植物病原体相互作

1、 第二章 植物病原体相互作用 结构基础 (活体营养型)寄生菌和(死体营养型)腐生菌侵染 宿主植物的方式是不同的。死体营养型杀死宿主细 胞是为了从中吸取它们的营养，而作为活体营养型 在植物细胞中有一个很长的共生阶段，而且还能在 侵染过程的初始阶段能够促进宿主的新陈代谢。在 宿主与病原物交界组织坏死的部位，能够促进死体 营养型的生长而抑制活体营养型的生长。 在寄生菌(活体营养型)和腐生菌(死体营养型) 的影响下，宿主植物的结构和超微结构的变化是 不同的，并且这些变化是病原菌所采用侵染模式 类型的一个很好标记。半寄生半腐生的病原菌与 完全腐生的病原菌相比，引起宿主植物的超微结 构变化要相当小，而比寄

2、生病原菌所引起的变化 要大。尽管植物的病原菌有丰富的多样性，但是 我们将会研究在寄生菌和腐生菌这个生物体系中 的一些植物病原菌。 在侵染过程中植物和病原菌结构变化 使植物致病的病毒，作为一种寄生病原菌，侵 入植物的细胞之中，并在植物的细胞质中不断地繁 殖。在前面的一章中，我们对于病毒的结构、侵染 以及繁殖都做出了描述。一些致病的细菌也能够成 为腐生或寄生菌。一些腐生的细菌能够引起轻微的 腐烂、斑病和枯萎、维管束枯萎、溃烂及斑点病。 然而一些寄生的细菌则能产生出菌脓。 寄生真菌像一些粉状、霉状的真菌能够在植物 表面生长或者像一些锈病和黑穗病的真菌都能够 在宿主植物的内部生长。寄生真菌通常侵入许多

3、 植物的细胞中产生出吸收营养的结构，该结构称 为吸器。如果离开了宿主植物呢，这些寄生真菌 就不能生存。相反，腐生真菌需要宿主植物仅仅 作为它生命循环过程中一部分，并且能够在其中 繁殖生长或者在死亡的组织中生存。 真菌的侵染是从孢子的吸收营养萌发 开始的，这些真菌的孢子吸附在植物的表 面并且发芽， 图2.1显示锈病中夏孢子的 发芽和侵染结构变异的过程。附着胞的形 成来自于芽管膨胀的顶端部分，芽管和顶 端部分被接近芽管顶端的隔膜分开。纤细 的附着管胞就会变成侵染钉，这些侵染钉 会引起泡囊的产生。 泡囊形成之后则菌丝开始生长。菌丝细 胞的生长就始于泡囊的两端。这个图解就 说明了芽管壁就是由夏孢子壁的

4、内层拓展 而生成的。由于新的附加层的出现形成了 厚的附着丝壁。这些泡囊的壁则是由内层 附着壁拓展出来的，因此正是由于这些侵 染钉的壁，泡囊壁，菌丝细胞壁的出现才 不与芽管壁相连。 温度骤变和化学物质刺激会诱导小麦秆锈病的侵 染结构的形成，这个侵染结构是由一个附着胞侵 染钉，侵染丝中的泡囊，侵染菌丝有时和吸器母 细胞连续组成。 在侵染结构的分化时期，细 胞核会发生转移。图2 . 1。最初两个细胞核会从 孢子中移到芽管中，而后会进入到附着胞中在哪 进行有丝分裂。成熟的锈菌的附着胞会有四个细 胞核。第二个有丝分裂会发生在泡囊的形成时期。 一个泡囊中或许含有8或16个细胞核。在这个泡 囊的两端会有1到

5、8个菌丝生成， 每个新形成的 菌丝中都会移进2个细胞核。 丝状真菌一个典型的特征就是它们特殊的 生长方式：它们的菌丝顶端含有大量的膜 包裹的导致膜和胞壁前体的顶端快速生长 的小泡群体。生长的菌丝中细胞质的体积 不会与它整个体积成正比的增长，并且只 是集中在它们的顶端部分。液泡都是在真 菌空出的部位生长，这样就可以使细胞质 移到新形成的顶端，这样真菌空出部分就 被原生质膜和液泡膜描绘出轮廓。 无论是芽管还是各种致病的菌丝还是各种腐生真 菌都有细胞质，它们都还有细胞核，带有片状嵴 的线粒体和微丝，管状物，生产小泡的内质网， 核糖体，微体，脂肪粒，液泡，微管和微丝。微 管形成刚性的骨骼框架，肌动蛋白

6、微纤丝与微管 联合构成了广阔的稳固的系统。由膜包裹的小泡 和各种类型的液泡在菌丝细胞中是很常见的。在 夏孢子中脂质经常是与微体连接在一起的。这些 微体可能是作为一种乙醛酸体的作用，并且可能 在孢子萌发时期参与脂质的分解。 浏览这张电子显微照片，显示典型寄生病原菌 在植物叶片表面的萌发和生长。夏孢子，黄锈菌 的孢子，在小麦叶子表面的萌发。芽管在没有形 成附着胞的情况下沿着小麦纵向的轴心垂直生长 并且穿透气孔。锈菌的这种朝着气孔的定向生长 可能是对植物上表皮蜡状物血小板的分布和织物 表面形状做出的趋性。如果这些蜡状物被有机溶 剂溶解掉，那么芽管将不能粘附在植物表面。锈 菌的芽管是沿着植物叶片的纵轴

7、显著地垂直生长， 并且与平行于宿主植物的叶脉呈九十度直角。每 一个分生孢子都能产生3到5个能够产生出表面带 有乳状突起的菌丝和附着胞的芽管。 图2.2：electron micrographs of the germination and further development of biotrophic pathogens on plant leaf epidermis 很多在叶片侵入的病原菌，无论寄生的还是腐生 的，都是通过刺穿植物表皮细胞的外壁而侵入植 物细胞内的。例如，寄生的erysiphe sp和腐生 botrytis sp 它们都是直接刺穿植物表面的细胞 壁进入细胞内部而不是通过气

8、孔进入的。图2.3详 细解释了E.orontii在植株叶片表面上的发展 （Arabidopsis）。E.orontii的分生孢子产生出 可以黏附在植物叶片上表皮的芽管。而后，附着 胞就在芽管顶端膨大的部位形成。然后从形成附 着胞的基础位置开始形成侵染钉刺穿植物厚厚的 外表皮，进入植物细胞内部。随后就在植物表皮 细胞的内部，侵染钉的顶端形成吸器。 完整的侵染结构是在体外分化而来的，它是由 芽管，附着胞，泡囊，和侵染菌丝组成的。 P.graminis的附着胞在体外经过温度的骤变和其 他的刺激能够形成，且在体内经过真菌和气孔或 者和背斜的（向外倾斜的）胞壁连接点上的沟槽 之间相互作用后形成。如果植物

9、的细胞失去了膨 压或者死亡，那么在植物的表面就不会有附着胞 生长。孢子，芽管和附着胞是靠分泌粘液的鞘把 他们黏在植物细胞的表面。 P.graminis附着胞主要是在气孔上形成的，而 E.orontii的附着胞则通常位于穹状的壁上，并且 每一个附着胞都有横向的突起，并且细小的渗透 钉是在突起下面生成的，然后刺穿植物表面细胞 的外壁。锈菌和粉末状霉菌的附着胞在特殊触动 刺激的条件下能够形成，甚至是在具有划痕的人 工膜上也能形成，像Puccinia sp.和Erysiphe sp. 就能形成椭圆形状的附着胞。 腐生真菌葡萄孢属灰霉菌的孢子是由能承受 大的顶端的指状的附着胞或固着器的芽管发育 成的。这

10、些附着胞通常是由与宿主植物表面反 复相连的菌丝的分支形成的。葡萄孢属灰霉菌 是靠菌核这样组织来越冬的，这个组织有拟薄 壁组织结构，这个结构是由包裹着菌丝体的线 状物组成。 当锈状的菌丝细胞与主要的植物叶肉组织细胞 建立联系时，菌丝的顶端部分就会被隔膜划分开 并且最终形成吸器的母细胞。之后真菌的细胞核， 线粒体，核糖体，内质网，淀粉粒从HMC中移动 到吸器里， 并且只有真菌的原生质膜，液泡留 在HMC中。 而等离子体膜和吸器母细胞HMC 之间仍然保持着联系。 年轻的P.graminis， Uromyces fabae和E.orontii他们都有一个椭圆 形的吸器，但是当他们成熟时这些吸器就会变成

11、 球形。E.graminis的吸器是非常独特的，在小麦 的表皮细胞中它含有一个像指状物投影的身体。 在其他真菌生活史循环中发现吸器的细胞质 含有相同的基本组成物质, 糖原颗粒和脂肪粒 含有存储器。它们在真菌中大量存在而且种类丰 富并且分布不同。在吸器的生活史中脂肪粒的大 小是不断生长的，轮纹状的膜的聚合物通常出现 在成熟或者老的吸器的外围，在孢子的形成的过 程中脂质和糖原不断地积累贮存，在孢子萌发的 过程中则不断地利用这些脂质和糖原。 寄生病原菌的繁殖体会形成大量的表面（霉 状物、粉状物）或者菌丝体细胞（锈病、黑穗 病）。图 2 . 6。一个落在小麦叶片表面夏孢子 会长出一个芽管和一个附着胞。

12、附着胞的作用就 是伸入到邻近的保卫细胞中，并且在叶片气孔下 的缝隙中会产生出一些气孔下的小泡。两到四个 菌丝细胞来源于泡囊两端的生长。当菌丝细胞顶 端与植物叶肉细胞相互作用时菌丝细胞顶端就会 停止生长，黏附在植物细胞壁上形成吸器母细胞。 这个锈病的吸器母细胞进一步发展就能够通过一 些对宿主细胞壁降解的酶和外来机械压力的作用 刺穿这个带病宿主主要的叶肉细胞。 从哪以后, 菌丝细胞顶端开始生长到宿主细胞的 内腔中,并且形成管状的吸器颈。这个吸器的顶端 会不断地蔓延形成整个吸器的身体。宿主的细胞核， 叶绿体和其他正常的细胞器会移动到吸器的周围。 在细胞周质间隙(壁膜间隙)中的吸器会在胞壁和原 生质膜

13、的收缩凹入的部分之间形成。图2.6和2.7B 图2.7P.graminis intercellular mycelium and haustoria 图 2 . 7 显示的是被小麦锈病侵染的小麦 叶片。小麦的表皮细胞被锈病的菌丝体细胞所彼 此分开图2 . 7 A 。 吸器的母细胞黏附在植 物的细胞壁上。 图 2 . 7 B 显示的是在侵染 的小麦的叶肉细胞的内部以及含有菌丝体细胞的 细胞空间。吸器母细胞被隔膜从吸器的剩余部分 中分离出来。它能引起一侧菌丝分枝的生长。吸 器母细胞的收缩会引起它的细胞质移动到生长中 的吸器中，这一点能在植物叶肉细胞壁和原生质 膜之间的细胞周质空间中被看到。 图2.

14、7C显示了锈菌的吸器在小麦叶肉细胞的里面。 球形的吸器身体和薄的圆柱形的吸器的颈被含有 叶绿体的细胞质和薄的植物叶肉细胞所围绕。在 图2.7D中小麦的叶肉细胞中可以看到吸器的身体 和颈。在颈的中间部分我们看到吸器的条带。 真菌主要是靠孢子来进行传播的，并且真菌孢子 的类型和功能有很大的变化。一些病原菌，像小 麦杆锈菌，能产生几个类型的孢子图2.8和图2.9。 这些真菌主要通过夏孢子来进行传播，它是在一 个称为夏孢子产孢细胞的结构中形成的。在它的 营养阶段中能产生出七代夏孢子。当植物开始衰 老时，冬孢子会在夏孢子产孢细胞的边缘形成。 在接下来的春天里，经过一冬天的冬孢子开始萌 发，并且形成一个称

15、为担子的结构，这个结构能 产生出担孢子。萌发的担孢子能引起产生异宗配 合的性孢子器，性孢子器形成性孢子。促进和抑 制刺激性孢子的融合物结果就会形成双核菌丝和 锈孢子。因此小麦锈菌能够形成五种类型的孢子： 夏孢子，冬孢子，担孢子，性孢子，锈孢子。 真菌孢子新一代的形成来自于各种类型的分生孢 子，图2.9B。粉状霉菌（白粉菌）不会形成假薄 壁组织体，它表面的菌丝体会产生大量的分生孢 子梗，这些来源于菌丝的分生孢子梗垂直生长。 图2.9C 是从分生孢子梗的顶端分离的成熟的短 期的分生孢子。图 2.9 的显微照片详细阐明了灰 霉菌，小麦秆锈病菌和E.orontii菌的孢子形成。 在灰霉菌侵染的植物组织

16、上，大量的分生孢子梗 着生着大量着色的，单细胞卵形的分生孢子，图 2.9。锈菌的夏孢子和冬孢子在假薄壁组织体的顶 端的突起上形成。 图2 . 9 B是小麦杆锈菌的一个夏孢子。夏孢子的 形成要通过叶片表面的表皮细胞的裂缝。年轻的 夏孢子的表面是光滑的，而成熟的夏孢子的表面 则是有小刺的，并且在它们的表面长有200 到 300 个圆锥形的体刺。这些体刺的最初会在年轻 的夏孢子的细胞壁上作为一种小的隆起物形成。 这些隆起物不断增长会降解初生壁，并且次生壁 的物质会被堆放到初生壁的中心。 图2.9 C 表面的菌丝会产生垂直生长的分生孢子 梗，成熟的分生孢子会在这个分生孢子梗的顶端 部分生长，脱离。它们

17、会被分配到宿主植物的表 面，借助与空气传播到邻近的其他宿主植物的表 面。 植物细胞抵抗病原菌侵染的结构特征 植物抵抗大多数的病原真菌，并且仅有一些病原 真菌则需要侵入到特定的宿主植物组织的能力， 来压制宿主植物的抵抗。表层蜡状物，角质层， 和具有丰富多聚糖的细胞壁是第一道用来抵抗病 原菌的防线。病原菌破坏这些防线侵染到植物细 胞中，宿主植物这种做出防御回应的有效性取决 于它回应的速度和病原菌侵入量。宿主植物的防 御是先于宿主细胞对病原菌的识别。 植物是怎样识别病原菌并且激活防御系统的现在 任然没有彻底的弄清楚。所有多细胞的器官都已 经发展出来了一套用来避免潜在微生物侵入的机 制。在自然环境中，

18、植物会遇到大量一系列病原 菌的侵染，例如一些细菌，真菌，还有病毒。在 建立侵染的时期，成功有效地侵染或者有效地抑 制侵染都依赖于宿主和病原菌的接触面。一个活 的细胞在接触面是能够抵抗病原菌的。植物缓慢 和被动的反应能够导致病原菌不断地繁殖。在接 触面宿主植物抵抗病原菌基因的表达是非常接近 于真菌菌丝的生长点，这样就能有效地抑制病原 菌的发展。 寄生病原菌的侵染 专性的寄生菌包括一些能够引起绒毛状的霉状 物，粉状的霉状物的病害，黑穗病和锈病，病 毒，类病毒，一些专性细菌，线虫，原生动物， 真菌和一些卵菌纲病原物，它们能与宿主的细 胞建立长期的寄生关系，能够随着植物的代谢 产物连续流动。在侵染过程

19、中的最初阶段，寄 生病原菌能刺激植物的代谢过程，例如光合作 用，呼吸作用，营养吸收并且建立一个侵染网。 这些病原菌会保持在活的宿主细胞中作为长期 食物的来源用来形成大量的孢子。 在寄生关系形成后，真菌孢子开始萌发，并且侵 染结构开始形成，但不会引起宿主超微结构的退 化改变。在电子显微镜下你会第一个看到发生在 植物细胞和细胞质中的变化，吸器的母细胞会黏 附在细胞壁上并且细小的吸器会侵入到植物细胞 的内腔中，类似的白粉病也会引起细胞质的这种 改变。附着胞黏附在植物细胞壁上并且形成侵染 钉侵入到植物的细胞壁中（图2.3）。 在侵染钉的周围，植物原生质膜开始收缩并且产 生出大量的小泡，在宿主的细胞质中

20、试图侵染的 体系中小泡的出现以及其行为表达是受基因控制 的。一些真菌进入时分泌的蛋白最近在进行研究， PEN2蛋白质是一种糖基化酶，局部氧化酶，并且 它扮演一种病原菌诱导入侵前的抵抗机制。 年轻的新陈代谢的旺盛吸器含有细胞核，线粒体， 核糖体，内质网，小的液泡，而老的吸器含有少 量的线粒体，核糖体和内质网，巨大的液泡，脂 质球和外围轮纹状膜。尽管寄生真菌的吸器可以 作为细胞结构，但是他们不能侵入到细胞质中。 相反，在穿透侵染时期，它们收缩宿主细胞的原 生质膜并且使宿主周质空间不断扩大。 这个吸器与宿主细胞质的接触面被命名为外吸器 基质.这个外吸器基质被一个叫做外吸器膜的宿主 原生质膜凹入部分所

21、围绕着一边，并且另一边是 吸器壁的外表面。吸器与外吸器基质和外吸器膜 一起作为了吸器的组织器官。宿主的原生质膜被 吸器凹入的部分与没有凹入部分不同：密度大， 厚度增加，多聚糖增加，并且在植物细胞壁的微 纤维综合体中有大量的多酶附和体参与。而在真 菌吸器膜和没有凹入的植物细胞膜中都存在ATP， 为吸取营养提供能量，在外吸器膜上就缺乏ATP， 因此没有控制营养物质穿透膜的能力。 在整个吸器生长的同时会伴随着围绕着吸器的植 物内质网的增值（产生小泡）。此外，这些内质 网小泡与外吸器膜平行排列并且在一个两极面模 式中：离吸器近的小泡不是颗粒状的而离吸器远 的则是颗粒状的并且表面粘附很多的核糖体。那 些

22、没有被侵入的叶肉细胞通常含有颗粒状的内质 网，这种围绕着吸器的内质网小泡的容量与外吸 器母体有相同的密度。这一发现表明内质网衍生 出的物质会被释放到外吸器基质(EHM)中。 另一个寄生真菌侵染的特征是真菌吸器与宿主细 胞核之间的亲密关系，在吸器的分离程序中，分 离甚至都不能破坏这种关系，一些分离出的吸器 仍然粘附着宿主的细胞核。在宿主细胞核中染色 体间的区域密度与吸器的增长有关联，并且与细 胞核中的RNA同时增加，吸器的侵入也引起了宿 主细胞的重组。一个没有被侵染的叶肉细胞含有 一个被细胞质外层所围绕的中心大液泡。相反， 在侵染的宿主细胞中细胞质含有内质网，线粒体， 叶绿体和别的细胞器，它们都

23、向吸器移动并且围 绕着它。 宿主的一些黏附在外吸器膜（EM）上的细胞 器也会被改变：叶绿体的高级结构就会被打乱， 并且大量的片层（ 类囊体 ）结构就会减少。这 些发现都表明宿主的光合产物都被释放到外吸器 基质中。在吸器侵染的最后阶段，内膜系统的这 种改变会更加显著，并且结果导致宿主细胞器的 降解。例如，在叶绿体上脂肪粒体积会不断地增 加。 有趣的是，吸器诱导的宿主细胞器超微结构的改 变与那些正常的细胞器在衰老过程中所表现出来 的特征很相似。这就表明那些在吸器周围的细胞 器在经受过早的衰老。在吸器成熟的过程中，紧 紧地被膜包装的复合体在宿主的细胞质中围绕着 吸器，它是由平行方向的无颗粒的管状的内

24、质网 小泡组成，这些小泡与内质网和高尔基体的膜有 关联，这种现象是在锈病和绒毛的霉菌（白粉病） 的吸器周围被发现但在没有侵染的细胞中却没有 发现。 （2.10 A）通过吸器颈和身体进入到小麦叶 肉细胞的部分也就是P.graminis H M C(吸器母 细胞 )的部分。宿主的细胞器：内质网，多聚核 糖体，高尔基体和微体都集中围绕着吸器。 （ 2.10B）在电镜下不透明的吸器身体被薄的明 亮的外层吸器的基质和不透明的外吸器膜所围绕。 叶绿体和线粒体紧紧地黏附在外吸器膜的表面。 与叶绿体相邻的外吸器基质中含有许多的液泡。 吸器的形成是寄生真菌与宿主植物相互作用关系 的标志之一，并且在病原菌的营养吸

25、收中扮演着 重要角色。正常吸器的生长是病原菌建立寄生关 系的必要条件，是吸器和宿主植物之间建立活体 营养寄生关系重要目标的信号之一。例如，关于 单胞锈菌属病原菌最近的研究表明，锈菌的转移 蛋白1（Uf-RTP1p）和它的同系物Us-RTP1p在 外层吸器基质和没有被侵染的植物细胞中都有发 现。这些蛋白质从吸器中被运输到侵染的植物细 胞中并且能运输到细胞质和细胞核内。Uf- RTP1p在宿主细胞质和细胞核中的浓度会增加吸 器的成熟。对RTP1p的定位表明它可能在维护寄 生关系中扮演一个重要的角色。 另外，一些己糖运输物HXT1和公认的氨基酸运 输物都在锈菌和粉状霉菌的吸器中被发现，并且 会被高度

26、表达。但是在侵染结构和菌丝细胞这样 的早起结构中却没有检测到，HXT1位于吸器的 等离子膜上并且它有对底物D-葡萄糖和D-果糖的 特异性。从它的位置及它是进行生化反应的必要 条件可以看出，从植物质外体分离的吸器的器官 是为从宿主植物上夺取营养服务，并且能使寄生 的真菌与在自然条件下的宿主植物器官产生竞争。 胼胝体聚集物是受到伤害的高等植物和受到其他 各种类型侵染时植物的一种非特异性反应。这种 多聚糖胼胝体在电子显微镜下是透明的。大多数 透明的胼胝体都会聚集在新陈代谢旺盛的吸器周 围，这些吸器含有这种多聚糖，并且这种多聚糖 是吸器的主要组成成分。这种胼胝体包含乳状突 起，颈圈和套装（包装物），这

27、些都会在一个收 缩入鞘的原生质膜表面形成，并且作为对入侵病 原菌的非特异性反应的一个部分。在病原菌试图 侵染的叶片表面上会出现这种乳突状的胼胝体分 布在侵染点的周围。 这种乳状突起用1%的苯胺着成蓝色后在紫外光下 照射会发出荧光。图（2.11）展现了这种乳状突 起在thlaspeos锈菌侵染时在拟南芥的叶片上的形 成。 遏蓝菜柄锈菌锈菌的担孢子形成芽管和小的 附着胞。巨大的乳状突起聚集在真菌的侵染点。 我们会看见这种胼胝体沉积物的白色条带，它在 宿主植物细胞壁内作为宿主植物对病原菌侵染的 一种回应。锈孢子会在拟南芥植物的叶片上萌发， 产生附着胞。附着胞侵染钉的侵染会诱导产生出 乳状突起。 在这

28、种寄生关系中，很多孢子会进入植物的组织 器官并且会引起真菌的复制克隆以及新孢子的形 成和萌发。而在一些没有这种寄生关系的真菌中， 大多数孢子不能进入到植物细胞内。在这种情况 下，侵染钉的生长就会被植物做出的回应（胼胝 体分泌物，含有Si成分的物质，木质素和细胞壁 的前体细胞）而终止。病原菌和宿主没有这种相 容寄生关系的结果就是在病原菌试图侵染时胼胝 体直接形成（2.11A和2.11B）。在不兼容结合 体中，试图侵染场所中仅有一小部分显示吸器形 成。 这些被侵染的细胞中，大多数被侵染的细胞都会 遭受像细胞死亡这样的过敏反应，该反应在整个 细胞处于荧光下时可被观察到。如果这些胼胝体 沉积物形成，那

29、么它们就会围绕这些刚形成的吸 器周围。之后，这些纤维素微纤维就会在侵染钉 和吸器的周围出现。这些新形成的胞壁物质就会 围绕着侵染钉和吸器周围来阻止植物的代谢物在 宿主植物和病原物之间交换流动，通常胞壁物质 仅出现在代谢低和坏死的吸器周围。 我们不会看到在真菌吸器和宿主细胞质中细胞之 间的任何联系。植物和病原菌之间共质体联系的 缺乏表明了病原菌吸收的大部分宿主溶解物都要 穿过外层吸器基质通过非质体的运输。宿主和真 菌的膜沿着颈带或者吸器的轴环的这种紧密联系 看似是阻止宿主的营养从外层吸器基质中向质外 体中释放，因此只能迫使通过外层吸器膜来对宿 主营养物质的摄入。换句话说，这个颈带的形成 更可能是

30、导致吸器在外吸器膜上发展成一些特异 性运输蛋白的膜，能够调节吸器上营养物的进入 和进出。 菌丝细胞是直接从宿主细胞中获取一些营养物质 并没有通过吸器的通道来获取营养。但是一些糖 的流动（从植物体向锈菌和粉状霉菌中流动）很 大一部分要通过吸器中的设备。真菌关于营养物 质吸收的这部分基因的特异性表达就是吸器。例 如，从广泛的大豆叶片中所分离的U.fabae吸器， 在植物体中表达诱导PIGs即（不会有芽管，附着 包，泡囊或者HMC的表达）基因存在的差异。 PIGs cdna基因的序列分析表明了基因在编码有 关氨基酸运输，硫胺素的生物合成，短链脱氢酶， 金属硫蛋白，细胞色素P-450单氧酶和肽基-脯氨

31、 酸异构酶相关蛋白上存在相似性。粉状霉菌，锈 菌和病毒的侵染会导致非原生质体单糖类的水平 增加，这种单糖类的增加会导致细胞壁转化酶变 得活跃，这种酶能促进蔗糖分解成葡萄糖和果糖。 病原菌这种胞壁转化酶的特异性诱导在被感染马 铃薯Y病毒的烟草叶片上报道，这种病毒能侵染拟 南芥造成其叶片出现白色泡状锈菌并且也能诱导 Atfruct1这种胞壁转化酶。 粉状霉菌侵染拟南芥的叶片也会产生这样一个关 于糖运输蛋白（AtSTP4）增长的结果。报道者 发现含有AtSTP4融合了（GUS）启动子的基因 会显示该启动子主要活跃在地下组织部分像根和 一些非叶片上。然而，粉状霉菌侵染后在成熟的 侵染叶片上会诱导启动子

32、的活性并且会在六天的 实验观察中发现该启动子的活性会一直增加。这 些表达模型的改变表明病原菌会扮演一个额外的 地下部分组织与植物的地下部分竞争的结果，这 样会导致宿主植物吸收，再分配会发生相当大的 改变。 腐生菌的侵染 植物病原菌的很大一部分都是腐生真菌和细菌， 腐生菌主要是通过在表皮角质层小的伤口或者破 裂来侵入到植物体内或者直接通过气孔。与寄生 菌相比它们繁殖体的萌发和穿透则需要更多的营 养，它们通过过滤植物周围组织来获取所需要提 供的营养。因此成功的腐生菌的侵染很大程度上 依赖于侵染机构的条件。例如，开始衰老的器官 与嫩的或成熟的没有损伤的组织相比更容易被感 染，因此，植物组织器官对于腐

33、生菌侵染的易感 性在单独的宿主植物上从一个器官到另一个器官 是会发生很大的变化。 为了吸取宿主植物的营养，腐生菌增加了植物膜 的通透性并且产生出大量的活性酶来破坏宿主的 抵抗。不像寄生菌那样，腐生菌在某种条件下侵 染前后能够杀死宿主细胞。腐生菌怎样破坏胞壁 的障碍引起了学者很大的兴趣。因为腐生菌通常 有很低的纤维素活性，因此植物组织的纤维素微 纤维任然完好无损。相反，在植物胞壁上的果胶 似乎作为了真菌首先降解的靶子，并且因此大量 关于腐生病原菌的研究焦点都集中在果胶的结构 特征上。果胶酶降解中间层，初生和次生壁的果 胶，并且为其他的像纤维素酶，蛋白酶，和磷脂 酶创建通道。 腐生真菌的侵染 腐生

34、真菌通常生活在植物的残骸中并且当条件适 宜病原菌时会引起侵染。如果当在接种体上的孢 子达到很高的浓度就会形成自我约束，一些寄生 菌则不会萌发，而腐生菌则能很好的萌发并且能 在很高的孢子浓度的情况下很快的侵入到植物组 织内部。在一个侵染的叶片上灰霉病的分生孢子 的浓度关于病变的形成有协同效应（成正比）。 因此，关于一些豆类病变的量直接与接种体上孢 子浓度成正比，并且低孢子浓度能够引起小的不 扩散的病变而高浓度则会使病变迅速的扩散。 我们对一些常规机制的理解和腐生菌特异毒性的 理解都滞后于我们对于其他病原菌毒性的理解。 腐生菌在毒性机制上存在多样性，包括一些对植 物抗微生物化合物（植保素和预制化合

35、物）的脱 毒和细胞壁的分泌物降解酶，毒素，肽和小分子 蛋白质。一些分泌酶也是真菌的次级代谢产物， 例如一些真菌毒素，这对于腐生菌作为特异性和 非特异性来说是特别重要的。在腐生真菌的基因 组序列中这些大量的次级代谢物的基因表达被反 应出来，例如葡萄孢属，镰孢菌，旋孢腔菌属和 稻瘟菌。 灰质葡萄孢属是一种典型的兼性腐生真菌,在许多 植物种类中它是灰霉病的病原菌。在1888年， Marshall Ward证明了植物细胞的衰竭要先于葡 萄胞菌的侵入。我们现在知道真菌毒性的复合物 在葡萄胞菌的致病性中扮演着相当重要的角色， 因此在寄生关系建立之前不得不杀死宿主的细胞。 特别是，它能引起拟南芥的细胞的侵染

36、位点膜结 构的质壁分离和改变，这种变化不是由生长的菌 丝所引起的。当菌丝仍然在叶片上时病原菌也能 诱导细胞发生质壁分离。局部的质壁分离会改变 宿主的膜结构并且之后被侵入的细胞衰弱和坏死 会在用绿色荧光蛋白标记的拟南芥细胞中的内质 网，线粒体和细胞质中表现特别明显。 葡萄胞菌侵入到宿主植物的组织内部之前菌丝的 生长要滞后于拟南芥膜结构的改变。这些标记的 条带清楚的显示了葡萄胞菌的菌丝侵入到宿主细 胞内导致植物原生质膜，内质网，线粒体，叶绿 体，细胞核和细胞壁的破坏。（图2.12）显示了 初期的和晚期的葡萄胞菌在拟南芥的叶片上的侵 染区域。真菌的果胶溶酶引起周围拟南芥叶肉细 胞的质壁分离：植物的细

37、胞质与细胞壁分离并且 会集中到细胞的中央。 2 . 12. electron micrographs of initial and advanced B.cinerea colonization of Arabidopsis leaves 腐生病原菌通常在侵染的早期阶段会分泌一些 降解细胞壁的酶（CWDE s）。因为菌丝的侵染 能够引起表皮细胞的外层胞壁肿大，而这种胞壁 降解酶的产生被认为有助于真菌侵染一些在表皮 细胞外层带有蜡状物和角质层覆盖物的胞壁。腐 生病原菌果胶溶解酶的分泌在侵染入口和传播过 程中有着深远的影响。这些果胶溶解酶能先于病 原菌的扩散并且引起中间层的降解，因此使植物 细胞一

38、个一个的分离。（图2.12和2.13）拟南芥 的叶肉细胞被生长的菌丝所浸软。（图2.13）. 2 . 1 3 . tissue degradation in Arabidopsis leaves colonized by B.cinerea. 在葡萄胞菌孢子萌发的过程中果胶酶的活动程度 和在曲霉菌孢子萌发过程中果胶酶的活性很相似。 曲霉菌是真菌果胶酶生产最高者之一，并且它是 应用在生物技术中的果胶酶的重要来源。在葡萄 胞菌和曲霉菌孢子的萌发中果胶酶的活性要明显 高于在它们的菌丝体中。在葡萄胞菌分泌的降解 细胞壁的酶中，带有基本等电点的内切多聚半乳 糖醛酸酶是首先分泌酶之一，这种酶的活性能在 外

39、层侵染区域表示为主要探测的蛋白酶原而其他 的内切多聚半乳糖醛酸酶仅仅能在病变中心被探 测到。 因为内切多聚半乳糖醛酸酶显示了浸解和杀死 的活动，所以植物细胞的死亡或许并不仅仅是 浸解的结果。葡萄胞菌的菌丝降解中间层因此 能增长细胞的空间（图2.12A）。在这些侵染 位点真菌菌丝的生长能迅速利用植物的营养， 以至于植物细胞看起来仅仅是叶肉壁和植物细 胞质剩余的部分。 正如上面所讨论的，在建立侵染时期，成功的促 进和抑制病原菌的侵染很大程度上取决于宿主和 病原菌发生侵染关系的接触面。一个活跃的植物 细胞能对病原菌的侵入做出抵抗的反应。植物细 胞缓慢和消极的反应则能导致病原菌有效地侵入。 基因芯片技

40、术的分析揭示了在侵染位点周围大量 的拟南芥基因表达的差异。 这些基因很多的编码MAP激酶，WRKY转录因子 和致病性相关蛋白都会在病变处被诱导，但是在 远一些的叶片上则不会表达或者表达水平低。这 些蛋白表明了具有防卫作用。总体全面的转录分 析，特异性信使RNA的测量水平以及转入嵌合体 GUS启动子融合物的转基因植物的测光密度计分 析都能显示出与致病相关基因的诱导，例如在侵 染位点周围PR1，BGL2，PR5 ,PGIP2，GST1和 PDF1.2要高于离病变远点的组织。 图2.14表明了仅仅在葡萄胞菌侵染病变的周围 PR1的诱导，而GST1在病变处和离病变处远点的 叶片上都能被诱导。这些结果表

41、明了大多数防御 反应的活动都会发生在细胞的侵染位点周围，并 且其主要的角色就是牵制病原菌的侵染体系。这 种在离病变处远的叶片上相关基因的低水平表达 可能是限制二次侵染。这种在宿主和病原菌之间 接触面的植物细胞的凋亡和坏死会刺激葡萄胞菌 的生长和发展。这种决定抵抗和感病的场所经常 发生在侵染前线，这个侵染前线是一个非常小的 区域这个区域被称为宿主和病原菌的直接关系区。 腐生细菌的侵染 许多致病性的细菌都是腐生的。它们通常通过气 孔或伤口进入到宿主组织当中。这张电子显微照 片显示了假单胞菌属绿脓杆菌的在拟南芥LL-O的 叶片上叶表皮细胞气孔处的堆积物。图2.15 在侵染到植物组织之后，细菌会集中在

42、气孔下腔 凹处和细胞间的空隙中。在侵染的早起阶段，除 了气孔下腔凹处的细胞和受伤细胞表现出质壁分 离外大部分细胞都是完整无损的，这些存在问题 的细胞的细胞器会被分解。图2.16 就是假单胞 菌属绿脓杆菌在拟南芥表皮细胞的堆积，并且通 过气孔侵入到气孔下腔。细菌细胞会黏附在植物 表面的气孔上也会黏附在叶肉细胞壁和表皮的细 胞壁内部巨大的气孔下腔上。 在侵染后期，细菌会在细胞的空隙中增值并且 沿着叶片由上往下传播。实际上很多表皮细胞 都会由于中间层的破坏而被分离开来，并且随 后细胞间的空隙会增加相反的细胞的体积会减 小。叶肉细胞的收缩大多数可能是宿主细胞内 的营养物质被增值的细菌所吸收的结果。 细菌的侵染会对宿主的细胞壁和细胞质和细胞器 以及一些位点和组织有很大的影响。宿主细胞破 坏的第一个表现就是在与细菌的接触面轻微的质 壁分离和细胞膜结构收缩（叶绿体，内质网，和 高尔基体）。细菌的增值会导致宿主细胞器的重 分布，变化以及之后的破解。在之后的侵染过程 中，外层叶绿体膜会变得肿胀，并且他们的基质 类囊体和宿主线粒体嵴也会被破坏。另外它们之 间的骨架会被破解，并且细胞器包括叶绿体在细 胞中会被重新分布。宿主的原生质膜会变成