植物誘導(dǎo)抗病性及其機(jī)理的研究現(xiàn)狀

植物病害對(duì)人類的生產(chǎn)和生活影響巨大，植物病害的防治，不論在理論上還是在實(shí)踐中都有極其重要的意義。近年來，植物誘導(dǎo)抗病性及其機(jī)理的研究十分活躍。植物誘導(dǎo)抗病性利用誘導(dǎo)因子激發(fā)植物自身的抗病性，以達(dá)到控制植物病害的目的，既不污染環(huán)境，又有利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，因此愈來愈受到人們的重視。其機(jī)理著重研究誘導(dǎo)植株相關(guān)酶的活性變化、細(xì)胞壁的保護(hù)反應(yīng)、植物保衛(wèi)素的積累以及新蛋白的合成等方面。只有將植物誘導(dǎo)抗病性及其機(jī)理闡述清楚，才能有效地防治病害并且維持生態(tài)系統(tǒng)的平衡。

1  誘導(dǎo)抗病性的概念

植物體本身存在著抗病基因，現(xiàn)存的野生植物品種就是力證。經(jīng)過長(zhǎng)期栽培的作物，由于人工選擇的結(jié)果逐步喪失了抗性，這種抗病的潛在性可以通過適當(dāng)?shù)姆绞秸T導(dǎo)而表現(xiàn)出來。由誘導(dǎo)物誘導(dǎo)的植株抵御病原物的保護(hù)作用，早在1901年即被認(rèn)識(shí)，并被稱為“系統(tǒng)的獲得性抗性”。同時(shí)，Beauverie和Ray也認(rèn)為植物在遭受病原物侵染后可以產(chǎn)生對(duì)病原物進(jìn)一步侵染的抗性。30多年后，Chester報(bào)道并詳細(xì)描述了植株經(jīng)誘導(dǎo)而產(chǎn)生抗病性的現(xiàn)象。

20世紀(jì)50年代，Gaumann提出了“誘導(dǎo)的侵染保護(hù)反應(yīng)”的概念，他的觀點(diǎn)只局限于植物受病原物侵染刺激后而產(chǎn)生的保護(hù)反應(yīng)。這個(gè)概念盡管與目前誘導(dǎo)抗病性的概念有明顯區(qū)別，但它是現(xiàn)在使用的誘導(dǎo)抗病性概念的雛形。對(duì)于誘導(dǎo)抗病性現(xiàn)象的描述，還使用過幾個(gè)不同的術(shù)語，即“獲得性生理免疫”、“抗性位移”、“植物免疫作用”和“誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性”等。隨著誘導(dǎo)抗病性研究工作的廣泛開展，誘導(dǎo)抗病性的概念已擴(kuò)大為：“利用物理的、化學(xué)的以及生物的方法預(yù)先處理植株，使植物對(duì)病害的反應(yīng)發(fā)生改變，從而產(chǎn)生局部或系統(tǒng)的抗性”。事實(shí)上，在很多“病原菌-植物體”互作系統(tǒng)中，常常會(huì)同時(shí)出現(xiàn)局部抗病性和系統(tǒng)抗病性。

2  植物誘導(dǎo)抗病性的特性

根據(jù)目前的研究成果，普遍認(rèn)為誘導(dǎo)抗病性具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)誘導(dǎo)因子的非特異性：自然界中的植物特別是栽培植物對(duì)病害的抗性作用常常表現(xiàn)出明顯的專一性或特異性，而植物誘導(dǎo)抗病性則表現(xiàn)出不同程度的廣譜性。誘導(dǎo)物與病原物之間沒有明顯的特異性。不同的誘導(dǎo)因子能誘導(dǎo)對(duì)同一病原的抗性；反之，同一誘導(dǎo)因子也可以誘導(dǎo)出對(duì)數(shù)種病害的抗性。用煙草壞死病毒TNV(tobacco necrosis virus)誘導(dǎo)處理黃瓜后，能使黃瓜抵抗十余種病害。瓜類刺盤孢(Colletotrichum)、TNV以及假單胞菌(Pseudomonas lachrymnas)都可誘導(dǎo)出黃瓜對(duì)炭疽病的抗性。誘導(dǎo)抗病性的這種非特異性現(xiàn)象使它們對(duì)保護(hù)植物抵御多種病原的侵染成為可能。

(2)抗病的廣譜性：煙草經(jīng)誘導(dǎo)后，對(duì)7種病原引起的病情有明顯的減輕現(xiàn)象，包括多種真菌性病原，兩種細(xì)菌性病原和兩種病毒，但對(duì)供試的另外兩種病原已不起作用，表明誘導(dǎo)抗病的廣譜性是相對(duì)的，植物獲得誘導(dǎo)抗性后不可能對(duì)所有病害都有防御作用。

(3)抗病的相對(duì)持久性和穩(wěn)定性，往往具有整體性：Bennet等用綠原酸誘導(dǎo)煙草產(chǎn)生對(duì)Phytophthora parasitica和Sclcrotinia selerotorium等病原的系統(tǒng)抗性，這種抗性在誘導(dǎo)8d后的抗病效果與誘導(dǎo)3h后的一樣，在2周后仍明顯。黃瓜經(jīng)Colletotricham lagenarium弱毒株誘導(dǎo)后，對(duì)炭疽病的抗性持續(xù)在4-6周。

(4)遲滯性：誘導(dǎo)抗性有3個(gè)時(shí)間參數(shù)，即誘導(dǎo)期、最大期和持久期。時(shí)間參數(shù)因誘導(dǎo)因子、植物及病害種類而不同。誘導(dǎo)處理到抗病反應(yīng)的表達(dá)需要有一個(gè)間隔時(shí)期，稱為遲滯期或誘導(dǎo)期。它是植物對(duì)誘導(dǎo)刺激發(fā)生“免疫應(yīng)答”或基因敏感化所需的時(shí)間，一般需要幾天即可。最大期是指誘導(dǎo)抗性基因以刺激其活化到獲得最大表型效應(yīng)所經(jīng)歷的時(shí)間。通常在第7天達(dá)到最大效果。持久期是指誘導(dǎo)抗性的持續(xù)時(shí)間，它在不同病害體系中有很大差別。如煙草接種TMV后其抗性可持續(xù)20d左右；黃瓜用炭疽菌誘導(dǎo)的系統(tǒng)抗性可維持5-10周，甚至到結(jié)果期；松材線蟲病的誘導(dǎo)抗性可持續(xù)180d左右；病菌弱毒株對(duì)煙草抗赤星病誘導(dǎo)的持久期為21-28d。

(5)持續(xù)性：一般認(rèn)為，合適的誘導(dǎo)物可產(chǎn)生持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間的抗病性，而且在抗病性表達(dá)一段時(shí)間后開始減弱時(shí)，通過再次誘導(dǎo)可加強(qiáng)并延長(zhǎng)其抗病性。         

(6)傳導(dǎo)性：誘導(dǎo)抗性是可以進(jìn)行傳導(dǎo)的。KUC發(fā)現(xiàn)，黃瓜受誘導(dǎo)后體內(nèi)可產(chǎn)生一種“免疫信息物質(zhì)”，并通過韌皮部上、下傳導(dǎo)，使植株產(chǎn)生系統(tǒng)免疫，而

且能通過嫁接傳給接穗。李冠等用瓜類刺盤孢(Colletotrichum lagenarium)接種哈密瓜第1片真葉，2周后發(fā)現(xiàn)，新生出的第2片至第5片葉也有了抗病性。

(7)遺傳性：到目前為止，還沒有發(fā)現(xiàn)經(jīng)抗性誘導(dǎo)的植株的抗病性可以通過種子遺傳給下一代，但Tuzun和KUC曾報(bào)道，誘導(dǎo)對(duì)煙草霜霉(Peronospora             tobacina)產(chǎn)生系統(tǒng)抗性的煙草植株可通過組織培養(yǎng)將抗性傳給再生植株，而且這些植株在大田中也有抗性。李冠等人將經(jīng)免疫誘導(dǎo)的植株進(jìn)行脫分化形成愈傷組織，并與未經(jīng)誘導(dǎo)的植株的愈傷組織進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)來自免疫誘導(dǎo)植株的愈傷組織仍保持著若干抗生指標(biāo)，這為誘導(dǎo)抗病性的應(yīng)用開辟了一個(gè)新的領(lǐng)域。

(8)無污染：利用病原弱毒株、非寄主專一性病原或病原的分泌物、細(xì)胞壁成分作為激發(fā)植物抗性的誘導(dǎo)物，無污染、易分解、無殘留、對(duì)人畜無害；一些化學(xué)誘導(dǎo)劑及其衍生物本身作為植物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或組成成分，顯然是無公害的；一些人工合成誘導(dǎo)劑也是相對(duì)無毒或低毒的。

3  植物誘導(dǎo)后產(chǎn)生的抗菌性物質(zhì)的變化

3.1  誘導(dǎo)處理后酶活性的變化  早在1964年，Staples就研究了菜豆受菜豆單孢銹菌侵染后幾種酶活性的變化。在近三四十年的研究中，已積累了大量的資料，對(duì)誘導(dǎo)處理后的過氧化物酶(POD)、多酶氧化酶、苯丙氨酸解氨酶(PAI)、幾丁質(zhì)酶、過氧化氫酶(CAT)的活性變化進(jìn)行了研究。

植物在受到病原物侵染或是抗病激發(fā)子誘導(dǎo)后，POD、PAL、多酚氧化酶、幾丁質(zhì)酶的活性都大大增加。張欣發(fā)現(xiàn)辣椒感染炭疽菌后，3個(gè)品種的POD、多酚氧化酶、PAL的酶活性上升。翟彩霞等用低濃度玉米小斑病T毒素處理玉米CMS-T葉片后，再接種高濃度毒素，葉片上的病斑明顯減少，而POD、PAL等值較對(duì)照增高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過低濃度毒素預(yù)處理的玉米，產(chǎn)生了抗性。吳岳軒用水稻白葉枯病弱毒菌株預(yù)處理水稻后，再感染強(qiáng)毒菌株，水稻中POD、PAL活性的變化強(qiáng)度大于對(duì)照，抗病性也強(qiáng)于對(duì)照。李冠用瓜類刺盤孢Colletotrichum lagenarium對(duì)甜瓜進(jìn)行免疫誘導(dǎo)處理，POD及其同工酶，PAL的活性在誘導(dǎo)免疫植株中明顯增強(qiáng)。畢詠梅等用稻瘟病菌菌絲和培養(yǎng)濾液中提取的誘導(dǎo)物處理水稻幼苗和愈傷組織后PAL活性提高，李冠用瓜類刺盤孢培養(yǎng)濾液和菌絲細(xì)胞壁誘導(dǎo)處理哈密瓜也得到相同結(jié)果。楊秀屏等用葉銹菌侵染的小麥葉片為材料進(jìn)行的研究表明，PAL的活性升高。Fuchs和Kotte研究表明，在受疫病侵染的抗病品種馬鈴薯中積累有多酚氧化物。KUC發(fā)現(xiàn)，黃瓜受誘導(dǎo)后體內(nèi)POD活性明顯提高。李洪蓮等人用誘抗菌處理黃瓜后，也發(fā)現(xiàn)體內(nèi)POD及其同工酶、多酚氧化酶、PAL活性都顯著增強(qiáng)。誘導(dǎo)物處理寄主后幾種酶活性之所以增加，F(xiàn)reudenberg和Nish的研究表明，POD能催化松柏醇的脫氫氧化，其氧化產(chǎn)物可進(jìn)一步聚合成木質(zhì)素，木質(zhì)素的形成能防御侵入的病原菌進(jìn)一步擴(kuò)展，并且過氧化物酶能促進(jìn)多酚氧化。多酚及其氧化物的抗菌性、抗病性的機(jī)制是這些物質(zhì)能使菌類生長(zhǎng)所必需的物質(zhì)受到抑制，并對(duì)病原菌的果膠分解酶和纖維分解酶起強(qiáng)烈的抑制作用。苯丙氨酸解氨酶是植物酚類次生物質(zhì)合成代謝的關(guān)鍵酶，經(jīng)由該酶催化的苯丙烷途徑能夠合成黃酮、異黃酮、香豆酸酯類和木質(zhì)素前體等次生酚類物質(zhì)，其中許多物質(zhì)具有強(qiáng)烈抑制病原菌生長(zhǎng)的活性，在馬鈴薯晚疫病、小麥白粉病、玉米小斑病和大斑病的研究中均有發(fā)現(xiàn)。

在許多植物中已觀察到幾丁質(zhì)酶和β-1，3-葡聚糖酶被真菌及其細(xì)胞壁成份誘導(dǎo)累積，并在體外抑制真菌的生長(zhǎng)。真菌侵染能誘導(dǎo)幾丁質(zhì)酶活力，Pegg和Mauch分別在番茄和豌豆莢上發(fā)現(xiàn)，病原菌的感染會(huì)引起植株幾丁質(zhì)酶和β-1，3-葡聚糖酶的平行提高。滅菌失活的黑白輪枝菌孢子能誘導(dǎo)番茄中JET質(zhì)酶和β-1，3-葡聚糖酶活力。國內(nèi)杜良成等曾用稻瘟病菌孢子和菌絲培養(yǎng)液分別處理抗病水稻和感病水稻，結(jié)果表明，幾丁酶和β-1，3-葡聚糖酶活性都被誘導(dǎo)提高，誘導(dǎo)的幾丁酶在體外可以降解稻瘟病菌細(xì)胞壁和抑制孢子萌發(fā)。Hedrick等用炭疽病菌Colletotrichum lindemuthianum感染菜豆時(shí)，抗病品種幾丁酶誘導(dǎo)速度快于感病品種。但是在有些病原菌寄生互作中，也有酶活性下降的現(xiàn)象。翟彩霞等用低濃度玉米小斑病T毒素處理玉米CMS-T葉片后，再接種高濃度毒素，CAT活性下降。         

一些植物酶活性及同工酶與抗病性的關(guān)系有一定的規(guī)律，可以作為抗病性鑒別的早期指標(biāo)。Loverkovich早在1968年就報(bào)道，健康馬鈴薯塊中，POD活性與抗馬鈴薯晚疫病呈正相關(guān)。Reuveni等發(fā)現(xiàn)，在健康甜瓜中的過氧化物酶活性可以用來預(yù)測(cè)257株健康甜瓜對(duì)甜瓜霜霉病的抗性。

另外，酶活性增加有時(shí)與抗病性呈負(fù)相關(guān)。張建軍在研究小麥品種對(duì)梭條斑病抗病特性時(shí)，發(fā)現(xiàn)小麥接種后，感病品種POD活性的升高率明顯大于抗病品種。沈其益發(fā)現(xiàn)，棉花感染枯萎病后，感病品種產(chǎn)生的新的過氧化物酶活性比抗病品種多。

3.2  病程相關(guān)蛋白(pathogenesis-relatedproteins)的形成

病程相關(guān)蛋白是指植物在病理或病理相關(guān)的環(huán)境下誘導(dǎo)產(chǎn)生的一類低分子量蛋白。PRP最初由VanLoon等人用多聚腺苷酸(PA)和弱毒株系誘導(dǎo)煙草抗病過程中發(fā)現(xiàn)，并稱之為b蛋白。以后在越來越多的植物中發(fā)現(xiàn)了PRP，因而人們開始推測(cè)它們?cè)谥参锟共⌒灾锌赡芫哂兄匾�作用。然而，直�?987年Legrand首先報(bào)道了煙草中的4個(gè)PRP的生物學(xué)功能開始，人們才對(duì)PRP有了突破性認(rèn)識(shí)。植物被病原菌等因子誘導(dǎo)后，產(chǎn)生PRP的量與誘導(dǎo)物的劑量呈正相關(guān)。在某些植物中，PR蛋白誘導(dǎo)表達(dá)被看作植物抗病反應(yīng)的生化指標(biāo)。

對(duì)煙草、黃瓜、棉花及其它一些雙子葉植物的研究發(fā)現(xiàn)，在抗病性產(chǎn)生前后，植物細(xì)胞會(huì)積累大量PR蛋白。如用不同誘導(dǎo)劑處理的煙草中、用番茄斑枯萎病(Tomato spotted wilt virus)、角斑病(Pseudomonas lachrums)誘導(dǎo)的黃瓜中、瓜類刺盤孢誘導(dǎo)的哈密瓜中都可分離到PRP。江山等用7種植物抗病毒劑在煙草上進(jìn)行了PRP的誘導(dǎo)試驗(yàn)，結(jié)果表明，所有參試的抗病毒劑均在煙草和甜菜上誘導(dǎo)產(chǎn)生一些PRP。孫風(fēng)成等于1995年報(bào)道了一種新研制的耐病毒誘導(dǎo)劑88-D，將其注射于珊西煙下部葉片，上部葉片接種TMV，結(jié)果表明，88-D可系統(tǒng)地誘導(dǎo)珊西煙產(chǎn)生9種健康植物中沒有的PRP。此外，國外也有許多報(bào)道表明，誘導(dǎo)因子誘導(dǎo)植物對(duì)病毒、細(xì)菌、真菌的抗性與PRP的形成有關(guān)。蔡新忠等用水楊酸處理或用Pyrieularia oryzae接種水稻幼苗，檢測(cè)到4種PRP。吳健勝等選用水稻——白葉枯菌不親和互作系統(tǒng)，通過高分辨的雙向電泳分析發(fā)現(xiàn)3種PRP。曾富華、易克用水稻白葉枯菌等誘導(dǎo)因子誘導(dǎo)水稻葉片及懸浮細(xì)胞，均發(fā)現(xiàn)多條新增蛋白質(zhì)譜帶，并顯示PRP的產(chǎn)生與誘導(dǎo)抗性呈正相關(guān)。王勇剛用IEF、SDS-PAGE和雙向電泳檢測(cè)水稻PRP，發(fā)現(xiàn)水稻PRP在誘導(dǎo)48h后大量產(chǎn)生。

3.3  木質(zhì)素的合成和積累

植物受病原物侵染時(shí)，常在侵染部位形成木質(zhì)素沉積，抗病反應(yīng)中形成的量比感病反應(yīng)中形成的量高。黃瓜經(jīng)誘導(dǎo)后，其葉片上瓜類刺盤孢(Colletotrichum             lagenarium)的分生孢子通過附著孢的穿透明顯減少。Dean和李洪蓮都認(rèn)為，這是因?yàn)辄S瓜葉表組織迅速加強(qiáng)了木質(zhì)化程度，使病菌難以侵入的結(jié)果。近幾年來，誘導(dǎo)植物木質(zhì)化作為抗病反應(yīng)因子的報(bào)道還有許多。這是因?yàn)槭杷�的木質(zhì)素進(jìn)入細(xì)胞壁內(nèi)，與纖維素、半纖維素相互交叉形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)寄主細(xì)胞壁的抗侵染能力，同時(shí)木質(zhì)素作為一種機(jī)械屏障，可以保護(hù)寄主細(xì)胞免受病原物酶的降解。

3.4  植物保衛(wèi)素的合成和積累

植物保衛(wèi)素是植物受侵染后產(chǎn)生的低分子量的抗菌物質(zhì)，一般出現(xiàn)在侵染部位附近，它的積累是一種抗病反應(yīng)，來抑制或延緩病原菌的生長(zhǎng)。許多研究表明，植物受致病菌和非致病菌侵染或受非生物因子(紫外線等)、真菌的培養(yǎng)濾液和菌絲提取液誘導(dǎo)后均能產(chǎn)生植保素。Keen等用非親和小種接種大豆24-48h后，植保素在受侵染組織的積累量由原來的檢測(cè)不出到變?yōu)楦晌镔|(zhì)的10％以上。Peng等人在進(jìn)行稻瘟菌侵染稻葉的研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，一種脂類植保素在非親和性菌侵染稻葉中開始積累的時(shí)間與菌絲受抑和死亡相一致。Flores于1981年研究發(fā)現(xiàn)由Hypoxylon mammatum引起的楊樹潰瘍病，病原菌侵染寄主后寄主體內(nèi)產(chǎn)生了植保素。Sekizawa等曾用稻瘟病菌處理水稻后，抗病品種植保素的累積都高于感病品種。對(duì)植保素研究比較系統(tǒng)的是榆樹抗荷蘭榆病，榆樹受病原菌侵染誘導(dǎo)后在體內(nèi)積累一種叫做曼森酮的植保素，該物質(zhì)抑制病原菌的進(jìn)一步侵入。

除病原菌侵染可造成植保素的積累外，其它誘導(dǎo)因子也可以引起植保素的積累�？傊�，植物誘導(dǎo)抗病機(jī)理的研究方興未艾，它不僅具有重要的理論價(jià)值，更有廣泛的實(shí)際意義。研究植物誘導(dǎo)抗病機(jī)理，有利于闡明植物抗病機(jī)制，并有利于弄清植物抗病反應(yīng)中抗病性物質(zhì)的作用，從而為利用這些物質(zhì)提供一定的理論基礎(chǔ)。

4  植物誘導(dǎo)抗病性的應(yīng)用前景

植物誘導(dǎo)抗病性的研究不僅可以揭示植物和微生物之間復(fù)雜的相互關(guān)系，具有十分重要的理論價(jià)值，而且對(duì)于植物病害的防治工作也具有重要的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。越來越多的研究證明，植物具有抵抗各種病害的潛在能力，人們可以采用適當(dāng)?shù)恼T導(dǎo)處理使這種潛能表達(dá)出來，從而抵抗多種病害，這是利用植物自身的防衛(wèi)體系進(jìn)行病害防治的一種新思維。它克服以往一些防治措施存在的不足，如抗病育種年限太長(zhǎng)，抗病品種的產(chǎn)量往往不如感病品種，化學(xué)防治易造成環(huán)境污染和病菌的抗藥性。

有關(guān)植物誘導(dǎo)抗病性的研究及應(yīng)用已引起人們的重視，國內(nèi)外已有將誘導(dǎo)因子應(yīng)用于大田作物的嘗試，并取得了良好的防治效果。國際上，美國、日本、荷蘭等國做了一些田間工作。國內(nèi)在蘋果、哈密瓜、黃瓜、煙草水稻和小麥等多種作物人工誘導(dǎo)免疫研究上亦取得了可喜的成果。一切研究成果均表明，篩選出廣譜、高效、無毒的誘導(dǎo)抗病劑是植物病害防治的一條可行途徑。隨著研究的深入和拓展，人們對(duì)植物誘導(dǎo)抗病性的認(rèn)識(shí)不斷深化，它在植物病害防治中將有十分廣闊和美好的前景。

不過，植物誘導(dǎo)抗病性在目前實(shí)際應(yīng)用中也存在一些局限性，今后，就植物誘導(dǎo)抗病性的研究仍需注意以下幾方面：(1)誘導(dǎo)抗病的作物對(duì)象和病害種類、范圍仍需擴(kuò)大。(2)在實(shí)驗(yàn)工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行小田和大田實(shí)驗(yàn)。(3)誘導(dǎo)劑的選擇應(yīng)進(jìn)一步拓寬，誘導(dǎo)方法、條件還需進(jìn)一步探索。(4)對(duì)植物誘導(dǎo)抗病機(jī)理的研究仍需進(jìn)一步深入，特別是從植物誘導(dǎo)抗病的信號(hào)轉(zhuǎn)尋和分子機(jī)制方面進(jìn)行深入研究。

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