诱导水稻抗瘟性及诱抗机理研究进展

胡 能，涂国全，黄 林

（江西农业大学 生物科学与工程学院，江西 南昌 330045）

诱导水稻抗瘟性及诱抗机理研究进展

胡 能，涂国全，黄 林*

（江西农业大学 生物科学与工程学院，江西 南昌 330045）

稻瘟病是危害水稻三大病害之首，水稻稻瘟病诱导抗病性具有持久性、广谱性、安全性、系统性等而对未来水稻稻瘟病的防治发挥巨大的作用。综述近年来国内外水稻诱导抗瘟性的研究进展，对生物及非生物诱导因子和诱导机理的三个方面进行了介绍，并提出对现在一些研究不足以及未来的发展方向。

稻瘟病；诱导抗病性；诱导因子；诱导机理

0 前 言

水稻（Oryza sativa）是世界主要粮食作物之一，被世界上超过 60%的人口作为主要食物，其种植区域主要分布在亚洲 [1] 。稻瘟病是由真菌—稻瘟病菌（Magnaporthe oryzae）引起的威胁着全球水稻种植区域的三大病害之一，严重时可造成水稻减产 50%，甚至更多；据估计，世界上每年因稻瘟病害导致的水稻减产，足以养活 6 000 万人 [2-3] 。稻瘟病菌可以感染水稻从成苗至成熟结实的任何生长阶段，水稻稻瘟病可分为：苗瘟、叶瘟、节瘟、穗颈瘟、谷粒瘟，其中穗颈瘟对水稻产量影响最大 [4] 。目前，化学农药是防治水稻稻瘟病害的主要方式，随着传统化学农药长期使用造成的污染环境、病菌抗性增强、发病增加、破坏生态平衡等问题日益显著。因此，寻找经济、节约、环保、可持续的防治稻瘟病害新方法尤为迫切。近年来，通过各种生物和非生物逆境的诱导可以激活植物自身的免疫系统，增强植物抗性，达到农业生产上对病虫害控制的目的被广泛研究 [5] 。研究植物诱导抗性防治稻瘟病害不仅可以作为新的防治稻瘟病害的方法，还可以为以后植物诱导抗性的研究提供理论基础。

1 诱导抗性

诱导抗性(induced resistance)是指利用物理、化学或生物因子预先处理植物，激活植物对病虫害和逆境的反应而产生的局部抗性（过敏性抗性）或系统抗性 [6] 。前者是指在被诱导的部位直接产生抗性的现象（过敏性反应、植物抗毒素分泌、胞壁强化等）；后者则是指植物经局部诱导后在非诱导部位产生抗性的现象 [7] 。这是植物通过各种化学和物理屏障来应对逆境的自然防御现象，这种防御机制不仅可以发生在病原体侵染的部位，还能延伸至远侧组织，使植物具有持久，广谱的病原体抗性；此外，植物诱导抗性是基于多种机制共同作用，这使得病原体对这一防御机制不可能很容易产生抗性 [8-9] 。目前，研究的植物诱导抗病性的诱导因子可分为生物诱导因子和非生物诱导因子两大类。

1.1 生物诱导因子

生物诱导因子包括促进植物生长的根际细菌(PGPR)或促进植物生长的真菌(PGPF)，自身病原物、病原物的非亲和小种(株系)、弱致病株系、近似种及其处理物等产生诱导抗病性的因子 [10] 。

Krishnamurthy 等[11]用荧光假单胞菌 7-14（Pseudomonas fuorescens 7-14）和恶臭假单胞杆菌 V14i （P.putida V14i）诱导水稻产生了抗瘟性。相关的菌株或其他种类的菌株可以诱导植物产生抗性，使植物获得提高抵抗病原体的能力，这种现象被称之为交叉保护作用 [12] 。范静华等 [13] 用稻瘟病菌生理非致病小种 ZB25、ZC9、ZA57 对珍龙 13、四丰 43、东农 363 三个品种水稻进行诱导，水稻均产生抗瘟性。此外，Kanno等 [14] 研究发现，白背飞虱可以诱导水稻对稻瘟病菌的抗性，并能强烈的抑制稻瘟病症状的发展。由于生物诱导因子作为诱导剂时本身具有致病性，有时作物会产生局部坏死反应，特别是对其他的作物可能具有较强的破坏性。因此，在田间使用生物诱导因子时需要认真考察实际情况。

1.2 非生物诱导因子

非生物诱导因子主要为化学诱导因子、物理诱导因子。化学诱导因子其本身并不能直接杀死病菌，但经过其处理后的水稻可以产生抗瘟性 [10] 。茉莉酸（jasmonic acid，JA）与水杨酸(salicylic acid , SA)是植物体内激活植物抗病防卫反应的信号分子，在体外不能抑制稻瘟菌分生孢子萌发及菌丝生长，但可以作为植物抗性诱导剂 [15-17] 。Daw 等 [5] 利用外源水杨酸处理水稻可以明显增强水稻对稻瘟病菌的抗性。邹志燕等 [18] 以外源茉莉酸诱导水稻幼苗抗瘟性，水稻幼苗的诱抗效果超过 55%。还有许多正在被研究的化学诱导剂如：噻菌灵、β-氨基丁酸、哌拉西酸、苯并噻二唑等等 [19] 。

一些重金属也能够诱导植物抗病性，Kodama 等 [20] 以 Cu2+、Fe2+、Hg2+、Mg2+、Co2+等金属离子分别对水稻叶片进行诱导；研究表明，Cu2+诱导水稻叶片生成了水稻素 A、B、C、D 及稻壳酮 A、B，其中对稻壳酮 A 的诱导效率最高，生成滞后期最短；Fe2+和 Hg 2+ 的诱导活性大大低于 Cu 2+ ，仅分别为其的 37%和 20%；而 Mg2+和 Co2+几乎没有诱导活性 [21] 。

抗生素可以直接作用于病原菌也可以用于诱导水稻抗性；钟丽娟等 [22] 对水稻喷施四霉素可以诱导水稻防御酶系活性升高，增强抗病性以防止病菌侵染。

某些物理诱导因子也能诱导水稻稻瘟抗性如：高温、低温、光照及机械损伤等处理。Schweizer 等[23]研究发现受伤处理水稻可以诱导水稻抗稻瘟性，受伤处理的水稻发生了类似系统性抗性并且有发病机制相关的 mRNA或蛋白质的积累。

2 诱导抗性机理

2.1 植保素合成与积累

植保素是植物受到生物或非生物因子诱导后，在体内合成并迅速积累在植物抗病过程中起着重要作用的抗微生物活性的小分子化合物 [24] 。 植保素能抑制菌丝生长或使菌丝死亡， 从而抑制病原菌的生长 [25] 。余萍等 [26] 以水稻稻瘟病菌诱导水稻杭病品种“金早 9 号”与感病品种“矮脚南特”后，分离提取到可能属于黄酮类化合物的植保素。Peng等 [27] 发现在稻瘟菌侵染水稻后，叶片中特异性合成和累积了两种未知的抗菌物质 RF1、RF2。范军等 [28] 以非亲和性稻瘟菌侵染水稻，在水稻叶片中检测出特异性诱导的抗菌性物质RF2及未发现的水稻植保素P2。 王瑞霞等 [29] 利用水杨酸诱导水稻抗瘟性； 发现水杨酸诱导处理后CO39 和 CA101A51 两个品系的水稻产生了分支酸、丁子香酚、稻壳酮 A、稻壳酮 B，4 种化合物，且水杨酸甲酯、苯酚、豆甾醇和 β-谷甾醇、两种酯类物质、十一碳烷等化合物含量均发生变化；水杨酸诱导处理后调动了抗病相关的次生代谢及植保素及其他抗菌物质的合成，从而提高植物的抗病性。

2.2 酶活性的变化

诱导后水稻内与酚代谢物相关的酶活性增强，目前研究较多的酶有苯丙氨酸解氨酶（PAL）、过氧化物酶（POD）、多酚氧化酶（PPO）、脂氧合酶(LOX)、过氧化氢酶(CAT)、β-1，3-葡聚糖酶以及几丁质酶等。

苯丙氨酸解氨酶是苯丙烷类代谢途径的关键酶，也是合成木质素的关键酶，参与植物体内类黄酮植保素、木质素的合成 [30-31] 。潘哲超等 [32] 以低浓度稻瘟菌毒素诱导不同品种水稻幼苗的抗病性；研究表明水稻内 POD和 PAL被激活，抗病品种活性比感病品种易被毒素激活。

活性氧和脂氧合酶可以以非酶促和酶促方式攻击植物膜系统，启动膜脂过氧化的发生并直接与植物的过敏性坏死反应相联系 [33] 。李云锋等 [34] 以稻瘟菌来源的 GP66 诱导水稻 C101LAC（亲和性互作）及 CO39（非亲和性互作）的抗瘟性，研究发现两种水稻均出现了超氧阴离子积累和 LOX 活性，其活性的升高导致非亲和性互作水稻的膜脂过氧化；SOD 和过 CAT 活性均趋于下降，但非亲和性互作水稻 POD 活性则在诱导早期高于亲和性互作水稻，可能与其参与其它抗性有关，证明膜脂过氧化的发生是激发子诱导水稻抗性的主要生理机制之一。

植物几丁质酶主要是水解几丁质多聚体中的 β-1,4-糖苷键，特殊的几丁质酶还具有溶菌酶活性或催化转糖基反应，几丁质酶与 β-1,3-葡聚糖酶具有抗病协同性 [35-36] 。孙万春等 [37] 发现接种稻瘟病菌后能诱导几丁质酶活性的快速上升，β-1,3-葡聚糖酶活性在接种后缓慢上升；并且接种稻瘟病菌后水稻叶片总可溶性酚含量快速上升；水稻叶片中的木质素含量在接种后快速上升并维持较高水平。

过氧化物酶是植物在逆境条件下酶促防御系统的关键酶之一，它能与超氧化物歧化酶、过氧化氢酶相互协调配合，使体内自由基维持在一个正常的动态水平，提高植物的抗逆性 [38] 。张智慧等 [39] 用外源茉莉酸甲酯(MeJA)处理诱导水稻 CO39 和 C101LAC 幼苗的抗瘟性， MeJA处理后 PAL、 POD、 CAT和 LOX 活性在早期得到增强，并产生了 β-1,3-葡聚糖酶和几丁质酶活性，结果显著减轻了稻瘟病的发生。

多酚氧化酶和过氧化物酶活性提高可以大大增加酚氧化物的含量，并促进木质素的积累，使细胞壁增厚，从而抵抗病原的侵染和扩展 [40] 。黄有凯等 [41] 研究发现哈茨木霉不仅对病原微生物有拮抗作用，而且能够诱导植物产生抗病性；对水稻喷施木霉发酵液后，水稻 PPO 和 POD 酶的活力提高，而且诱导产生了新的同工酶谱带。

2.3 病程相关蛋白

病程相关蛋白是由植物寄主基因编码，在病程相关情况下诱导生成的一类蛋白质，它们与过敏性反应和系统性获得抗性的关系极其密切，病程相关蛋白在与病原物作用，植物抗性表达，诱导抗性信号的传递及协同作用等方面发挥重要的作用 [42-43] 。蔡新忠等 [44] 以 0.01 mmol/L水杨酸喷雾处理或稻瘟菌孢子悬浮液接种稻苗后，叶片中 PAL和定位于细胞不同部位的 POD，与细胞壁结合的 POD 和细胞间隙 POD 的活性迅速升高，没有检测到新 POD 同功酶带出现，叶片中木质素含量迅速增加；在 SA处理后的稻叶中提取到能抑制稻瘟菌分生孢子萌发、含有稻壳酮 A的抑菌物质，并检测到分子量分别为 48、52、59、 106.5 ku的碱性病程相关蛋白。刘文文等 [45] 研究用烯丙异噻唑诱导水稻，找到了 10个水稻蛋白质差异表达位点；对其中 3个进行质谱分析，发现其分别具有泛醌一细胞色素 C 还原酶、苏氨酸肽链内切酶和苹果酸脱氢酶活性；这些蛋白可能是通过提高植物的呼吸作用和启动泛肽依赖性的蛋白质降解途径的活化参与植物的诱导抗病机制。

3 展 望

水稻稻瘟病诱导抗病性具有持久、广谱、安全、系统等特性，被世界各地的学者研究，并对诱导抗性的机理有了初步的了解。但我们对诱导抗性的机理还有许多空白地带，加之大多数实验数据并不是田间试验得到的，限制了诱抗剂在农业生产上的运用。植物诱导抗性是由多因素、多基因共同调控的，因此，诱导剂的预防作用的意义大于防治作用。但植物诱导抗性可作为其他农业防治方法如：化学农药、抗生素等重要的补充、辅助方法。如何对不同易感优产品种的水稻，选用何种高效、合适的诱导剂以达到最好的抗瘟效果，这仍然需要我们继续研究摸索。随着诱导抗性机理研究的深入以及田间试验数据的完善，水稻稻瘟诱导抗病性将会作为一种安全高效用量少，易降解低残留，稳定可持续的方法被广泛运用。

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Research Progress of Induced Resistance against Rice Blast and Its Resistance Mechanisms

HU Neng, TU Guo quan, HUANG Lin*

(College of Biological Science and Engineering, Jiangxi Agricultural University, Nanchang, 330045, China)

Rice blast is the most harmful rice disease among three major rice diseases. Induced resistance against rice blast will play an important role in the control of rice blast for its following characteristics: persistence, broad spectrum, safety, systemic， etc. Recent researches on induced resistance against rice blast, the biotic and abiotic induced resistance elicitors, and resistance mechanisms were introduced in this paper. Existing problems about the research and its development direction about induced resistance against rice blast in the future were also discussed.

rice blast; induced resistance; resistance factors; resistance mechanism

胡能, 涂国全, 黄林. 诱导水稻抗瘟性及诱抗机理研究进展[J]. 生物灾害科学, 2015, 38(1):66-70.

2015-03-01

国家自然科学基金项目(31360450)

胡能，男，硕士生，主要从事微生物所产生物活性物质研究，E-mail:huneng678@sina.com；*通讯作者：黄林，博士，E-mail:huanglin213@126.com。

S435.11

A

2095-3704（2015）01-0066-05