Geoffrey B. Fincher

School of Agriculture, The University of Adelaide, Glen Osmond, SA 5066, Australia

1. 引言

谷類作物在為全球人類社會提供大部分日常所需的碳水化合物的同時，面臨著被潛在致病真菌不斷攻擊的問題。真菌可以以多種方式穿透植物的外層，但是植物通常也會抵抗感染。然而，在某些情況下，真菌會突破植物的防線從而引發(fā)感染。重要的農(nóng)作物品種被病原體攻陷后，農(nóng)作物產(chǎn)量會下降或農(nóng)作物被完全破壞，這可能會給國家和國際社會帶來毀滅性的社會、環(huán)境和財產(chǎn)損失。在植物和致病真菌共同進化的過程中，植物已經(jīng)進化出了一系列抵抗真菌感染的防御機制，而真菌也發(fā)展了新的策略來入侵、感染植物或者攻克植物現(xiàn)有的抗病機制。這場不斷爭奪“霸權(quán)”的斗爭一直持續(xù)到今天，全球作物改良項目的一個關(guān)鍵和持續(xù)的目標是為植物提供一種（至少是暫時的）勝過真菌的優(yōu)勢。

因此，植物在自然界中的生存能力實際上與其調(diào)用策略的能力有著密不可分的關(guān)系，這些策略包括通過增強植物細胞壁從而在物理上阻擋真菌的入侵、產(chǎn)生降解入侵真菌細胞壁的水解酶，以及合成一系列抗菌分子[1,2]（呂等及華等，本期）。胼胝質(zhì)乳突的沉積可以阻止或抑制真菌感染。病程相關(guān)（PR）蛋白可以由植物響應(yīng)微生物的攻擊而產(chǎn)生，它包括降解幾丁質(zhì)的酶以及降解真菌細胞壁上的(1,3)-葡聚糖和(1,3;1,6)-β-葡聚糖的酶[3,4]。多年來，這些水解酶的過度表達已被成功用于增強作物品種的抗性[5,6]。此外，由這些酶從真菌細胞壁多糖[包括N-乙?；鶜す烟呛?1,3)-β-寡糖苷]中分解所得的寡糖產(chǎn)物，可以刺激植物的二次反應(yīng)，從而進一步增強作物抗性[7-9]。

本文主要闡述了植物來源的胼胝質(zhì)乳突在植物-病原體相互作用中的作用、相關(guān)多糖的作用，以及參與多糖生物合成與降解過程的酶的作用。乳突的主要成分是基本上無支鏈的多糖(1,3)-β-葡聚糖，其通常被稱為胼胝質(zhì)。除了作為乳突的一個組成部分，胼胝質(zhì)在植物的正常生長和發(fā)育過程中還發(fā)揮著一系列重要功能。胼胝質(zhì)在細胞板形成過程中，在花粉管、花粉母細胞和胞間連絲通道等部位被發(fā)現(xiàn)[10]。胼胝質(zhì)不是成熟細胞壁的一個組成部分，但它可以存在于專門的細胞壁以及質(zhì)膜與細胞壁之間的周質(zhì)間隙中[11]。在真菌中，有支鏈的(1,3;1,6)-β-葡聚糖是細胞壁的組成部分，實際上，它代表了細胞壁的核心[12]。人們對胼胝質(zhì)乳突在植物-病原體相互作用中發(fā)揮的作用的日益深入了解能夠為增強小麥、水稻、大麥、玉米、高粱等重要農(nóng)作物抗病性工程提供一系列新的策略和遺傳靶點。

2. 胼胝質(zhì)的生物合成

盡管難以獲得強有力的證據(jù)，但人們已經(jīng)接受類葡聚糖合酶（GSL）基因會介導(dǎo)植物中胼胝質(zhì)生物合成這一觀點。植物的GSL基因與酵母的FKS1基因同源，后者負責(zé)釀酒酵母中(1,3)-β-葡聚糖的合成[13]。然而，屬于糖基轉(zhuǎn)移酶GT48組的植物GSL蛋白不包含(D,D,D,QxxRW)尿苷二磷酸葡萄糖（UDP-Glc）結(jié)合基序，該結(jié)合基序在糖基轉(zhuǎn)移酶GT2家族的其他葡聚糖合酶中很常見（http://www.cazy.org/）[14]，盡管該葡聚糖合酶中也存在其他之前未知的UDP-Glc結(jié)合基序?；蛘?，某種相關(guān)蛋白也許可以進行UDP-Glc結(jié)合[15]。Li等[16]提供了將大麥的HvGSL1基因與(1,3)-β-葡聚糖合成聯(lián)系起來的生化證據(jù)。研究人員在非變性凝膠中分離出一種部分純化的(1,3)-β-葡聚糖合酶制劑，并發(fā)現(xiàn)其中有一種分子質(zhì)量超過250 kDa的蛋白質(zhì)可合成(1,3)-β-葡聚糖 [16]。類似地，通過產(chǎn)物包埋技術(shù)從多花黑麥草（Lolium multiflorum）提取物中富集的部分純化的(1,3)-β-葡聚糖合酶能夠合成分子質(zhì)量較高的(1,3)-β-葡聚糖[17]。GSL酶也可能是較大的胼胝質(zhì)合酶復(fù)合物（CSC）的一部分，該復(fù)合物含有許多輔助蛋白和酶[18]。

擬南芥基因組中有12個GSL基因，GSL基因沉默或GSL突變體功能喪失會導(dǎo)致不同組織中(1,3)-β-葡聚糖含量降低或完全消失[19,20]。GSL基因的大小差異很大，最長可達20 kb。這些基因的結(jié)構(gòu)可以被分成兩組：一組高度碎片化，可能包含多達40個內(nèi)含子；另一組則具有0～2個內(nèi)含子，長度明顯更短[19]。GSL基因編碼分子質(zhì)量超過200 kDa的蛋白質(zhì)。這些蛋白質(zhì)位于質(zhì)膜中，長期處于休眠狀態(tài)，直到被機械應(yīng)力或入侵的微生物激活。

3. 胼胝質(zhì)和真菌發(fā)病機制

當(dāng)植物受到微生物入侵時，一種常見、快速的早期反應(yīng)是胼胝質(zhì)塞或板在接近入侵點的地方沉積[21]。這些胼胝質(zhì)沉積物被稱為乳突，這些乳突經(jīng)苯胺藍熒光染料的作用會產(chǎn)生明亮的熒光[22]，這使人們普遍認為乳突的主要碳水化合物組分是(1,3)-β-葡聚糖。由圖1可見胼胝質(zhì)乳突在真菌入侵點附近的沉積[19]?？紤]到苯胺藍熒光染料染色的相對強度與簡便性，其可被用于單株系抗性的高通量成像（Makhija等，本期）。

圖1. 胼胝質(zhì)乳突沉積。感染白粉菌（Blumeria graminis）兩天后的擬南芥幼葉（WT）。野生株系中可見真菌孢子（sp）和次生菌絲（sh）（a），用苯胺藍熒光染料染色的野生葉片顯示胼胝質(zhì)乳突的強烈熒光（b）。在雙鏈RNA干擾（dsRNAi）下敲除擬南芥的AtGSL5基因，真菌孢子和菌絲仍然可見（c），但沒有胼胝質(zhì)沉積（d）。在用dsRNAi敲除一個密切相關(guān)但不同的基因（AtGSL6）的株系中，可見正常的孢子和菌絲（e）以及正常的胼胝質(zhì)乳突（f）（比例尺為100 μm）。經(jīng)The American Society of Plant Biologists許可，轉(zhuǎn)載自參考文獻[19]，?2003。

人們一般假定胼胝質(zhì)乳突在物理上會阻擋或阻礙潛在微生物病原體入侵，但是有些證據(jù)與該假定矛盾。因此，當(dāng)大麥的HvGSL6基因被雙鏈RNA干擾（dsRNAi）沉默時，植物體內(nèi)積累的胼胝質(zhì)含量較低，而且植物更容易受到白粉菌的感染[23]。在此情況下，我們可以得出結(jié)論，胼胝質(zhì)在大麥對該真菌病原菌的抗性方面具有積極的作用。與之相反，擬南芥中與大麥HvGSL6基因同源的一個功能缺失型胼胝質(zhì)合酶atgsl5突變體在乳突中沒有胼胝質(zhì)，但這與預(yù)期的真菌結(jié)構(gòu)促進感染無關(guān)。與預(yù)期不同的是，這些植物對通常具有毒性的幾種病原菌的抵抗力更強了，而不是像最初預(yù)期的那樣變得更容易受到真菌的感染[19]。這一結(jié)果歸因于胼胝質(zhì)或胼胝質(zhì)合酶對水楊酸防御信號路徑有負調(diào)控作用[24]。如果不存在胼胝質(zhì)，那么其對水楊酸路徑的抑制作用便也解除了。Jacobs等[19]指出，AtGSL基因家族中并非所有成員都參與胼胝質(zhì)的合成（圖1）。盡管這些例子有助于強調(diào)植物抗病機制相互作用的復(fù)雜性，但它們也提高了在農(nóng)作物保護中使用基于RNA的生物防治手段的可能性（Bramlett等，本期）。

4. 乳突中的其他靶向多糖

如上所述，人們通常認為在植物-病原體相互作用中觀察到的乳突含有胼胝質(zhì)，而且胼胝質(zhì)是乳突的主要的多糖成分。然而，有人認為乳突中可能還含有其他多糖、蛋白質(zhì)和酚類化合物[25]。Chowdhury等[26]使用一系列抗體和碳水化合物結(jié)合模塊證明，大麥葉片受到白粉菌Blumeria graminisf. sp.hordei（Bgh）入侵后形成的乳突中除了含有胼胝質(zhì)外，還含有相對大量的纖維素、阿拉伯木聚糖和酚類物質(zhì)。酚類物質(zhì)可能是阿魏酸殘基與阿拉伯木聚糖共價結(jié)合的產(chǎn)物。研究人員進一步表明，這三種多糖在有效乳突中的濃度高于無效乳突中的濃度。乳突具有層狀結(jié)構(gòu)，其內(nèi)核由胼胝質(zhì)和阿拉伯木聚糖組成，外層含有阿拉伯木聚糖和纖維素（圖2） [26]。

阿拉伯木聚糖和纖維素與抗入侵性之間的聯(lián)系為改善乳突組分和增強抗病性開辟了新的方向。此外，研究人員已證明，與異木聚糖生物合成相關(guān)的基因確實會影響大麥對白粉菌入侵的抗性[27]。因此，對于大麥GT43和GT47這兩個似乎都參與異木聚糖生物合成過程的基因而言，盡管它們的過表達對抗病性沒有明顯的影響，但是它們的瞬時誘導(dǎo)基因沉默會增加植物對病原體入侵的敏感性[27]。

5. 結(jié)論

盡管植物-病原體相互作用復(fù)雜、植物抵抗病原體入侵方式多樣、病原體為突破植物多重防線運用多種策略，但是隨著我們對乳突的組成和精細結(jié)構(gòu)的深入了解，以及對植物抵抗微生物入侵的反應(yīng)機制的進一步理解，我們在控制微生物疾病方面發(fā)現(xiàn)了新的靶基因。研究人員可以在傳統(tǒng)育種計劃和生物技術(shù)方法中運用這些基因知識，以增強重要農(nóng)作物抵抗病原體入侵的能力。在日益惡化的氣候條件下，如果我們要繼續(xù)提高農(nóng)作物的生產(chǎn)力，為迅速增長的世界人口提供糧食，那么在植物工程領(lǐng)域取得的成功便至關(guān)重要。

圖2. 該模型展示了多糖在有效乳突和無效乳突中的沉積。在大麥葉片-白粉菌相互作用下產(chǎn)生的有效乳突（左側(cè)）中，胼胝質(zhì)、阿拉伯木聚糖和纖維素的含量比無效乳突（右側(cè)）中的更高，并且阻擋了真菌入侵栓。在無效的乳突中，入侵栓突破了乳突的阻礙。經(jīng)John Wiley＆Sons, Inc.許可，轉(zhuǎn)載自參考文獻[26]，?2014。