番茄抗葉霉病分子機(jī)制研究進(jìn)展

牛義嶺 商麗敏

摘要 葉霉病是番茄常見病害之一，發(fā)病后不僅會阻礙植株生長，果實(shí)品質(zhì)和產(chǎn)量也顯著下降?？共∮N依然是防治該病害最有效的方法。在與葉霉病的長期互作過程中，番茄已經(jīng)進(jìn)化出一系列抗性機(jī)制以抵抗病原菌入侵。在分子水平上關(guān)于番茄對葉霉病抗性機(jī)制的研究已有很多，主要集中在Cf抗性基因的克隆及抗病機(jī)制分析等。本文主要綜述了番茄葉霉病的生理小種、抗病基因結(jié)構(gòu)和功能等分子抗性機(jī)制的研究進(jìn)展，以期為番茄抗病育種提供一定的參考。

關(guān)鍵詞 番茄；葉霉病；分子抗性機(jī)制

中圖分類號 S436.412? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 1007-7731（2023）09-0137-03

葉霉病又稱黑毛病，病原菌是半知菌亞門真菌，其定名為黃枝孢菌。當(dāng)植株被侵染后，發(fā)病快、蔓延快，若防控不到位，很可能造成絕產(chǎn)。該病害雖然可以侵染植株的整株器官，但主要危害葉片，當(dāng)環(huán)境適宜或病情嚴(yán)重時(shí)也會危害莖、花和果。植株被病菌侵染后，光合能力減弱，養(yǎng)分汲取和積累下降。葉片最先出現(xiàn)病癥，主要表現(xiàn)為葉表面出現(xiàn)橢圓形或不規(guī)則的淡黃色病斑，葉背面長出白色霉層，為病原菌的菌絲體，隨著病情加重，白色霉層褐變直至變?yōu)楹诤稚q毛狀，即為病原菌的分生孢子、分生孢子梗。在高溫高濕環(huán)境下，發(fā)病葉片正面也會長出黑霉。

1 番茄葉霉病菌的侵染機(jī)制

番茄葉霉病菌的侵染能否成功取決于與寄主植株的親和性。番茄葉霉病菌的侵染機(jī)制包括2種，①與抗病番茄品種的非親和互作類型。在適宜的溫濕度條件下，病原菌分生孢子落在葉片上，萌發(fā)形成芽管，而后生長形成菌絲，菌絲通過葉片氣孔向維管組織生長、吸收營養(yǎng)。在這一過程中會激發(fā)寄主對病原菌的防御反應(yīng)，防御反應(yīng)啟動后一方面部分菌絲則不能穿過氣孔或穿過氣孔后會生長停止，另一方面菌絲腫脹彎曲，無法在葉片內(nèi)生長蔓延，因此病菌菌絲只存在于侵染部位附近區(qū)域內(nèi)，形成壞死病斑，這一過程也被稱為過敏反應(yīng)[1]。②與感病番茄品種的親和互作類型。菌絲伸長進(jìn)入氣孔后增粗，在海綿組織細(xì)胞間隙中生長，長滿間隙后，菌絲從氣孔伸出，形成分生孢子梗，并產(chǎn)生新的分生孢子繼續(xù)侵染植株，最終導(dǎo)致植株發(fā)病枯萎。

2 葉霉病菌生理小種的分化

番茄葉霉病菌的生理小種分化能力強(qiáng)、易變異。1890年前后，歐洲國家發(fā)現(xiàn)了高度分化的生理小種1.2、2.3、1.2.3、2.5、2.4.11、2.4.5.11和2.4.5.9.11等。據(jù)加拿大、荷蘭等國研究報(bào)道，在長期的互作過程中，病原菌生理小種針對1個(gè)抗病基因能分化出2個(gè)以上的生理小種。研究表明，生理小種群體能夠通過基因變異，攜帶多類型的Avr和ECP基因等發(fā)生分化[2]，2021年新的生理小種2.4.9和9分別在日本和古巴被發(fā)現(xiàn)[3]。研究表明，環(huán)境和生產(chǎn)管理也可能加速生理小種分化。中國葉霉病生理小種分化概況和歐美等國家相比，選擇壓力較小，所以處于較低水平。伴隨著番茄抗病品種相繼選育推廣、大面積生產(chǎn)等，葉霉病菌在我國南北方的分布更加廣泛，生理小種分化數(shù)量呈上升趨勢。

3 番茄對葉霉病的生理抗性機(jī)制

番茄抗病品種與感病品種相比，葉片表皮細(xì)胞排列更加緊密；當(dāng)植株被病原菌侵染后，抗病品種葉肉細(xì)胞產(chǎn)生木質(zhì)素以改變細(xì)胞壁的通透性或發(fā)生局部組織壞死或合成胼胝質(zhì)、侵填體并分泌到細(xì)胞外的空間以阻礙菌絲擴(kuò)展；海綿組織會發(fā)生膨脹使得病菌不能獲得養(yǎng)分。寄主會產(chǎn)生大量的活性氧，活性氧能激發(fā)植株的自我防御系統(tǒng)，如植保素的合成和病程相關(guān)蛋白的積累，促進(jìn)細(xì)胞壁成分的聚合和交聯(lián)，從而強(qiáng)化細(xì)胞壁的物理屏障作用，阻止病菌的二次侵入和擴(kuò)散。同時(shí)，活性氧的存在也會使寄主細(xì)胞的氧化作用增強(qiáng)，從而產(chǎn)生大量的降解產(chǎn)物，這些降解產(chǎn)物具有殺菌抑菌作用。

4 番茄對葉霉病的抗性遺傳機(jī)制

研究表明，番茄對葉霉病的抗性受顯性單基因控制，大多表現(xiàn)為質(zhì)量性狀遺傳[5]。研究表明，番茄對葉霉病菌的抗性符合Flor提出的“基因?qū)颉奔僬f，即當(dāng)抗性基因Cf編碼產(chǎn)物和葉霉病菌種對應(yīng)的Avr基因產(chǎn)物識別后，通過植物的信號傳導(dǎo)，激活下游抗病基因表達(dá)，植株表現(xiàn)出抗病性，相反若Cf基因未識別對應(yīng)的Avr基因產(chǎn)物，植株則表現(xiàn)出感病性。目前發(fā)現(xiàn)的24個(gè)Cf抗性基因依次被命名為Cf-1～Cf-24，已經(jīng)全部被精細(xì)定位到番茄的12條染色體上，這些抗病基因來源于番茄及其近緣野生種，而感病品種Monkey-Maker被稱為Cf-0。其中Cf-1、Cf-4、Cf-4E、Cf-9、Cf-19位于1號染色體短臂端，Cf-2、Cf-5、Cf-6基因位于6號染色體長臂端；Cf-7、Cf-8位于9號染色體的長臂端，Cf-10、Cf-12位于8號染色體的長臂端，Cf-3、Cf-11、Cf-13、Cf-16、Cf-17位于11號染色體，Cf-14、Cf-15位于3號染色體，Cf-18、Cf-20位于2號染色體，Cf-21位于4號染色體，Cf-23位于7號染色體，Cf-24位于5號染色體。

5 Cf基因的結(jié)構(gòu)與功能研究

近年來，對Cf-4/Avr4和Cf-9/Avr9模型的研究較多較成熟，其結(jié)果很大程度地促成了番茄免疫學(xué)框架的建立。隨著越來越多的Cf基因被克隆，對Cf免疫應(yīng)答機(jī)制的研究也在不斷加深。Cf-4、Cf-9是最先被克隆的抗病基因，隨后Cf-2、Cf-5也被分離出來[7]。目前已克隆的抗葉霉病基因有Cf-2、Cf-4、Cf-4A、Cf-5、Cf-6、Cf-9、Cf-ECP1、Cf-ECP2、Cf-ECP4、Cf-ECP5、HCr9-4E、Cf-10、Cf-11、Cf-12、Cf-16、Cf-19等。研究表明，Cf基因編碼的蛋白產(chǎn)物結(jié)構(gòu)域相似，主要由7個(gè)結(jié)構(gòu)域組成，從N—C端分為：信號肽結(jié)構(gòu)、富含半胱氨酸結(jié)構(gòu)、亮氨酸重復(fù)結(jié)構(gòu)、無明顯特征結(jié)構(gòu)、富含酸性氨基酸結(jié)構(gòu)、跨膜結(jié)構(gòu)、富含堿性氨基酸結(jié)構(gòu)。其中亮氨酸重復(fù)所占比重最大。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，Cf特異性基因是和許多非功能基因串聯(lián)的，形成復(fù)合基因座Cf-4/9或Cf-2/5，這些基因座中的成員被稱為HCr9和HCr2基因。其中Cf-4、Cf-4A和Cf-9基因?qū)儆贖Cr9s基因家族，Cf-2和Cf-5基因?qū)儆贖Cr2s蛋白基因家族；多數(shù)HCr9蛋白含有27個(gè)亮氨酸重復(fù)，而HCr2蛋白中亮氨酸重復(fù)數(shù)目差異較大。由此推測亮氨酸重復(fù)數(shù)目不同，可能與Cf基因和Avr基因相互識別的特異性相關(guān)[9]。

6 Cf基因與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

在激活抗病信號后，番茄與葉霉病菌的互作可分為早期、中期、晚期3個(gè)階段。Cf蛋白抗病模型表明，整個(gè)防御反應(yīng)包括過敏反應(yīng)、磷酸化和活性氧積累，活性氧的積累導(dǎo)致膜脂過氧化，細(xì)胞膜破壞，進(jìn)而導(dǎo)致電解質(zhì)泄漏。此外，Cf還能激活MAP激酶、鈣依賴性蛋白激酶、K+通道，H+通道和Ca2+通道。這些變化發(fā)生在疾病反應(yīng)過程的早期階段，在反應(yīng)的早期有許多蛋白參與，這些蛋白可能參與保護(hù)酶的活性和谷胱甘肽積累的中期和水楊酸積累、程序性細(xì)胞死亡、疾病體征的后期。研究發(fā)現(xiàn)，磷脂酸在Avr4/Cf-4相互作用過程中積累，通過沉默磷脂C家族基因，研究人員發(fā)現(xiàn)PLC4和PLC6基因在Cf-4介導(dǎo)的過敏反應(yīng)和抗病性中發(fā)揮重要作用，SAMDC在Cf-19/Avr相互作用系統(tǒng)的一條或多條通路中起作用，SOBIR1和BAK1的激酶活性是免疫相關(guān)信號傳遞所必需的。SAP18可以與SOBIR1相互作用，植物的抗性可以通過SAP18的沉默而減弱，研究發(fā)現(xiàn)EFR-Cf-9嵌合體通過對elf18的SOBIR1和bak1依賴性識別增強(qiáng)對細(xì)菌病原體的抗性[10]。對Cf-10基因介導(dǎo)的耐藥反應(yīng)的轉(zhuǎn)錄組分析表明，Cf-19和Cf-12的反應(yīng)過程有共同的部分，其中大部分與Cf-12的反應(yīng)過程不同。此外，在Cf-10、Cf-12、Cf-16和Cf-19介導(dǎo)的抗性反應(yīng)中，大量轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)模式發(fā)生了明顯的變化，說明轉(zhuǎn)錄因子在Cf基因的信號傳遞中起著重要的調(diào)控作用[10]。在Cf-19介導(dǎo)的抗病反應(yīng)中，確定了10個(gè)關(guān)鍵調(diào)控因子，包括SAUR、WRKY、JAZ基因家族等。通過建立抗病反應(yīng)預(yù)測模型，觀察到ETI（效應(yīng)子誘導(dǎo)的免疫反應(yīng)）和PTI（病原菌相關(guān)分子模式誘導(dǎo)的免疫反應(yīng)）均有發(fā)生。ETI是由Avr和Cf-19蛋白相互識別引起的，而PTI是由CERK和幾丁質(zhì)相互識別引起的。識別之后是Ca2+的涌入，其中一些與不同的CAM/CML蛋白結(jié)合，激活下游信號通路。胞質(zhì)Ca2+濃度的增加也可以為CDPK信號元件的激活創(chuàng)造適當(dāng)?shù)臈l件。MAPK模塊也可以在上游更改后激活，包括激活HSP90。許多轉(zhuǎn)錄因子，尤其是WRKY轉(zhuǎn)錄因子，積累并間接調(diào)控防御相關(guān)基因的表達(dá)。這些變化最終導(dǎo)致了防御相關(guān)基因的表達(dá)和過敏反應(yīng)[11]。

7 展望

Cf/Avr互作系統(tǒng)是番茄免疫學(xué)研究中典型的抗性模式，雖然Cf基因的抗病機(jī)制研究已經(jīng)持續(xù)多年，但還有許多未知和不確定性。如同一位點(diǎn)的具有極其相似的結(jié)構(gòu)同源等位基因Cf-4和Cf-9是否具有相似的抗性表型；分布在不同染色體的抗性基因在抗病反應(yīng)中功能是否存在差異等。未來可以研究Cf基因抗病過程中的重要調(diào)控反應(yīng)，如病原體的識別、復(fù)合物的形成、下游信號的啟動，挖掘其他Cf基因等。同時(shí)，對Cf/Avr系統(tǒng)進(jìn)行整合分類，以便更好地利用該互作模型。

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（責(zé)編：何 艷）

作者簡介 牛義嶺（1993—），女，碩士，農(nóng)藝師，從事作物栽培技術(shù)推廣工作。