19] 王純利，王冬梅，黃 煒，等.西瓜枯萎病菌致病力與鐮刀菌酸和β-1，4葡萄糖苷酶活性的關系研究[J].新疆農業(yè)大學學報，2000，23（1）：1-6.

[20] 姜 雪，翟羽紅，鄢洪海，等.不同抗性種質資源對玉米彎孢霉葉斑病菌產生的細胞壁降解酶活性的影響[J]. 植物病理學報，2010，40（3）：325-328.

[21] 李寶聚，周長力，趙奎華，等. 黃瓜黑星病菌致病機理的研究 Ⅱ：細胞壁降解酶及其在致病中的作用[J].植物病理學報，2000，30（1）：13-18.

[22] NEERU W， SUNITA J， CHAWLA H K L. et al. Changes in activities of elicitor-releasing enzymes in pearl millet leaves infected with Sclerospora graminicola[J]. Indian Phytopathology，2001，54（4）：414-417.

[23] MARTINO E，COISSON J D I，ACOURT L， et al. Influence of heavy metals on production and activihr of pectinolytic enzymes in ericoid mycorrhizal fungi[J]. Mycological Research， 2000，104（7）：825-833.

[24] SUCHETA S， HARMAN D， GIRIDHAR S. Interaction of phenolic compounds with pectinases from Sclerotinia sclertiorum[J]. Indian Phytopathology，2001，54（2）：167-170.

[25] 李寶聚，陳立芹，孟偉軍，等.溫濕度調控對番茄灰霉病菌產生的細胞壁降解酶的影響[J].植物病理學報，2003，33（3）：209-212.

[26] 陳 捷，高洪敏，紀明山，等.玉米莖腐病菌產生的細胞壁降解酶的致病作用[J]. 植物病理學報，1998，28（3）：221-226.

[27] KUC J. Production of extracellular enzymes by Cladosporum cucumerunum[J]. Phytopathology，1962，52：961-963.

（責任編輯 昌炎新）

收稿日期：2012-02-06

基金項目：國家自然科學基金項目（30671349）；國家自然科學基金——廣東聯(lián)合基金項目（U0771001）；公益性行業(yè)（農業(yè)）科研專項（200903049-05）

作者簡介：董章勇（1981-），男，廣東化州人，講師，博士，主要從事分子植物病理學和微生物學研究，（電話）13570474157（電子信箱）

dongzhangyong@hotmail.com；通訊作者，王振中，教授，博士，主要從事植物病理學研究，（電子信箱）zzwang@scau.edu.cn。