植物真菌毒素的研究进展

植物真菌毒素的研究进展

在与植物的长期进化和复杂合作的过程中，抗病菌逐渐形成了植物的寄生性和抗病性。病原真菌产生的对寄主植物有毒性的代谢产物称为致病因子,主要包括酶、毒素、激素三大类。研究病原真菌毒素及其作用机理对于了解寄主与病原的相互作用,丰富植物病理学理论具有十分重要的意义。自20世纪40年代植物病理学家发现维克多利亚长蠕孢(Helminthosporiumvictoriae)毒素以来,已有许多病原真菌毒素被发现。20世纪80年代以来,人们从不断发现的新毒素种类和病原物与寄主植物的相互作用关系中,认识到植物病原真菌毒素是病原物的代谢产物,是在植物病害发生、发展过程中具有明显致病或致毒作用并对植物组织有明显损伤作用的物质。毒素具有对寄主植物诱发病害的敏感性诱导因子。迄今为止,已对不少植物病原真菌毒素作了广泛而深入的研究。现就近年来发现的病原真菌毒素的分类及特点作一简要概述,并对其应用前景作简要的分析和展望。1受病毒污染的非模拟病毒毒素根据植物病原真菌毒素对寄主致病范围的不同,可将其分为寄主专化性毒素(Host-SpecificToxin,简称HST)和非寄主专化性毒素(Non-Host-SpecificToxin,简称NHST)。寄主专化性毒素是由病原菌产生的一类对其寄主植物种或栽培品种具有特异性生理活性和高度专化性作用位点的代谢物毒素,亦称为寄主选择性毒素。这类物质即使在很低浓度下就能引起寄主植物的特异性反应,不同的寄主植物对产生该类毒素的病原菌的抗性或敏感性有明显差异。非寄主专化性毒素是由病原菌产生一类对其寄主植物种或栽培品种具有一定生理活性和非专化性作用位点的代谢物毒素,亦称为非寄主选择性毒素。这类物质在一定浓度下就能引起寄主植物的敏感性反应,这种反应也能区分寄主植物的抗病性差异。1.1病毒毒素的产生及结构及致病浓度寄主专化性毒素被证明是植物病害发生的决定因子,自发现维多利亚素(victorin)以来,现已对至少18种寄主专化性毒素进行了深入详尽的研究,对其致病机理,分子结构等也基本了解。产生寄主专化性毒素的真菌主要有:链格孢属(Alternaria)、长蠕孢属(Helminthosporium)、高粱买罗病菌(Pcriconiacirinata)、玉米黄叶枯病菌(Phyllostictamaydis)、番茄轮斑病菌(Corynesporacassiicola)、烟草枯萎病菌(Fusarinmoxysporumf.sp.nicotiana)等。链格孢属(Alternaria)的病原真菌至少能产生7种寄主专化性毒素:AM、AK、AF、ACR/ACT、AL和AB,它们可分别引起苹果、梨、草莓、柑橘、烟草和蕃茄(persici)等植物产生叶斑或茎枯等病害。近年来,通过对此类毒素的作用机制、活性组分以及分子生物学等方面的研究现已分析出以上各种毒素的化学结构和致病浓度。长蠕孢属(Helminthosporium)病原真菌至少能产生5种寄主专化性毒素:甘蔗长蠕孢(H.sacchari)产生的HS毒素;维多利亚长蠕孢(H.victoriae)产生的HV毒素:玉米小斑病长蠕孢(H.maydis)T小种产生的HMT毒素;玉米圆斑病菌(H.oryzae)产生的HO毒素等。目前已完全弄清了它们的化学结构。此外,玉米叶点霉(Phyllostictamaydis)产生的PM毒素;旋卷黑团孢(Periconiacircinata)产生的PC毒素引起高粱的买罗病;山扁豆生棒孢(Corynesporacassiicola)产生的CC毒素;烟草尖镰孢(Fusariumoxysporiumf.sp.nicotianae)产生的FON毒素等均属寄主转化性毒素。1.2对人、猪毒以及其它毒素的毒素这类毒素不表现出寄主的特异性,在植物病程中起着毒力因子而非即致病因子的作用。近年来,对NHST的报道多见于其致病机理、培养条件如培养基组成、培养温度、时间以及规模化生产条件的研究。产生NHST的常见病原菌有:镰刀菌属(Fusarium)、长蠕孢属(Helminthosporium)、交链孢属(Alternaria)、稻梨孢(Piriculariaoryzae)、大丽轮枝孢(Verticilliumdahliae)、稻尾孢(Cercosporin)、茎点霉(Phoma)、疫霉属(Phytophthora)、核盘菌(Sclerotiniasclerotiorum)、露湿漆斑病菌(Myrotheciumroridum)、立枯丝核菌(Rhizoctoniasolani)、壳二孢属(Ascochyta)、刺盘孢属(Colletotrichum)、番茄叶霉病菌(Cladosporiumfulvum)、黑麦喙孢菌(Rhynchosporiumsecalis)、荷兰榆长喙壳菌(Ceratocystisulmi)、壳梭孢属(Fusicoccum)、甘蔗壳多孢菌(Stagonosporasacchari)、溃疡病菌属(Seirdium)、腐霉属(Pythium)、红根病菌(Pyrenochaetaterretris)、根腐病菌(Macrophomacastaneicola)、松针褐斑病菌(Lecanostictaacicola)、杉树叶斑病菌(Mycosphaerellapini)、栗疫病(Cryphonectriaparasitica)、白纹羽病菌(Rosellinianecatrix)、向日葵茎腐溃疡病菌(Phomopsishulianthi)、葡萄弯孢壳(Eutypalata)、大麦云纹病菌(Rhychosporiumsecali)、茶灰斑病菌(Pestalotialongiseta)等。镰刀菌属(Fusarium)产生的NHST由于其中有不少对人、畜有毒,所以报道甚多。在此仅以植物病原菌为例来介绍镰刀菌属产生的有关毒素。麦类赤霉病的优势致病菌-禾谷镰刀菌(F.graminearum)可以产生25种毒素,其中包括多种对人、畜有毒性的赤霉病菌毒素。其主要成分是脱氧雪腐镰刀菌烯醇(DON);串珠镰孢(F.moiliforme)产生的串珠镰刀菌毒素对玉米胚根的生长有明显的抑制作用并有强烈的动物毒性,是导致人类克山病和食道癌的重要因素。其他如由棉花枯萎病菌(F.oxysporumf.sp.vasinfectum)产生的FA毒素;由西瓜枯萎病菌(F.oxysporumf.sp.niveum)产生的Phytonivein;由茄病镰孢(F.salomif.sp.pisi)产生的毒素及由番茄枯萎病菌(F.oxysporumf.sp.lycopersis)产生的番茄萎蔫素(lycomarasmin)等化学结构及致病机理等均有大量研究。交链孢属(Alternaria)真菌除能产生寄主专化性毒素外,还能产生NHST,引起苹果、梨、桃、大豆、棉花、马铃薯等植物的黑斑病、褐斑病、黑腐病等。细链格孢(A.tenuis)产生的毒素是一种含4个氨基酸残基的环肽,它对多种植物有毒,可引起棉花、苹果褪绿,幼苗死亡,影响叶绿素的正常积累;百日菊链格孢(A.zinniae)产生的毒素用来处理百日菊可引发严重的症状包括茎枯萎、叶脉褐变、叶脉附近的组织褪绿,并可抑制百日菊、番茄、莴苣种子的发芽,在胡萝卜叶片上也能引起暗褐色的坏死斑,研究发现羟甲基和类异戊二烯链为此毒素对植物毒性的必需功能团;红花链格孢(A.carthami)产生的毒素能更广泛地渗透到植物组织引起病斑。其他如马铃薯早疫病菌(A.solani)、葱紫斑病菌(A.porri)、棉花轮纹斑病菌(A.macrospora)、尖叶番泻树链格孢(A.cassiae)、危害番茄的链格孢(A.alternata)等产生的毒素,在植物致病及致毒作用上占有重要地位,既可引起寄主植物的严重病害,也能对其他非寄主植物致害。其他NHST水稻胡麻斑病菌(H.oryzae)产生的毒素组分多且复杂,用其处理水稻叶片,可引发一部分典型症状,也能使寄主和非寄主植物的叶片褪绿,根生长受抑;麦根腐长蠕孢(H.satirum)产生的倍半萜类毒素高浓度时抑制根的生长,低浓度时可刺激根的生长,还可打破植物芽的休眠;玉米小斑病菌(H.maydis)除T小种外,产生的毒素用来处理甜菜、毛蔓陀罗、水仙、菜豆、小麦、和玉米等多种寄主的叶片也能导致坏死或褪绿。棉花黄萎病菌(Verticilliumdahliae)产生的VD毒素可导致植株体内ABA含量的增加,提高叶片的气孔抗性,改变细胞原生质膜的透性以及破坏细胞原生质体,从而引起萎蔫症状;大豆紫斑病菌(Cercosporakikuchii)产生的尾孢毒素(Cercosporin)具有明显的光敏致毒作用;大豆灰斑病菌(C.sejina)产生的毒素也可使植物组织失绿、萎蔫,最后坏死;松针褐斑病菌(Lecanostictaacicola)产生的毒素可作用于湿地松、火炬松、马尾松及空心莲子草和稞草等;其他如关于稻瘟病菌毒素、茎点霉毒素、疫霉毒素、向日葵菌核病菌毒素、甜瓜漆斑病菌毒素、植物立枯丝核菌毒素、植物炭疽病菌毒素、番茄叶霉病菌毒素、大麦云斑病菌毒素、荷兰榆长喙壳菌毒素、核果植物枯枝病菌毒素、甘蔗壳多孢菌毒素、柏树溃疡病菌毒素、小麦腐霉毒素、洋葱红根病菌毒素、板栗黑色根腐病菌毒素等均属NHST。2真菌毒素的应用2.1外源钙离子类化合物人们在弄清毒素结构的基础上,利用合成的与病菌毒素相拮抗的化学物质以以毒攻毒的方式防治真菌病害。1984年有人利用甘蔗眼斑病菌毒素结构类似的化合物(新型杀菌剂)或类毒素作用于病原体,部分地抑制或限制了甘蔗眼斑病菌产生的HS-毒素。吴纯仁等(1991)研究发现用外源钙离子处理组织对油菜菌核病的发生和扩展具有显著的抑制作用,其可能作用机制是钙离子与病菌分泌的草酸形成非溶性的草酸钙晶体。Cristinzio-G等(1992)研究发现Phytophthoranicotianae产生的毒素具有提高植物抗性的潜力。2.2镰菌毒素化学型真菌产生毒素的特征是由基因所调控的,有的毒素只由某一种真菌产生,甚至某个致病变种或致病型所产生,据此可作为某些病原真菌分类的依据。王裕中等(1994)根据Miller对有关镰刀菌毒素化学型的分类,将待测的47个镰刀菌菌株分为化学型Ⅰ。另外,真菌毒素还可用于植物分类,人们发现链格孢菌产生的细链格孢毒素在植物分类上得到应用。先从亲本中遗传亲缘关系入手,一般认为F1代对某一毒素的反应应该与母本反应一致,这项技术也可用于帮助确定植物遗传亲缘关系。其中较为经典的例子是,用玉米小斑病菌T小种产生的毒素可区分出T型细胞质的玉米和O型及N型细胞质的玉米。2.3毒素在育种中的应用根据毒素作为一个致病或致毒因子的来源,它可以代替产毒菌株处理植物整体或器官来作为一个选择压,筛选抗毒素即抗病原真菌的优良品种,利用毒素代替病原菌对待测材料进行测试,可以简单快速地筛选出具有初步抗病作用的材料。在杂交育种中,用毒素处理过的花粉粒授精可明显提高后代对毒素的忍耐力。翟国英等(1991)应用玉米大斑菌毒素代替大斑菌分生孢子接种,来鉴别1号和2号生理小种和自交系的抗病性,为毒素用于抗病育种提供了理论依据,王广金(1991)用小麦赤霉病菌毒素分别接种抗、感小种,分析品种抗性的原因,为科学育种提供了理论基础。孙光祖等(1992)以离体筛选获得的抗根腐病小麦突变体及其亲本为材料,在根腐病菌毒素作用下研究植物防御酶系中POD、SOD、PAL的活性变化,为突变体的抗病真实性提供了依据,为抗病育种材料的筛选提供了一种新方法。此外,利用植物病原菌产生的毒素进行植物抗病性鉴定已在不少作物病害如甘蔗眼点病、水稻胡麻叶斑病、小麦赤霉病等上有过成功的报道。3关于抗菌活性的开发某些病原菌可产生胞外多糖、杂环类化合物、有机酸、蛋白脂多糖等人工难以合成的具有天然活性的复杂化合物类毒素,在商业上具有一定的开发应用前景。某些病原菌产生的毒素对人、畜有毒,可通过研究、模拟其合成途径来了解其作用机理,采取适当的措施控制其合成。非寄主专化性毒素不仅对寄主有毒害作用,对其它一些植物也有一定的毒性,可进一步研究开发为生物除草剂。叶建仁等(1999)报道了松针褐斑病对空心莲子草、稞草等农田杂草有致萎性,为毒素的利用提供了新思路。张金林等(2000)研究发现,葱紫斑病菌(Alternariaporri)毒素对稗草有一定的抑制作用,可望开发成为除草剂。Abbas等(1991)实验研究发现,Fusariummoniliforme及其产生的毒素具有可开发成生物除草剂的潜力。Jones等(1990)对土生真菌Gliocladiumvirens进行研究发现,它能抑制草种萌发且对萌发产生的幼苗具有强烈的矮化作用,进一步研究表明,其除草活性与其甾族化合物毒素的毒性有关。Kim等(1994)研究发现Drechsleraportulasae产生的毒素具有除草活性。万佐玺等(2001)用生测法对链格孢菌的粗毒素的致病范围进行了研究,为进一步研究和开发链格孢菌及其毒素作为防治紫茎泽兰及其它杂草的生物除草剂提供了理论依据。总之,毒素的利用范围甚广,还有一些方面有待开拓。近年来国内、外有人报道毒素既可作为有毒物质,还可作为类激素制剂来使用。用毒素对某些种子的萌发具有促进或抑制作用将其进一步开发为作物的促生剂或化学抑制剂。Howell-CR等(1994)研究表明,Gliocladiumvirens产生的毒素可用于处理种子而不损伤胚根。小麦赤霉病菌毒素DON可以促进愈伤的生长、分化,在低浓度下可以促进再生植株的生长