唐定中-植物抗病信号

植物抗病信号唐定中一、概况1、研究植物抗病的原因：因为它既是重要的生物学问题也是重要的农业问题。每年稻瘟病造成水稻损失50-60亿美元。所以作物病害对农作物生产造成的危害非常严重，直接影响粮食安全。另外，病原菌还具有变异迅速，扩散迅猛。例如Vg99引起的小麦杆锈病，在世界范围内都有扩增。2、研究较多的几种病原菌类型主要有：细菌（如：假单胞杆菌、黄单胞杆菌）、真菌（如：白粉菌、稻瘟病）、卵菌（如：霜霉病菌、疫霉菌）、病毒（如：烟草花叶病毒、黄瓜花叶病毒）。这些病菌可分为两类不同的植物病原菌，即a.死体营养型或腐生型，b.活体营养型或寄生型。3、病菌感染植物的一般过程或条件：a.锚定/进入宿主细胞，b.抑制宿主的抗性，c.改变宿主的生理机能，如对营养和水的需求，d.在宿主细胞内扩增，e.最终导致疾病的发生。4、病菌感染植物后，植物会产生两种反应：即抗病（亦称非亲和性反应，此反应中病菌是无毒的，植物产生抗性。）和感病（亦称亲和反应，病原菌有毒，植物是敏感型的）5、如何确定植物的病型？答：一是测定病原菌的生长情况。对于白粉菌来说要看其孢子数，对于细菌来说，要测定其生长曲线。二是评价植物的损伤程度。6、植物的抗病层次主要有：非寄主抗性、基础抗性(PTI)、R基因介导的抗性（ETI）。二、非寄主性抗性1、大部分植物都能对大多数病菌产生抗性。多数情况下从某一种植物中分离到的病原菌不能再次感染或引起其它植物感染，也不能繁殖。非寄主性抗性就是植物能够抵抗大部分潜在致病菌的原因，是最常见的植物抗病方式。2、非寄主性抗性的机理：（1）消极防御也可以说是天然的防御系统，只要是植物表面的物理障碍（如角质层、细胞壁等）以及一些代谢产物，大部分为抗菌素。（2）诱导型的植物抗病机制。如植物抗毒素，它是植物在受到病原菌的侵害后应答从头合成的一种抗菌物3、非寄主性抗性所涉及的基因：多数情况下，植物针对真菌产生的非寄主性抗性是在其侵入的过程中进行。拟南芥的PEN1,PEN2和PEN3基因可用于对大麦白粉病产生抗性。（PEN1是一种突触融合蛋白，它在细胞膜的囊泡运输过程中具有重要作用。PEN2是一种糖基水解酶。PEN3是ABC转运蛋白）4、病原菌可通过多种方式破坏植物的非寄主性抗性系统。从病原菌进入植物的方式看，可通过植物体表已有的缺口进入，如气孔、伤口；也可痛过分解酶分解角质；或是通过纤维素酶、果胶酶、纤维素内切酶等破坏细胞壁。三、基础抗性(PAMPtriggeredimmunity,PTI)PAMPs：病原相关的分子特征。MAMPs：细菌相关分子特征PAMPs对于病原菌的生活方式来说是非常重要的，它在大部分微生物中都高度保守，但在宿主中却不存在。植物通过识别PAMPs来激活其基础抗性。PAMPs主要有：鞭毛蛋白、脂多糖、几丁质以及麦角脂醇等。1、PAMP的识别及基础免疫人们对植物对PAMPs的应答的认识大部分来自于鞭毛蛋白。鞭毛蛋白是细菌运动的重要组成部分，其N端和C端都高度保守，这使其成为非常重要的PAMP，且其不存在于植物中。鞭毛蛋白的识别及下游调控：在拟南芥的研究中，鞭毛蛋白氨基末端高度保守的22个氨基小肽（flg22）足以用于与受体的结合。其下游调控途径为FLS2(RLK)（鞭毛蛋白的受体蛋白）—MAP激酶的级联反应—WRKY转录因子植物的基础免疫应答：愈创葡萄糖的沉积作用，使细胞壁加厚；产生活性氧杀死病菌；激活抗性基因的转录；激活MAP激酶那么病原菌又是如何进一步感染植物的呢？主要是有些病原菌具有抑制或逃避基础性抗性的能力，如修饰PAMPs，根癌农杆菌能够修饰鞭毛蛋白，使其不能被FLS2受体识别，或者病原菌可将某些效应分子传递给植物细胞，抑制植物的基础免疫三型分泌系统（TTSS）：细菌主要是通过TTSS将效应分子传递到宿主细胞内的。TTSS穿透细胞壁、细胞膜使其分泌的效应分子直接进入胞内，进而抑制植物对PAMP的抗性。动物的病原菌只能产生少数几种效应分子，而植物的病原菌如P.syringae在感染期间能分泌30多种效应分子。效应分子促进了病原菌的致病性，所以TTSS系统对于病原菌的致病及繁殖都是非常重要的。病原菌通过TTSS抑制宿主抗性图四、R基因调控的抗性1、R基因和Avr基因：植物和病原菌的相互作用是由病原菌的非毒性基因（avr）位点和与之相对应的植物的抗病基因（R）位点之间的相互作用调控的。R基因的调控具有特异性。2、R基因可特异地检测效应分子植物的抗性（R）蛋白可作为植物的监测系统检测病原菌的效应分子。植物在检测病原菌的Avr蛋白时常常会引起区域性细胞死亡（HR）。3、植物在检测病原菌的效应分子重塑其信号途径及调控机制时会产生两种结果，即有效抗性和错误抗性。4、R基因的分类NBS-LRR（NucleotideBindingLeucineRichRepeats）是目前所克隆的抗性基因中最大的家族。其中LRR的长度为20-30个氨基酸。根据其N端的不同又可进一步分为(CC)-NBS-LRR和(TIR)-NBS-LRR5、NBS-LRR蛋白的不同区域的作用：其N端结构域用于与下游调控分子的结合，NBS结构域含有一些保守的区，如用于核苷酸结合的P-loop。LRR作为效应分子的结合区和调控区。R基因识别效应分子激活抗性。6、R蛋白通过两种不同的机制结合效应蛋白。直接结合，R蛋白作为受体直接与效应蛋白结合；间接结合（Guard假说）直接结合的证据：水稻的Pi-taLRR与AVR-Pita的直接结合，拟南芥的RRS1直接与PopP2相互作用，亚麻的L抗性区直接与AvrL相互作用。间接结合的证据：(1)拟南芥的NBS-LRR蛋白RPM1既可以结合Pseudomonassyringae的AvrRpm1，又可结合AvrB，这两个蛋白又都能与RIN4结合，且调控RIN4的功能。只要它们两个中有一个存在就能调控RIN4的磷酸化。(2)拟南芥的NBS-LRR蛋白PRS2可检测Pseudomonassyringae的AvrRpt2，但它们之间不能直接结合，PRS2与RIN4结合，RIN4再与AvrRpt2结合。AvrRpt2是一个含半胱氨酸的蛋白酶，可降解RIN4(3)拟南芥的NBS-LRR蛋白PRS5可检测Pseudomonassyringae的AvrRpB。但它们之间也不是直接作用的饿，PRS5结合PBS1，PBS1再结合AvrRpB。AvrRpB也是一个半胱氨酸蛋白酶，在特定位点切割PBS1。所以，应该是PBS5通过调控PBS1的状态来结合病菌的效应蛋白AvrRpB。Guard假说：R蛋白用于调控（保卫）效应蛋白的靶标（被保护者），而效应蛋白对其靶标的修饰可激活R蛋白，使的R蛋白启动抗病机制。7、植物和病原菌的进化过程：开始时病原菌无鞭毛，植物产生非宿主性抗性病原菌就进化出鞭毛，使植物致病进而使植物进化出鞭毛蛋白的受体FLS2，产生基础抗性病原菌再次进化出三型分泌系统，使植物致病植物再进化出R基因，产生R基因介导的抗性病原菌再产生可抑制R基因的物质，再次使植物感病植物则进化出R基因2，可间接抑制R基因的物质，同时作用于下游调控，产生抗性。五、R-Avr下游调控1、R蛋白抗性调控所需基因:从突变体中筛选对无毒病菌失去抗性的突变体，得到PBS1（RPS5特异性需要的蛋白激酶）、RIN4（R蛋白RPM1所需的一种蛋白）、RCR3（R蛋白Cf-2所需蛋白）。2、不同R基因调控的抗性基因进行筛选:从对不同无毒菌株失去抗性的突变子中筛选:NDR1、RAR1、SGT1、EDS1和PAD4、NPR13、系统性获得抗性（SAR）：受过感染的植物在受到同样的或相关的病原菌侵害时会产生抗性。SAR的获得需要SA（水杨酸）。六、抗性信号网植物抵抗病原菌进行抗性调控的3个必需的信号分子：SA、JA、乙烯（Ethylene）1、SA信号SA是多数植物抗性应答的重要分子。NahG:细菌水杨酸羟化酶基因SID2:异分支酸合成酶1基因2、JA（茉莉酸）JA常出现在土豆的诱导型损伤应答，JA和SA分别诱导不同系列的抗性基因3、乙烯途径SA途径主要用于针对活体营养型病菌产生抗性，JA/乙烯主要针对死体营养型病菌产生抗性4、JA/乙烯途径与SA途径是拮抗的JA/乙烯途径与SA途径是拮抗的，在假单胞菌感染植物的过程中，其产生的JA类似物冠菌素（COl1）可通过抑制SA调控的应答来致病。5、MAPK激酶信号通路参与调控植物抗病反应七、小结抗性和感性、区域性细胞死亡（HR）、活体寄生型和死体寄生型、非宿主抗性、PAMPs、基础免疫（PTI）、TTSS及其效应分子、R基因和Avr基因、R基因调控的抗性及ETI、模式基因、Guard假说、植物与病原菌相互关系的进化、SAR、SA或JA以及乙烯途径。八、唐定中课题组的研究一些重要的未回答的问题：抗性应答的信号途径中仍有多种成分未知，植物应答时的细胞活动情况仍不了解。研究方法：用遗传学方法鉴定抗性调控基因。分离能够增强抗性的突变体以鉴定抗性应答过程中的负调控因子；分离抑制抗性的突变子鉴定正调控因子。利用拟南芥和白粉菌研究植物抗病的分子机制edr1和edr2突变体能够增强对白粉病的抗性。edr2对白粉病的调控依赖于SA。EDR2蛋白含有PH(PleckstrinHomology普列克底物蛋白)区和START区（StAR(SteroidogenicAcuteRegulatoryprotein)-relatedlipidtransfer）。在体内实验中EDR2PH区结合到磷脂酰肌醇-4-磷酸上。对EDR2进行体内定位实验，发现其在内质网膜、细胞质膜、核内体上。EDR2的作用模型：Edts可抑制edr2，换句话说可促进植物的抗性应答。所以植物抗病反应中的重要基因主要有：EDTS1/BSK1（胞质型受体激酶）、EDTS2/SR1（转录因子）、EDTS3/RPN1a（蛋白降解途径）、EDTS5/ALD1（氨基转移酶）、EDTS6（未知功能的蛋白）bsk1突变可抑制edr1,mlo2和对白粉菌的抗性。BSK1基因互补了bsk1-1突变体表型，BSK1同源基因的突变不抑制edr2对白粉菌的抗性BSK1是油菜素内脂(brassinosteroid，BR)受体BRI1的底物bsk1单突变体对白粉菌更感病BSK1参与对细菌PtoDC3000和卵菌H.a.Noco2的抗性bsk1积累较低的水杨酸（SA）BSK1定位在质膜上，膜定位对其功能很重要BSK1具有激酶活性，激酶活性对BSK1的功能不可缺少BSK1与鞭毛蛋白的受体FLS2互作bsk1突变不影响BSK1与FLS2的互作bsk1突变表现flg22诱导的活性氧迸发的缺陷（ROSburst）bsk1中flg22诱导的PR1表达低于野生型bsk1突变抑制edr2的白粉病抗性BSK1参与基础抗性和R基因介导的抗性BSK1是一个胞质型类受体激酶,是BR受体BRI1的底物BSK1与PAMP受体FLS2互作.BSK1参与FLS2介导的免疫反应。BSK1作用的分子机理edts2抑制edr2调控的白粉病抗性，它编码SR1（一种结合转录因子的钙调蛋白）SR1结合到NDR1和EIN3启动子上。edts3抑制edr2调控的白粉病抗性RPN1是26S蛋白酶体的一个亚基EDOS1/HPR1isrequiredinedr1-mediatedresistanceHPR1isinvolvedinmRNAtransportScreenadditionaledr1andedr2likemutantsEDR4未知功能，与类受体激酶互作EDR5与植保素合成有关EDR6/ATG2与细胞自噬有关EDR7与囊泡运输有关edr4displaysenhanceddiseaseresistancetoG.cichoracearum。EDR4isnovelprotein,anditinteractswithtworeceptorlikekinases,mayfunctioninvesicleedr6isresistanttopowderymildewEDR6enco