植物病原菌毒素的作用机理

植物病原菌毒素的作用机理

植物病原体可以产生有毒植物的概念始于19世纪。在19世纪，人们称这些有毒物质为植物毒素（phytolin）。之后，肛门和雇员将其称为病毒素（gore），这在植物疾病中起着重要作用。这个概念表明，由致病性微生物引起的这些寄生虫的原因是由寄生虫引起的。*通讯作者,余柳青,TelE-mail:liuqyu53@不仅表现它们的毒性(toxicity),即对寄主植物有毒;更重要的是它们的致病活性(pathogenicactivity),即可引起寄主植物类似于产生菌相同或相似的病害症状。植物病原菌毒素与农业生产中大多数植物病害密切相关。近一个世纪以来,国内外研究者对植物病原菌毒素作了广泛而深入的研究。目前,大多数研究主要集中于毒素作用机理及其应用方面的研究。1-类毒素根据植物病原菌与寄主植物之间的特异性互作关系,植物病原菌毒素可分为2类:即寄主非选择性(非专化型)毒素(non-host-specifictoxins,NHSTs)和寄主选择性(专化型)毒素(host-specifictoxins,HSTs)。1.1化学结构的毒素HST对寄主植物是有选择性或专化性的,是由病原物产生的一类对其寄主植物种或栽培种具有特异性生理活性和高度专化活性作用位点的代谢物,这类毒素在很低浓度水平下就能引起寄主植物的特异性反应。所以被认为是植物的致病因子。已经报道有9个属的21种植物病原菌可以产生该类毒素。其中已经明确化学结构的毒素有15种。该类毒素主要有链格孢属(Alternaria)产生的AK,ACT,AAL,AF,AM,AT,ACR,AB,AP-毒素,长蠕孢属(Helminthosporiun)产生的HV,HC,HMT,HS,HMC,T-毒素,玉米黄叶枯病菌(Phyllostictamaydis)产生的毒素等。高粱买罗病菌(Periocniacircinata)产生的PC-毒素,番茄轮枝病菌(Corynesporacassiicola)产生的CC-毒素,玉米黄叶枯病菌(Phyllostictamaydis)产生的毒素等。1.2宿主非专化性毒素NHST对寄主植物具有非选择性或非专化性的,仅仅是对寄主植物种或栽培种具有一定生理活性或非专化性作用位点的代谢物。该毒素在一定浓度下也能引起寄主植物的敏感性反应,这种反应也能区别植物抗病性程度上的差异,但这类毒素在植物病程中仅仅加剧病情恶化和加重症状表现,所以仅具有病害的次生决定因子或称为毒力因子(virulencefactor)的作用。迄今为止,已经发现的寄主非专化性毒素有60多种,主要是镰刀菌属(Fusarium)产生的单端孢霉烯类毒素和玉米赤霉烯酮类毒素,前者主要包括雪腐镰刀菌烯酮、脱氧雪腐镰刀菌烯酮、乙烯去氧雪腐镰刀菌烯酮、木霉毒素等;玉米赤霉烯酮类毒素包括玉米赤霉烯酮、玉米赤霉烯醇、4—酰基玉米赤霉烯酮。长蠕孢属(Helminthosporiun)产生的蛇腔孢毒素、麦根长蠕孢菌毒素、玉米长蠕孢菌毒素等,还有疫霉属(Phytophora)、链格孢属(Alternaria),轮枝孢属(Verticillium),尾孢属(Cercospora)等植物病原真菌产生的毒素。2in和hv-toxin2.1寄主专化性毒素的作用机理2.1.1链格孢属(Alternaria)真菌产生的寄主专化性毒素的作用机理AK-Toxin由引起日本梨黑斑病的菊池链格孢菌(Alternariakicuchiana)产生。该毒素可分为AK-ToxinⅠ和AK-ToxinⅡ,二者均为四环肽。该毒素主要作用位点是梨细胞的原生质膜。作用机理为引起细胞膜透性改变,电解质外渗,抑制细胞蛋白质的新合成,使细胞中Cu2+和Fe2+的含量增加,导致质膜凹陷,最后促使梨叶脉坏死。AM-Toxin由引起苹果轮斑病的链格孢菌(A.mali)产生。其三种组分为缩酚酸肽;其中AM-ToxinⅠ含量最高细胞毒性最大。该毒素作用位点为叶绿体和细胞壁表面,作用机理为抑制寄主诱导抗性的产生。ACT-Toxin由引起柑橘褐斑病的柑橘链格孢橘致病型(A.citriTangerinepathotype)产生。ACR-Toxin由引起粗皮柠檬褐斑病的柑桔链格孢粗皮柠檬致病型(A.citriRoughlemonpathotype)产生。ACT-Toxin的作用位点在线粒体,使线粒体膜电位发生变化。氧化磷酸化解偶联,同时还抑制苹果酸氧化过程。ACR-Toxin作用位点在质膜上,主要是引起寄主细胞电解质的渗漏。AAL-Toxin由引起番茄茎枯病的链格孢番茄致病型(A.aternataTomatopathotype)产生。AAL-Toxin主要作用位点为线粒体的氨甲酰天冬氨酸转移酶,可引起番茄乙醇胺(EA)和磷酸乙醇胺(PiEA)异常积累,从而抑制磷脂酰乙醇胺(PtdEA)的生物合成。AB-Toxin是由引起白菜黑斑病的芸苔链格孢(A.brassicae)产生。AB毒素的作用位点可能在寄主的细胞壁上和周质区。经AB毒素处理后,感病的油菜(Brassicacampestrisvar,yellowsaron)电解质,Ca2+,Mg2+,K+,蔗糖,氨基酸的丧失明显比抗病的芫箐(B.rapa)严重。AF-Toxin由引起草莓黑斑病的簇生链格孢(A.sciculata)产生。AF-Toxin作用位点是质膜蛋白。Ⅰ组分可引起寄主细胞膜去极化、离子泵活性被抑制,K+外渗。而且能使草莓和日本梨的叶脉坏死;Ⅱ组分能使梨叶脉坏死;Ⅲ组分对草莓有很高的毒性,对梨只有轻微毒性。2.1.3长蠕孢属(Helminthosporium)真菌产生的非寄主专化性毒素的作用机理HV-Toxin由引起燕麦维多利亚疫病的维多利亚长蠕孢(Helminthosporiumvictoriae)产生,是一种含氮倍半萜的多肽。该毒素处理的组织发生细胞膜去极化、电解质外渗、乙烯增加、呼吸作用增强、抗坏血酸氧化酶及过氧化物酶活性增加、蛋白质合成降低。HC-Toxin由引起玉米圆斑病的炭色长蠕孢1号小种(H.carbonumrace1)产生,为一种四环肽。HC-Toxin是转录控制核心酶——组蛋白脱乙酰基酶的抑制因子。HC-Toxin能刺激寄主植物呼吸作用、促进CO2暗固定、促进氮及其他物质吸收的增加,一般不引起寄主植物细胞质膜破坏。此外,该毒素还能促进H.victoriae在玉米上的生长。HC-Toxin的致病作用主要是抑制了寄主植物合成植保素——花色素苷的合成。HS-Toxin是由引起甘蔗眼斑病的甘蔗长蠕孢霉(H.sacchari)产生,是一种倍半萜糖苷。HS-Toxin主要作用位点为叶绿体膜。在抗病和感病无性系的细胞膜上都有毒素结合蛋白。HS-Toxin与质膜结合后,导致膜去极化、活化了膜上的K+-,Mg2+-ATP酶及膜糖基转移酶,使得离子平衡失调,导致原生质体膨胀、破裂、电解质外渗。HMT-Toxin是由引起玉米小斑病的玉米长蠕孢霉T小种(H.maydisraceT)产生的多酮醇。作用位点为敏感细胞的线粒体。对玉米感病品种主要作用为:①破坏寄主植物的氧化磷酸化作用,减少细胞ATP含量,引起细胞线粒体膨胀破裂;②增加感病品种的离子渗漏;③抑制气孔保卫细胞对K+的吸收;导致气孔关闭;④抑制与气孔功能有关系的CO2固定,使光合下降。⑤抑制微粒体K+-,Mg2+-ATP酶活性;⑥使玉米根表皮细胞去极化,抑制根伸长。2.3寄主非专化性毒素的作用机理玉米赤霉烯酮(zearalenone,ZEN)由禾谷镰刀菌(Fusarium.graminearum)产生。ZEN与17-β-激素乙醇竞争性作用于人类激素受体。ZEN及其代谢物促进苏芸金芽孢杆菌DNA的重组。诱导姊妹染色单体交换及染色体缺失。诱导基因组中插入λ-噬菌体的溶源菌发生SOS-DNA修复。玉米赤霉烯醇(zearalanel,ZEL)由多种镰刀菌(Fusarium)产生。作用机理是促进子宫DNA、RNA和蛋白质的生物合成,促进氨基酸、尿苷(Uridine)膜的透过性。并与子宫的上清组分中的雌(甾)激素受体相结合,进而侵入核内,使染色体的信息机构开放。脱氧雪腐镰刀菌烯醇(deoxynivalenol,DON)又名Rd-毒素(Rd-Toxin)是由禾谷镰刀菌(Fusariumgraminearum)产生。DON是动植物有机体的蛋白质合成抑制因子。在离体条件下,该毒素是肽骨架形成尿苷酸翻译的抑制因子。在真核生物中抑制蛋白质的合成的唯一的作用位点为60S核糖体,抑制蛋白质的合成一是抑制合成的起始阶段,二是抑制合成的延伸/终止阶段。DON在高浓度下可抑制寄主细胞质膜上的ATP酶活性,质膜透性增加,电解质外渗,原生质外渗,抑制呼吸作用,但在低浓度下能促进小麦与赤霉病抗病性有关的各种酶活性及其他生理过程。乙酰脱氧雪腐镰刀菌烯醇(acedeoxynivalenol,AcDON)是由多种镰刀菌(Fusarium)产生的半倍萜类物质。腾毒素(tentoxin)是由引起黄瓜、棉花等作物幼苗褪绿的交链病菌(Alternariatenuis)产生。腾毒素对光合磷酸化具有双重作用:一是抑制了光合磷酸化的末端反应,另一种是高浓度的毒素(4×10-7mol/L)直接抑制电子流动。腾毒素干扰叶绿素的合成,抑制感病品种的多酚氧化酶的活性,抑制植保素的合成。菜豆萎蔫毒素(phaseolotin)是由引起菜豆褪绿的丁香假单孢菌菜豆致病型(Pseudomonassyringaepv.phaseolicola)产生。菜豆萎蔫毒素导致敏感菜豆叶片褪绿,抑制鸟氨酸-氨基甲酰转移酶的活性,导致鸟氨酸在植物组织内的积累,阻止过敏反应,抑制菜豆叶片植保素的合成。烟草野火毒素(tabtoxin)和烟草野火毒素胺(tabtoxinine-β-lactam)是由烟草野火病菌(Pseudomonastabaci)产生,导致烟草及近缘种叶片褪绿。用烟草野火毒素和烟草野火毒素胺处理烟草叶片后,叶片褪绿和氨在组织中积累,而且褪绿症状出现很快。毒素处理后,烟草细胞的谷氨酰胺合成酶活性受抑制,导致植株褪绿、死亡。所积累氨由病菌进行代谢,进一步降低了植物内谷氨酰胺的含量,使植株更难与病菌主动接触。烟草野火毒素只能轻微的干扰1,5-二磷酸核酮糖羧化酶(ruBpase)和光呼吸作用。冠毒素(coronatine)是由引起大豆、马铃薯等细菌性病害的(Pseudomonascoronafacienspv.atoopurpurea)产生。将该毒素注射到大豆叶片上会产生褪绿晕圈。冠毒素作用位点还不十分清楚,从P.syringaepv.glydali培养液中分离到褪绿诱导因子,引起δ-氨基-γ-酮戊酸浓度下降。除引起褪绿外,还能引起马铃薯茎肿大,抑制水稻苗根伸长和小麦根伸长,具有IAA功能。冠毒素还能引起某些酚化合物和酶活性增加。壳孢毒素(fusicoccin)是由扁桃壳梭孢(Fusicoccumamygdali)产生,导致桃树枝萎蔫和枯褐。该毒素导致H+和Na+外渗,K+内渗,改变电势,刺激多种阴离子、葡萄糖、蔗糖和氨基酸的吸收;促进光合作用和CO2固定、促进植物细胞增大和气孔开放。在某种程度上表现植物激素的行为。萎蔫酸(fusaricacid)由多种镰刀菌(Fusarium)产生。该毒素通过鳌合作用束缚金属离子,抑制铁卟啉氧化酶和呼吸作用。抑制作用取决于该毒素分子中是否有羟基。也可以通过加入Fe3+而解除。缺少可鳌合离子的酶一般不受镰刀菌酸的影响。镰刀菌酸在植物体内的主要效应是抑制呼吸作用,影响细胞渗透性,引起电解质渗漏,干扰无机离子平衡。镰刀菌酸可以竞争性抑制多酚氧化酶。长蠕孢二醛(helminthosporal)是由麦根腐病菌(H.sativum)产生。该毒素作用方式为抑制了线粒体上电子流动和氧化磷酸化。破坏小麦光合作用,破坏细胞叶绿体传递系统,影响ATP积累。影响小麦不同品种的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(PO)、苯丙氨酸解氨酶(PAL)的活性,导致小麦叶绿体发生膨胀,外膜破裂,嵴扩张,颗粒化和空泡化及质膜内陷;叶绿体外膜和片层膨胀,外膜局部破损,片层结构紊乱。旋腔孢菌素(ophiobolin,cochliobolin)是由长蠕孢霉(Heminthosporiumsp.)产生的萜类物质。目前,该毒素的23个同分异构体已经被分离并鉴定出来。旋腔孢菌素可能的作用位点为细胞质膜。其中一些旋腔孢菌素抑制了麦苗根和胚芽鞘的伸长,降低种子萌发率,改变细胞膜透性,促进花色素苷及电解质、葡萄糖从根部渗漏,减少光合作用和CO2固定,导致呼吸改变及促进气孔开放,抑制蛋白质及核苷酸的合成。3植物毒素的应用随着植物病原菌毒素研究和开发的不断深入,其在以下几方面呈现出良好的应用前景。(1)通过修饰毒素基因再经过转基因的方式改变敏感燕麦的抗性首次应用例子是1955年Wheelwe和Luke利用HV-toxin通过种子萌发试验筛选到两株敏感燕麦品种。到目前,可以通过修饰毒素基因再经过转基因的方式改变寄主植物的抗性,例如在修饰单端孢霉烯醇(由镰刀菌产生)对寄主细胞的作用位点后,在该毒素存在的情况下,感染镰刀菌的寄主细胞仍然可以继续合成蛋白质,因此添加了一道寄主抵抗病原菌的防线。转基因的寄主植物细胞提高了对该病原菌的抗性。(2)atp生理反应一些毒素有助于研究细胞和酶的功能。例如,冠毒素促进ATP形式的能量转化为质子电化学梯度的能量,从而导致一系列的生理反应。如质子逐出,细胞变大,气孔开放,呼吸增强,CO2固定及ABA(脱落酸)的对抗作用等。(3)壳二孢毒素ascochine腾毒素最初被认为具有除草活性,后来发现链格孢菌产生的AAL-toxin可作为生物源除草剂开发,有比较宽的作用范围,Abbas等研究了86种作物和杂草对该毒素敏感。董金皋,李树正的研究结果表明,0.375~1.5kg/hm2剂量范围内对稗草、油菜及苋菜具有较高的防除作用,土壤处理优于茎叶处理。水葫芦链格孢菌(A.eichhorniae)产生的Alteichin,具有热稳定性和渗透性,可导致植物细胞膜的改变,导致叶片坏死,对水葫芦和其他水生植物有活性。壳二孢属真菌Ascochyt