生防菌系统诱导果蔬采后抗性的机制及其信号转导途径

曾东慧

摘要诱导抗病性(induced Systemic resistance,ISR)是生防菌对果蔬采后病害抑制的重要机理之一。生防菌的系统诱导抗性具有非特异性、广谱性和系统性。阐述了生防菌对果蔬采后的系统诱导,分析了生防菌系统诱导果蔬抗性的机制、信号转导的途径,为拮抗菌防治果蔬采后病害提供了新的研究靶点。

关键词生防菌;采后果蔬;系统诱导抗性;信号转导途径

中图分类号 S63;S66 文献标识码A文章编号 1007-5739(2009)15-0069-02

SystemicResistanceInducedbyBiocontrolAgentsinPostharvestFruitsand VegetablesandItsSignaling Pathway

ZENG Dong-hui

(College of Food Science and Technology,Nanjing Agricultural University,Nanjing Jiangsu 210095)

AbstractInduced systemic resistance is one of the important mechanisms for biocontrolling postharvest diseases of fruits and vegetables by biocontrol agents.ISR mediated by biocontrol agents is characterized by non-specific,wide spectrum and systemic. ISR mediated by biocontrol agents was described,and mechanisms of ISR in postharvest fruits and vegetables and its signaling transduction pathways were analysized,leading to a more efficent use ofISR,and providing a new strategy for the research of biocontrolling postharvest diseases.

Key wordsbiocontrol agents;postharvest fruits and vegetables;induced systemic resistance(ISR);signaling pathway

目前控制果蔬采后病害的主要手段是冷藏结合化学杀菌剂处理,但由于化学杀菌剂残留危害人类健康和生存环境,而且植物病原菌对化学杀菌剂产生抗药性,因此迫切需要研究新型生物保鲜技术,取代化学杀菌剂的大量使用。利用安全并且环境友好的拮抗菌诱导果蔬的防御反应成为果蔬保鲜中行之有效的策略。所有的植物都具有有效的防御机制来应对病原菌的侵袭,通常有2种类型的诱导抗性:由病原微生物诱导产生的系统获得抗性(systemic acquired resistance,SAR)和非病原菌介导的诱导系统抗性(induced systemic res-istance,ISR)[1]。

近年来关于果蔬采后病害的生物防治技术研究较多的有拮抗菌(包括拮抗细菌和真菌)的拮抗作用、诱导果蔬提高自身的抗病力、天然植物提取物、转基因抗病品种的选育等。研究发现,植物促生细菌(plant growth promoting bacteria,PGPB)和拮抗真菌等生防菌除了具有直接的防病作用外,某些种类还具有诱发植物抗病性的功能,使植物对多种真菌、细菌、病毒病害,甚至对一些害虫和线虫产生抗性,为系统诱导抗性[2]。生防菌的这种诱导系统抗性通常具有广谱性、系物诱导抗病性,成为人们研究的热点。笔者主要阐述了拮抗菌的诱导抗病性,分析了诱导抗性产生的机制、信号转导的途径,为生物防治果蔬采后病害提供了新的研究靶点,提高果蔬采后的贮藏期。

1生防菌对果蔬诱导抗性的效果

能够刺激果蔬采后诱导抗性的因子很多,比如电离辐照、CO2 、O3 处理、水杨酸(SA)、茉莉酸甲酯(MJ)、生防菌、病原菌等[3]。生防菌无污染、无耐药性、对人体无害,刺激果蔬的诱导抗性并具有广抗菌谱,备受人们青睐。生防菌可以诱导植物代谢的变化,当植物受病原菌挑战时,可增加相关防御基因的表达,增强植物对广谱性病原真菌、细菌、病毒等微生物的局部或系统抗性。这种抗性具有较少的植物专化性,寄主范围广,可以得到广泛应用。研究发现,寡雄腐霉(Pythium oligandrum)诱导番茄对病原菌的抗病防御反应[4];酵母菌(Candida oleophila)诱导柚子果实对采后腐烂病菌青霉病的抗性[5];蜡蚧轮枝孢(Verticillium lecanii)能激发黄瓜对终极腐霉的防御反应[6],也能诱导柠檬果实抵抗绿霉病菌的侵染等[7]。B.m ycoides BacJB.pumilus203-6和203-7诱导甜菜的抗病性,显著减轻甜菜叶斑病的严重程度[8]。

2生防菌诱导果蔬抗性的机制

2.1酶活性的变化

生防菌诱导产生的与植物抗病性防御反应相关的酶类包括过氧化物酶(POD)、几丁质酶、β-1,3-葡聚糖酶、脂氧合酶(LOX)、超氧化物歧化酶(SOD)、多酚氧化酶(PPO)和苯丙氨酸解胺酶(PAL)等,当刺激寄主后其酶活都会大大增高,通过一系列的生理生化反应达到诱导抗性的效果。如李冠[9]用瓜类刺盘孢(Colletotrichum lagenarium)对甜瓜进行免疫诱导处理,POD及其同工酶、PAL的活性在诱导免疫植株中明显增高。Xu等[10]用酵母菌处理桃子后发现,桃中CAT、POD、β-1,3-葡聚糖酶酶活及其基因的表达都比对照高,并且贮藏1d后达到最大值,之后降低。POD能催化松柏醇的脱氢氧化,其氧化产物可进一步聚合成木质素,而木质素的形成能防御侵入的病原菌进一步扩展;PAL是植物酚类次生物质合成代谢的关键酶,经由该酶催化的苯丙烷途径能够合成黄酮、异黄酮、香豆酸酯类和木质素前体等次生酚类物质,其中许多物质具有强烈抑制病原菌生长的活性[11];几丁质酶能降解几丁质,而许多危害植物的病原菌(尤其真菌)的细胞壁的主要成分之一是几丁质,在体外,病原和非病原真菌生长受几丁质酶和β-1,3-葡聚糖酶的抑制,且真菌菌丝尖部最易受到这2种酶的降解,因而这2种酶具有直接攻击病原真菌的潜在可能性[12]。

2.2病程相关蛋白(PR蛋白)的产生

Gianinazzi和Van[13]在烟草中首次发现PR蛋白,PR蛋白是植物受病原物或不同因子的刺激、胁迫所产生的一类具有广谱抗性的可溶性蛋白质,具有低分子量、抗蛋白水解等特性,PR蛋白包括几丁质酶、β-1,3-葡聚糖酶、水解酶类、蛋白酶抑制剂、抗真菌蛋白等。PR蛋白在健康植物中不存在或表现微弱,而当植物被病菌感染或诱导后则迅速产生并积累,因此PR蛋白很可能是植物对病原菌感染或相关诱导的基本反应之一[14]。Tian等[15]从桃果实分离获得的膜醭毕氏酵母菌(Pichia membranefaciens Hansen)能有效抑制桃果实采后软腐病,其中桃果实中β-1,3-葡聚糖酶和几丁酶的活性显著升高。Ippolito和EI Ghaouth[16]研究出芽短梗霉(Aureobasidium pullulans)对苹果果实采后贮藏过程中几种酶活性的影响时发现,该拮抗菌可诱导几丁质酶。多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白(polygalacturcuaseinhibiting protein,PGIP)是病原真菌分泌的内切多聚半乳糖醛酸酶的抑制剂,是一种特异性结合和抑制真菌活性的细胞壁结合蛋白,能延缓病原真菌对组织细胞壁的降解。Brown等[17]将红果干癌丛壳菌(Nectria galligenaBres)接种于不同苹果品种上后,发现苹果腐烂扩展的程度与各苹果品种果实中的PGIP含量呈负相关。因此,PR蛋白与植物抗病系统获得性的启动有相关性,PR蛋白诱导表达常被作为植物抗病反应的生化指标。

2.3植物保卫素的合成和积累

植物保卫素是机械损伤或物理刺激、病原物及其产物所诱发的起抗病作用的化合物。只有在植物活细胞中才发生保卫反应,并在植物过敏坏死反应中起重要作用。在抗病反应中形成的速度较在感病反应中快、积累也多,对真菌有明显的抑制或杀伤作用。1940年Muller和Borger[18]最早提出植物保卫素假说。在研究马铃薯晚疫病菌致病性时发现,如果先用致病性弱的生理小种(非亲和性菌种)接种,24h后再用致病性强的小种(亲和性菌种)接种,后接种的亲和性菌种不能寄生;反之,先用亲和性菌种接种则不会产生这种影响。因此,认为寄主并不是一开始就具备抗病性状,而是由于用致病性弱的病菌接种之后,诱导寄主产生的,并且寄主组织能生成抗菌性物质并能够抑制第2次接种菌的生育。T.virens能产生抗生素gliotoxin,还具有重寄生作用,能有效防治由R.solani引起的棉苗立枯病。gliotoxin和重寄生作用失活的双重突变体依然对棉苗立枯病有防治作用,棉花苗中萜类植保素的积累增加表明是诱导抗性在起作用[19]。Arras等[20]研究发现拮抗酵母Candida famata能够刺激柑橘中植物保卫素的积累。

3生防菌诱导抗性的信号转导途径

果蔬中的组织细胞内具有识别和接受诱抗因子刺激信号的特殊受体,当生防菌刺激组织细胞时,受体对诱抗因子进行分子识别,修饰胞内基质后产生激活性和适应性的信号分子,通过特殊的信号转导途径,从而对特殊基因的调节激发组织细胞产生防卫反应。果蔬受生防菌刺激后产生诱导抗性主要依赖于茉莉酸和乙烯(JA/ET)信号转导途径,水杨酸(SA)信号转导途径在其诱导过程中也起着重要作用,它与JA/ET信号转导途径相互抑制或者增强[21]。最新的研究表明,生防细菌用于种内细胞与细胞之间交流的群体感应(quorum sensing)信号分子——酰基高丝氨酸內酯AHLs(N-acylhomoserine lactones),在以细胞密度依赖方式全局调控细菌多种生理功能的同时,还调控PGPB与寄主植物的互作,激活寄主的防御反应[22]。据宋水山[23]报道,用AHL处理拟南芥,其体内的苯丙氨酸解氨酶、过氧化物酶、超氧化物歧化酶等酶活改变,可见AHL参与植物防御系统的调控。

4结语

生防菌的诱导抗性只是众多生防机制的一个方面,与其他防病促生机制,诸如抗生作用、重寄生作用、竞争作用以及植物生长促进等具有协同增效作用;加之其具有广谱、非特异性的优点,并且不含显性抗性基因植物的诱导抗病性机制与含主效基因的植物相同,说明此类型的抗病性对环境无害,又因具有广谱性,因此研究生防菌的诱导抗病性为防治果蔬病害开辟了广阔的前景。但是诱导抗性中各机制之间的关系还有待深入研究,从分子水平、细胞水平研究诱导抗性的超微结构变化,分析其产生的机制,将有益于加深对诱导抗病性机理的研究和提高拮抗菌的抗病性。

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