植物免疫的机制

1、植物免疫的机制摘要：植物具有特异与动物的免疫机制，它表现在避病性、抗病性及耐病性三方面，是植物在于病原物对抗并协同进化的过程中获得的。植物在受到病原物入侵后，不亲和植株能通过在入侵部位识别诱导因子，再通过各种信号传递途径引起预存诱导防卫系统及诱导防卫系统的应答，依靠物理性及化学性的防御机制，阻止病原物的入侵，同时整株植株获得诱导性系统抗性。关键词：植物；免疫机制Mechanisms of Plants immunitySummary: Plants have immune mechanisms which are different from animals, they represent a

2、t three wayspreventing, resisting and enduring. These mechanisms are obtained by antagonizing and evolving with pathogens. After invaded by pathogens, antipathic plants can recognize inducing factors in invasive place, response by prestored inducible system and inducible system throught many kinds o

3、f signal ways, stop pathogens invading by physics and chemistry recovery mechanisms and obtain inductivity systemic fastness at the same time.Key words: plants; immune mechanisms.在自然环境中，植物与各种病原物的接触无时无处不在，但在大多数情况下，植物却能正常生长发育并繁衍后代，这是因为植物在其长期演化过程中，形成了多种与病原物对抗的途径，获得了免疫性。由于植物营固着生活，不像动物般能通过运动来躲避病原物，也不具有动物

4、般的神经系统及体液循环系统，因此，植物的免疫具有不同于动物的特点。1.植物免疫性的表现植物的免疫性表现在避病性、抗病性及耐病性三方面。1.1.植物的避病性自然界的各种病原物几乎都有一个最适宜的发生和传播期，这是因为病原物的生长、传播及繁殖对周围的自然环境有一定的要求，如温度、湿度、酸碱度等，使其生长周期与节气相关。比如马铃薯晚疫病的病原菌大量发生和传播的最适条件是低温和高湿，对应我国华北地区就是七、八月份的雨季。同时，植物对某些病害又有一个最易染病期，上述的马铃薯晚疫病的最易染病期就在现蕾之后。不难发现这是由病原物的入侵特性决定的，如病原物特定的入侵途径、特定的入侵部位等，使其入侵与植物的生长

5、周期相关。如此一来，有的植物就可以通过发展出使其最易染病期避开病原物大量发生和传播期的免疫的机制而免受或少受病原物入侵，即获得了避病性。植物的避病性的获得相信是生物间协同进化的结果，即由于自然选择的作用，最易染病期与病原物大量发生和传播期相一致的植物因受病原物入侵而灭亡，不能通过繁殖而将其基因传给后代，而最易染病期与病原物大量发生和传播期不一致的植物却得以繁衍，使种群的基因频率发生改变，最终种群获得了避病性。1.2.植物的抗病性植物的抗病性是指植物直接抵抗病原物入侵的特性，包括抗侵入、抗寄生及抗再侵染三方面。1.2.1.抗入侵抗入侵是指植物在受到病原物通过机械力量或酶类溶解植物表层或植物的伤口

6、的方式入侵时，依靠其表面角质层、蜡质层、木栓层等结构，或者较迅速地愈合伤口，或者在被入侵表面分泌抗生物质来抵抗入侵的能力。1.2.1.1.物理性防御机制植物可通过在质膜和细胞壁间形成乳头状小突起、晕斑和胝质沉淀，在导管处产生胶状物质和侵填体1，在叶表面等部位形成角质或蜡质层，在受伤组织周围形成木栓组织，产生各种树浆和树脂等，有效防御病原微生物的入侵2。这就好比是动物的皮肤免疫，但是植物的物理性防御机制对病原物的入侵更具有针对性，即它有选择性地在受入侵的局部区域加强防御，而且针对不同的区域，其物理性防御的机制也有所不同。一方面，植物的这些防御结构可以在植物体表面或细胞外形成一道物理屏障，阻止病原

7、生物的入侵2；另一方面，可以结合化学性防御机制，如木质化组织产生木质素、树浆、树脂等化合物能在植物组织的多糖分子及蛋白质分子外形成一层保护膜，使病原菌不能通过水解植物组织而入侵。此外，植物体表面的绒毛、水孔、气孔等的数量、构造及开闭的习性，细胞分裂的速度（影响伤口愈合的速度），植物的株型、叶型、开花类型（如闭花传粉）等都有一定的免疫意义。相信这是造成病原物具有特定的植物入侵种类的原因之一。例如，有的植物的气孔的保卫细胞的外壁具有彼此相互接近的特殊的角质层隆起，能使气孔几乎关闭，导致带菌液滴不易进入1。1.2.1.2.化学性防御机制一方面，植物可在受到真菌、病毒、细菌等病原微生物入侵时，在其特定

8、的对侵袭具有自然免疫性的组织内，诱导次生代谢，形成对病原生物有杀灭或抑制作用的次生物质2来构成植保素或抑菌物质以参与免疫反应（植物的诱导防卫系统）1；另一方面，植物体内的非诱导次生物质可预先形成的抑菌物质，并暂时贮存在一定的组织中，当其受到病原体的诱导后再转变为植保素、木质素等产生免疫反应（植物的预存诱导防卫系统）1。值得注意的是，这两种防卫系统共同作用时能互补不足：预存诱导防卫系统虽然能及时快速地在受入侵部位建立起应对的化学性防御机制，但若预存过多的次生代谢产物，将造成能量与物质的浪费，不符合经济性的原则，而且根本无法确定最大需求的预存量。这时，诱导防卫系统便起到根据实际需求补足预存不足的作

9、用。可是，单靠诱导防卫系统也不行，因为虽然诱导防卫系统对实际需求具有针对性，但往往滞后，不能像预存诱导防卫系统般迅速应对入侵。常见的化学防御性产物及其防御机制如下：1.2.1.2.1.植保素（Phytoalexin，PA）植保素是植物受到感染后诱导产生的一些酚类、类菇及含氮有机化合物的总称，如苯甲酸、红花醇、绿原酸、蚕豆素、菜豆素等。植保素对病原真菌有高度毒性且无特异性，能够提高植物抗病能力，增强免疫能力。其诱导积累只局限在植株受入侵的细胞周围，起化学屏障作用1，并不通过导管（管胞）或者筛管（筛胞）运输到植株的其他部位。这些植保素性质各异，对植物自身的作用也不同：酚类物质能影响细胞膜的透性及A

10、TP的形成等，在有关酶的作用下还能形成抗菌物质，对病原体有较强的细胞毒性；类黄酮则主要起屏障隔离作用3。例如，油茶中的皂苷对炭疽病菌有较强的毒害作用4；锥栗中的多酚类和黄酮类物质可以抑制锥栗栗疫病菌的生长5；木本植物的心材部分的萜类和酚类物质具有很强的抗腐性；洋葱的抗性品种外部鳞叶中含有大量的原儿茶酚，对斑点病菌具有高度毒性；羽扇豆叶中含有羽扇-豆酮和2-脱氧羽扇豆酮，对炭色蠕孢菌丝体有抑制作用6。1.2.1.2.2.木质素（lignin）植物受入侵后所引起的细胞壁木质化会伴随着木质素的产生及积累，它加大了病原菌穿透细胞壁的压力，增强了细胞壁抗酶溶的作用，这是因为病原菌不能分泌分解木质素的酶类

11、。同时，木质素是亲脂的，可以防止病原生物产生的毒素进人植物组织也限制寄主细胞内水分及营养物质向病原扩散，导致病原菌因得不到营养而不能长期生存。此外，木质素的低分子量酚类前体及多聚作用的产物可以钝化和破坏真菌膜、酶和毒素，限制了真菌酶和毒素向寄主细胞内的扩散7，因此，为阻止病原对寄主的进一步入侵提供了有效的保护屏障。1.2.1.2.3活性氧（active oxygen）活性氧主要包括：超氧阴离子（O2-）、羟自由基（OH）和过氧化氢（H2O2）。H2O2能直接杀死病原物细胞，作为过敏反应（Hypersensitive Response，HR）的组成部分，能与胞壁蛋白质氧化交联，降低微生物酶的降解

12、作用，还能作为胞内重要的第二信使，调节与抗性相关的基因的表达。O2-可通过促使多酚类物质聚合来构成木质素及诱导细胞壁中羟脯氨酸的交联，以巩固细胞壁，并具有直接抑菌作用1。另外，活性氧还被认为是受入侵细胞过敏性坏死的一个触发信号，并作为可扩散信号，通过胞间连丝扩散至邻近细胞，诱导邻近细胞防卫机制的启动，还可能参与了系统获得性抗性的建立8。1.2.1.2.4.水解酶（hydrolase）水解酶主要有-1,3-葡聚糖酶和几丁质酶。其中-1,3-葡聚糖酶可催化-D-呋喃葡聚糖残基聚合成胼胝质，在韧皮部筛管中堵塞筛板，以阻止病原扩散，也可水解真菌的细胞壁中的-1,3-葡聚糖以达到杀灭真菌的目的。几丁质酶

13、中类酶可将真菌细胞壁中的几丁质水解为具有诱导因子功能的寡聚糖以正反馈于防御系统；类酶具有溶菌酶的作用，可水解革兰氏阳性菌细胞壁上的肽聚糖的糖苷键3，使其失去细胞壁的保护作用，更易于被杀灭。1.2.2.抗寄生病原物一旦入侵植物体内，植物将从多方面抑制它的生长和繁殖：在薄壁组织中产生大量厚壁细胞来限制菌丝的蔓延伸展；入侵点附近的组织迅速木质化、木栓化甚至坏死，以断绝入侵病原物的营养来源；产生特殊的抗生物质，以杀死入侵的病原菌。这就是植物抗寄生的能力。其物理性及化学性防御机制与抗入侵相同，在此不再重复。1.2.3.抗再侵染抗再侵染是指植物在受到病原物的入侵后，很快产生一种抗性，使同类病原物不能继续入

14、侵的能力。即植物拥有系统获得抗性（Systemic Acquired Resistance，SAR），它往往是广谱而且系统性的，相当于动物的后天获得免疫性1,9。1.3.植物的耐病性当病原物入侵植物体内并在其中生长繁殖时，植物能够通过自身调节，免受或少受病原物的危害。例如，当小麦锈病能破坏植物表皮，使小麦蒸腾增大，丧失水分，而抗病品种则可以以较强的吸水能力来减少这种危害。再如甘蓝根肿病能破坏甘蓝的根部，而抗病品种却能通过迅速生出新根来减轻病害。还有些感染病毒的植物能够通过降低病毒颗粒在体内的浓度或者降低病毒毒性来减少受害。2.植物免疫性的机理2.1.病原的致病作用造成植物病害的病原主要有真菌、

15、细菌、病毒、类病毒等几类。不同种类的病原物对寄主的致病破坏途径不同，主要有以下几种：产生破坏寄主细胞的酶类如角质酶、果胶酶、纤维素酶、磷酸酶、蛋白酶等，使寄主组织变软、腐烂、坏死。分泌破坏寄主细胞膜和正常代谢的毒素或者分泌阻塞寄主导管的物质，致使植株因运输被中断而枯萎；产生植物激素，破坏寄主原有的激素平衡，导致生长异常。利用寄主的蛋白和核酸合成系统作为自身的增殖原料。把自身的片段整合到寄主上，迫使寄主合成供自己生长增殖的物质。2.2.寄主对病原体产生的诱导因子的信号识别病原在对寄主的致病过程中能产生可诱发植物的一系列防卫反应的物质，即为诱导因子。诱导因子可在植物受入侵部位通过胞外介质局部扩散，

16、在细胞质膜上或者细胞膜内、细胞壁上，通过配体和受体间的特异性相互作用，引起植物细胞对病原体信号识别。因此，植物的免疫反应是局部的免疫反应。2.3.防卫反应中的信号传导2.3.1.离子流的变化当植物细胞上的受体与病原体产生的诱导因子（配体）特异性相互作用后，会引起植物细胞的离子流的变化，即由Cl-、K+外流及Ca2+、H+内流引起的质膜电位的去极化。其中H+内流和K+外流可引起胞外介质碱性化；Ca2+内流可激活1,3-葡萄聚糖合成酶，活化蛋白激酶，蛋白激酶（A、C、G）和Ca2+-钙调素依赖的蛋白激酶可使受体末端的丝氨酸或苏氨酸磷酸化从而诱导胞外介质碱性化等反应。2.3.2.氧化跃变又称氧爆、氧

17、猝发，表现为植物在对病原的非亲和反应中，活性氧的急促释放10，可能是通过信号途径产生的，与哺乳动物嗜中性粒细胞在免疫应答中的作用相似。其产生的机制可能与NADPH氧化酶有关，即受体与病原体产生的诱导因子（配体）特异性相互作用后激活G蛋白，活化PKC（蛋白激酶C），引起Ca2+内流，作为第二信使，磷酸化蛋白激酶，在质膜中形成NADPH氧化酶复合物，催化O2与NADPH反应生成O2-，后在超氧化物歧化酶（SOD）的催化作用下，与H+反应，迅速转变成H2O2。H2O2又能通过Harber-Weiss反应，与O2-生成OH3。2.3.3.肌醇磷脂途径受体与病原体产生的诱导因子（配体）特异性相互作用后激

18、活G蛋白，活化磷脂酶C（PAC），催化肌醇磷脂（PIP2）水解，生成3磷酸肌醇（IP3）和二酰甘油（DAG）。其中IP3可促进Ca2+库释放Ca2+，而DAG可激活蛋白激酶C（PKC）3，加速上述的氧化跃变。2.3.4.过敏反应（Hypersensitive Response，HR）、系统获得性抗性（Systemic Acquired Resistance，SAR）与诱导性系统抗性（Induced Systemic Resistance，ISR）2.3.4.1.SA-依赖性途径（SA-dependent pathway）过敏反应（Hypersensitive Response，HR）指植物在受

19、到病原物入侵时，其受侵部位在几小时内形成局部细胞死亡以限制病原物的增殖与扩散的现象11，其生理特性包括迅速的氧化跃变并形成氧化斑，K+-H+交换，植物细胞壁的交联（crosslinking），病程相关蛋白如几丁质酶和葡聚糖酶的合成等1。值得注意的是，过敏性的细胞程序性死亡（programmed cell death，PCD）必须在NO及水杨酸（salicylic acid，SA）的协调作用下发生，而NO的产生须经植物抗病原物的识别诱导，这确保了过敏性的细胞程序性死亡对病原物有针对性，并将其作用区域局限在受入侵部位，以减少对其他正常区域细胞的损害。过敏反应几天或一周后，整株植株会对该病原物产生抗

20、性，即获得了系统获得性抗性（Systemic Acquired Resistance，SAR）9。SAR和HR需要内源信号分子水杨酸（salicylic acid，SA）介导，称之为SA-依赖性途径（SA-dependent pathway）。其产生的机制可能是SA作为电子供体为可溶性SA结合蛋白（SA-binding protein，SABP）12,13提供一个电子，使其处于相对不活跃状态，抑制该过氧化氢酶的活性14,15，导致H2O2水平升高，作为长距离信号分子将信号传递至下游，诱导SA激活NPR1，NPR1通过锚蛋白重复序列和其它蛋白质发生选择性的协同修饰作用16,17,18，解除SNI

21、1的抑制作用，使TGA家族转录因子激活PR-1（pathogenesis-related protein）基因表达，转录出能识别出该病原物的诱导因子的受体蛋白，并将其锚定在细胞质膜上或者细胞膜内、细胞壁上，建立SAR。2.3.4.2.JA-依赖性途径（JA-dependent pathway）植物非病原菌株与植物相互作用时会诱导植物产生另一种系统性抗性，称为诱导性系统抗性（Induced Systemic Resistance，ISR）19。ISR对病原真菌和细菌同样具有广谱抗性。ISR是通过植物激素茉莉酸（jasmonic acid，JA）和乙烯（ethylene，Et）介导，称为JA-依赖

22、性途径（JA-dependent pathway）20。其中JA为植物创伤反应调节子，Et是从甲硫氨酸衍生而来的挥发性植物激素，能根据植物与病原菌的相互作用的特异类型促使症状朝正或负的方向发展，以控制病害症状。该途径可能通过诱导PDF1.2mRNA水平的提高，累积PDF1.2（plant defensin 1.2）而产生抗性；也可能通过PAD3编码camalexin合酶，合成一种起决定性作用的抗真菌化合物camalexin来获得抗性。此外，J Amyb与寄主细胞死亡有紧密的联系，可能参与了JA-介导的JA-依赖性途径（JA-dependent pathway）。2.3.4.3.SA-依赖性和J

23、A-非依赖性植物抗病信号传导途径间的交叉作用机制创伤处SA和JA诱导的基因表达间存在拮抗作用，使植物可通过动力学上的微小差异的累积或特殊信号传导分子的运输及时进行有效的防卫反应。SA和JA-依赖性防卫反应间的相互作用的调控存在正向和负向开关，两者共同参与，精确控制信号流量及方向，以在HR反应中，有效地激发防卫反应，将死亡细胞控制在一定区域；同时，还存在许多导致细胞死亡的负调控子，在植物防卫反应的各点起反馈调节子的作用，以阻止产生高破坏性的反应和减少能量损耗。其机制可能是隐性cpr5（consistive expression of PR gene）和显性cpr6通过直接的途径调节抗性，并通过J

24、A/Et介导的反应途径发挥SA-介导、NPR1-非依赖性的抗性作用21。2.4.防卫反应的遗传基础2.4.1.抗病基因根据Flor于1971年提出的基因对基因假说（Gene for gene hypo thesis）8，植物对某种病原的特异抗性取决于它是否具有相应的抗性基因，同时，病原的专一致病性决定于病原是否具有无毒基因。即寄主分别含有感病基因（r）和抗病基因（R），病原分别含有毒性基因（vir）和无毒基因（avr）。寄主的抗病基因和感病基因是隐性的等位基因，病原体的无毒基因和有毒基因也是隐性的等位基因3。只有当相应具有R的植物与具有avr的病原相互作用，才会激发植物相应的抗病反应，而其它情

25、况下寄主感病。这可用Van der Biezen and Jones22的“Guard”模型来解释，每一个由抗病基因（R）编码所得的R蛋白（guard）都有对应的由无毒基因（avr）编码所得的病原无毒蛋白产物和宿主靶目标（guardee），当无毒蛋白产物作用于宿主靶蛋白（guardee）时，会通过修饰蛋白激发病害，这会改变guardee的四级结构域，而R蛋白（guard）能监测宿主靶目标（guardee）的这种变化，当R蛋白（guard）监测出宿主靶目标（guardee）的四级结构域发生变化时，便将直接或间接识别病原的无毒基因所得的识别信号传至防卫基因，进而诱导防卫基因的迅速表达，启动植物的防

26、御反应机制。据此，遗传学家可将病原体和宿主的关系分为亲和及不亲和两类：不亲和反应通过超敏反应（HR）和系统获得性抗性（SAR）使寄主免受病原感染，亲和反应可使寄主感染病害。2.4.2.防卫基因防卫基因能通过表达，产生mRNA及病程相关蛋白（pathogenesis related proteins，PRs），直接作用于病原物，以限制病原物的增殖7。PRs可分为五类或更多不同家族，其中PR-1蛋白与SAR的发生有关；PR-2蛋白具有-1,3-葡聚糖酶活性；PR-3蛋白具有几丁质酶活性；PR-4可能与细胞中的Ca2+信号有关3。2.4.3.RNA沉默双链RNA（dsRNA）是引发RNA沉默的激发子

27、23，来源有三种：植物RNA病毒编码的RNA聚合酶（RdRPs）在病毒复制过程中所产生出的长的双链RNA（dsRNA）；病毒RNA的二级结构；病毒复制产生的RNA分子异常激活宿主RNA聚合酶（RdRPs）后所产生的双链RNA（dsRNA）。这些双链RNA在生物体内会被一个类似RNAase的称为Dicer的酶降解为小分子的干扰性RNA（small interference RNA，siRNA），并与RNAase结合形成RNA诱导的沉默复合体（RNA induced silencing complex，RISC），可特异性地攻击同源的mRNA并使其降解24，最终导致该病毒的RNA沉默。3.结语植物

28、的生长与人类的生活、生产密切相关，植物为人类提供了食物及工业原料，同时在环境的保护、美化上作用举足轻重。研究植物的免疫机制，有助于人类改进有益物种的抗病害能力，提高其产率；有助于抑制有害物种的生长，获得抑菌物质等，以减少各种病原物对人类生活、生产的危害。目前，人类对植物免疫的研究已从表观现象深入到分子机制的层面，但了解上仍不够全面，还有众多的免疫相关基因及作用分子有待发现，免疫信息的传递途径及各机制间的相互调节作用还有待研究，特别是在植物的诱导性系统抗性的获得的理论及应用上还大有所为。相信人类在不久的将来，可通过对植物进行有针对性的免疫接种，使不亲和物种的抗性相关基因得以表达，获得诱导性系统抗

29、性，并有助于人类对优良种株的筛选培植，最终让植物更好地服务于人。参考文献：1 戈家英, 阮芸玮. 植物的抗病机理探讨. 湖北植保, 2005, 5.2 袁秀云, 谢慧玲. 植物免疫及其机制J. 生物学教学, 2004, 29(9): 910.3 李斌. 植物的抗病机理. 生物学教学, 2003, 28(3).4 叶锋. 油茶皂苷在抗油茶炭疽病中的作用研究J. 江西农业大学学报, 2001(5).5 冯丽贞等. 植物次生物质与锥栗栗疫病抗性之间的关系J. 福建林学院学报, 1999, 25(1): 8183.6 Harborne J B. 生态学化学导论M. 北京: 科学出版社, 1998.7

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