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分子植物病理学

来源：花匠小妙招时间：2024-09-27 05:50

应用分子生物学理论和DNA重组技术研究植物病害发生的机制，阐明病程中寄主—病原物相互识别的分子基础，寄主和病原物与病程有关的基因结构、表达和调控机制的一门科学，是植物病理学的一个分支学科。核酸、蛋白质研究是分子植物病理学的重要特征。与分子生物学的区别是它不单纯考虑一般生物学现象，而是在寄主—病原物相互作用的基础上研究一切病理现象的分子基础，为植物病害防治和植物抗病基因工程提供理论依据。

分子植物病理学的研究在植物病毒病害中开始最早。1892年俄国伊万诺夫斯基（Д.Ивановский）证明，烟草花叶病毒（TMV）的滤过性，1935年美国斯坦利（W.M.Stanley）成功地分离出结晶并因此于1945年获诺贝尔奖。80年代以来，已对10多种植物病毒的基因组进行了鉴定。1986年美国比奇（R.N.Beachy）首先用烟草花叶病毒外壳蛋白基因获得烟草转基因工程植株，开辟植物抗病基因工程之先河。

分子植物病理学在细菌病害中的研究以冠瘿病最早。1942年美国布朗（A.C.Braun）发现冠瘿瘤细胞能在无菌培养基上自发生长。1974年比利时范拉尔拜克（N.van Larebeke）首先证明病原细菌的致瘤特性与其质粒有关，并将此质粒称为肿瘤诱发质粒即Ti-质粒。80年代植物病原细菌致病分子机理研究迅速发展。美国加布里埃尔（D.W.Gabriel）对棉花角斑病菌主要小种的无毒基因及其与具有相应抗病基因的棉花品种的相互作用作了系统研究。

真菌病害分子病理学最早在角质酶基因和豌豆素脱甲基酶基因（pda）方面取得进展。1984年美国索利德（C.L.Soliday）发现寄主植物角质对豌豆根腐病菌角质酶的诱导作用并用互补DNA（cDNA）方法分离了角质酶基因。

自1947年美国弗洛尔（H.H.Flor）提出基因—基因假设后，寄主—病原物相互作用的经典遗传学分析已证明十多种植物病害具有小种特异性并在群体和细胞水平上阐明了植物感病和抗病生理生化特征。80年代开始一些植物病理学家对相互作用的分子模式展开讨论共同提出植物防卫反应激活机制中的信号及其传递的概念。

分子植物病理学研究的主要内容有病原物致病基因表达；寄主抗、感病基因表达；寄主对病菌的调节；病菌对寄主抗、感病的调节；病原物致病性变化与寄主的关系；寄主抗病性变化与病原物的关系；抗病基因工程理论和方法等。

病原物致病基因表达

根据病原物在致病过程中与寄主关系的复杂性及其基因组大小估计，约有20～100个基因与致病性有关。根癌土壤杆菌已鉴定了十多个致病相关基因。这些基因有的在致病过程的不同阶段起作用，有的在致病基因调控中起作用。根据基因的表达产物，有编码胞外酶的基因，编码毒素的基因，编码植物激素的基因，编码胞外多糖的基因以及编码未知产物的基因。根据基因的功能，有的只与一个性状连锁，有的则与多个性状连锁，后一类基因称为多效性基因。多效性基因常与基因调控有关。对病原物致病基因的研究除鉴定各个基因外，还必须了解不同基因之间的关系，以及致病基因产物作用于寄主细胞上靶点的分子特征。

寄主抗、感病基因表达

根据寄主—病原物相互作用的遗传学证据推论，植物主动抗病性由识别阶段和防卫反应阶段组成，分别受寄主植物的抗病基因和防卫反应基因调控。抗病基因表达的产物即抗病蛋白已证明是由寄主细胞原生质膜上的受体，与激发子互作后通过信号传递激活防卫反应基因表达，合成植物保卫素及其他与防卫反应有关的生化机制。植物感病基因是在寄主—病原物亲和性互作中寄主的特殊病理反应中起调控作用。感病基因产物作为病原物致病因子的靶点（感受体）已在毒素和植物激素有关的病害中得到证实。在寄主专化性毒素引起的病害中毒素与受体的关系也符合基因—基因假说。在燕麦维多利亚长蠕孢引起的病害中已鉴定出对该病菌毒素敏感的基因，该基因编码的产物为细胞原生质膜上的蛋白受体。

寄主对病菌的调控

病菌致病相关基因有结构性表达和诱导性表达。诱导表达的基因受寄主细胞组分的诱导，作用机制为双组分调控。植物中对病原物基因有诱导作用的物质有酚类化合物，葡聚糖，单体角质和双聚半乳糖醛酸等。已发现具有双组分调控系统的植物病原菌有根癌土壤杆菌，梨火疫病菌、菜豆晕斑病菌和甘蓝黑腐病菌等。

病菌对寄主抗、感病的调控

植物抗病机制有主动和被动两类。受病原物诱导的抗性机制是主动抗性。主动抗性的表达决定于寄主细胞原生质膜与病菌特殊的细胞壁组分或代谢产物的相互作用。对寄主抗病性有激发作用的生化组分统称激发子，其中病原物产生的称外源激发子。已鉴定的外源激发子有葡聚糖、糖蛋白、寡糖、多肽等类型。作用方式已发现二种，一是与寄主细胞原生质膜受体结合，另一是作用于原生质膜上大面积的磷脂基因。植物的感病性取决于寄主—病原物的亲和性互作及其后的病理生理变化。寄主—病原物亲和性互作的特点是病菌逃避寄主的识别作用，从而使寄主的防卫机制休克。病菌中对寄主感病性有调节作用的组分有胞壁成分或分泌物。它们的作用有的是作为抑制子与激发子竞争寄主细胞原生质膜上的受体，有的直接抑制寄主合成植物保卫素。

病菌致病变化与寄主的关系

讨论病菌的致病性都是与特定的寄主相联系的。病菌致病性变化有三种基本类型：①寄主范围改变；②致病性丧失；③致病性增强或减弱。控制寄主范围有正向调控和负向调控两种方式。病菌的无毒基因属于寄主范围的负向调控基因，它与不亲和性互作有关。病菌中对寄主范围的正向调控基因决定亲和性互作。致病性丧失是由于基因缺失或重排等原因失去对所有寄主的致病能力。在病菌基因组中已发现对致病性强弱有调控作用的序列，它们对病菌致病生化因子常有多效性影响。

寄主抗病变化与病原物的关系

寄主抗病性变化是寄主自身的变化，也可能是病菌的变化。在寄主—病原物亲和性互作中，寄主处于选择压力下由于基因重排而产生新的抗病表型。在寄主—病原物不亲和互作中，病菌处于选择压力下通过基因重排而产生新的致病表型，使本来抗病的品种变成感病。植物主动抗病过程包括识别和表达两个阶段，其中起决定作用的是识别阶段。识别阶段涉及到寄主和病原物界面分子的特异性互作。因此，寄主基因和病原物基因重排后界面分子的性质和互作特异性就会改变，从而使寄主抗病性发生变化。

抗病基因工程原理和方法

植物抗病基因工程是以DNA重组技术为基础的抗病育种方法。理论上，任何一种生物的基因都可以向其他生物转移并在许多情况下是可以表达的。目前用于高等植物基因转移的载体主要来自根癌土壤杆菌的Ti-质粒。用于抗病基因工程的目的基因有来自病原物本身的基因组如病毒外壳蛋白基因。来自其他微生物，如颉颃蛋白基因。来自昆虫，如抗菌肽基因。来自寄主植物，如玉米的HC-毒素还原酶和番茄的蛋白激酶基因。目的基因的转化方法有载体法和直接法两种，常用的是载体法。关于目的基因在转基因植物中的表达策略，目前的做法是结构性表达，但这并不符合自然情况下寄主防卫反应基因表达的时、空规律。新近提出的策略是将目的基因置于防卫反应启动子的控制之下，使该基因的表达受病原物侵染的调控。