植物激素在稻瘟病菌-水稻病理系统中的作用

贺丹 李鹏 赵珅 赵婷婷 田苗 姜虹

摘  要：植物激素是植物产生的化学物质，用于调节植物发育、应激反应和防御的各个方面。最近的研究表明，病原真菌也可以产生植物激素或植物激素模拟分子，但对于这种真菌产生的植物激素分子在植物-真菌相互作用中的作用和调控机制的细节仍知之甚少。稻瘟病菌对全球粮食安全构成了巨大威胁。阐明稻瘟病菌致病性和水稻针对稻瘟病菌的防御机制，以便为开发新的病害控制策略以及培育抗性品种提供理论基础。过去研究已证明植物激素在调节水稻生长平衡和提高水稻的免疫力方面发挥着重要的作用。但近年来一些研究发现，稻瘟病菌进化出精细的方式来控制水稻植物激素的代谢，甚至在其入侵过程中直接产生和分泌植物激素。通过研究稻瘟病菌-水稻病理系统来展示植物激素是如何参与这种跨界交流的。

关键词：真菌-植物相互作用；植物激素；防御反应；跨界交流

中图分类号：S435.111.4+1;S432.1;Q943.2      文献标志码：A      文章编号：1673-6737（2023）01-0055-04

Action of Plant Hormones in Pathologic System of Grisea

HE Dan ， LI Peng ， ZHAO Shen ， ZHAO Ting-ting ， TIAN Miao ， Jiang Hong

（Institute of Comprehensive Utilization of Agricultural and Livestock Products， Heilongjiang Academy of Land Reclamation Sciences， Harbin 150036， China）

Abstract： Plant hormones are chemical substances produced by plants， which are used to regulate various aspects of plant development， stress response and defense. Recent studies have shown that pathogenic fungi can also produce plant hormones or plant hormone-mimicating molecules， but details of the role and regulatory mechanisms of plant hormone molecules produced by this fungus in plant-fungus interactions remain poorly understood. Rice blast fungus poses a great threat to global food security. To elucidate the pathogenicity of rice blast fungus and the defense mechanism of rice against rice blast fungus in order to provide a theoretical basis for developing new disease control strategies and breeding resistant varieties. Previous studies have proved that plant hormones play an important role in regulating rice growth balance and improving rice immunity. But in recent years， some studies have found that Magnaporthe grisea has evolved elaborate ways to control the metabolism of plant hormones in rice， and even directly produces and secretes plant hormones during its invasion. This paper demonstrates how plant hormones are involved in this transboundary communication by studying the pathologic system of rice blast fungus.

Key words： Fungus-plant interaction; Plant hormone; Defensive response; Cross-border communication

當水稻受到病原体入侵时，病原体和植物之间的寄生关联体现了复杂的协同进化，包括相互感知和反应[1]。在感染的初始阶段，植物能够通过其先天免疫系统识别真菌病原体特有的分子模式——通常称为病原体相关分子模式（PAMP），从而触发免疫（PTI）的防御反应。为了克服植物PTI，病原体将效应蛋白分泌到宿主细胞的质外空间或进入宿主细胞，抑制植物的免疫感知，最终促进病原体在宿主的定殖。病原体效应物可以被宿主植物的抗性蛋白识别并触发第二层植物先天免疫，以阻止疾病的恶化[2]。在这种竞争关系中，植物产生的植物激素是植物抵御真菌入侵的防御机制之一，而真菌病原体已经开发出多种方式来破坏植物激素的生物合成或信号传导。更有趣的是，最近的研究表明，病原体真菌也可能会为了更好地侵染宿主而产生一些植物激素或模拟植物激素的代谢物。

目前，八种植物激素在植物生长、发育、非生物和生物胁迫抗性中的生理作用已得到充分证明。这八种植物激素包括生长素（吲哚-3-乙酸，IAA）、细胞分裂素（CKs）、油菜素内酯（BRs）、脱落酸（ABA）、赤霉素（GAs）、水杨酸（SA）、茉莉酸（JAs）和乙烯（ET）。在拟南芥中，SA、JAs和ET主要参与植物防御反应。特别是，SA介导植物对生物营养性或半生物营养性病原体的抗性，并参与植物系统获得性抗性（SAR），其中对植物的一个部分的病原攻击会诱导其他部分的抗性；JAs和ET能够诱导致死性植物病原体的抗性。IAA、CKs、BRs、ABA、GAs主要参与调控植物生长发育的各个阶段，包括根茎生长、开花、叶片衰老、果实成熟、种子休眠和发芽等，但也可能在植物受到病害侵染时通过SA、JAs或ET信号调节产生抗性[3]。

在真菌病理学家的一项调查中，根据其科学和经济重要性，稻瘟病菌是排名前10位的真菌病原体[4]。由子囊菌引起的稻瘟病是最具破坏性的水稻病害，每年可在全球范围内导致10%～30%的产量损失，对全球粮食安全构成重大威胁。因此，应对稻瘟病菌进行深入的研究。本文对在稻瘟病菌-水稻病理系统中真菌操作和真菌衍生的生长素、细胞分裂素、脱落酸和茉莉酸的作用进行了阐述。

1  生长素（IAA）

生长素是一类含有一个不饱和芳香族环和一个乙酸侧链的内源激素，其化学本质是吲哚乙酸，是最早被发现的促进植物生长的激素[5-6]。有研究发现稻瘟病菌感染通过下调生长素反应基因ARF1和IAA9来抑制水稻未感染叶片中的生长素信号通路，这可能是导致未感染叶片生长减少和作为SAR限制稻瘟病菌侵染的原因。由于生长素反应的下调和抗性基因的诱导，生长素结合酶OsGH3.1的过表达导致对稻瘟病的敏感性降低。相比之下，根结线虫感染水稻根部导致生长素的积累导致水稻叶片对稻瘟病的易感性增强。因此，水稻在感知到稻瘟病菌感染后可能会抑制其自身的生长素反应，以阻止其生长并诱导防御反应。为了抵消宿主体内的这种激素变化，稻瘟病菌可以在其菌丝和分生孢子中产生IAA，可能是为了诱使水稻生长而不是为了防御[7]。多项研究表明，生长素信号通路正调控水稻生长，负调控稻瘟病抗性。因此，通过下调参与抑制生长素反应的基因对其进行操作有利于稻瘟病感染[8]。

2  细胞分裂素（CKs）

除生长素外，稻瘟病菌在其菌丝和分生孢子中也产生了多种CK。稻瘟病菌CKS1基因编码推定的tRNA-IPT蛋白，被证明是CK生物合成所必需的，特别是植物生长和毒力所必需的。此外还发现CK在生产后会释放到培养基中，CKs可能促进稻瘟病菌的养分转运[1]。另一方面，稻瘟病菌感染引发水稻幼苗中CK的积累，激活CK信号，随后诱导抗性基因OsPR1b和PBZ的表达，从而激活水稻对稻瘟病的抗性，这种CK介导的稻瘟病抗性受到SA信号通路的协同调控[9]。同样的，CKs和SA共同处理水稻叶片强烈诱导防御基因PR1b和PBZ1的表达，而单独处理任何一种仅略微增加它们的表达水平。水稻和稻瘟病菌都能够产生CK。稻瘟病菌为了促进其自身的营养转运而产生和分泌CKs（分泌CKs这种信号分子的说法被提出但尚未得到证实），被宿主水稻感知并触发植物CKs信号通路从而调节防御反应，以及调控SA信号通路。与生长素功能相似，这种植物生长激素的相互操纵可能代表一种平衡植物生长的机制，尤其是水稻中的细胞分裂、细胞死亡以及防御反应[10]。

3  脱落酸（ABA）

由于SA、JA和ET信号通路介导的SAR被抑制，植物中ABA的过量产生可能对病害抗性产生不利影响。水稻中ABA分泌的减少或ABA信号传导的破坏，都能够增强水稻对稻瘟病的抵抗力。相反，ABA处理水稻幼苗导致水稻产生了易感性，说明真菌衍生的ABA可能成为毒力因子[11]。一些真菌病原体被发现产生ABA主要通过甲羟戊酸途径，这与植物中的ABA生物合成途径不同。在灰葡萄孢菌（B. cinerea）中鉴定了一个基因簇，包括BcABA1、BcABA2、BcABA3和BcABA4都能够参与ABA合成，ABA在稻瘟病菌营养生长和孢子形成阶段均被检测到[12]。三个ABA基因同源物（MoABA1、MoABA2和MoABA4）和ABA G蛋白偶联受体在稻瘟病菌中被鉴定出来，MoABA4基因的缺失导致致病性丧失，表明ABA的产生可能对稻瘟病菌的致病性至关重要。稻瘟病菌能够上调水稻NCED3基因（用于水稻ABA生物合成）的表达，这表明它可能会刺激水稻中的ABA合成以促进其自身的致病性并破坏宿主的抗性。因此，笔者等人得出的结论是，在稻瘟病菌-水稻相互作用中，ABA通过抑制植物抗性和加速真菌本身的发病机制在病害严重程度方面发挥双重作用[13-14]。

4  茉莉酸（JAs）

JA及其衍生物存在于多種高等植物中，参与调节植物的生长发育和植物免疫反应。水稻产生被称为植物抗毒素的低分子量抗菌化合物，主要由二萜和类黄酮组成[15]。茉莉酸异亮氨酸（JA-Ile）是JA的一种生物活性物质，其水平会随着稻瘟病感染而增加。内源性JA-Ile主要通过促进黄酮类植物抗毒素sakuranetin的产生而参与防治稻瘟病。JA-Ile合成由JA-Ile合酶催化。最近的研究表明，两种JA-Ile合酶OsGH3.5（OsJAR1）和OsGH3.3（OsJAR2）在水稻的JA-Ile生产中发挥重要作用。特别是OsJAR1的表达与稻瘟病感染后JA-Ile的积累有关，表明通过JA信号传导在稻瘟病抗性中的作用[16]。JA合成途径基因OsAOC缺失突变体对稻瘟病菌抗性降低，表现为菌丝生长更快且JA含量降低，揭示OsAOC能通过JA信号途径调控水稻对稻瘟病菌的免疫反应；过表达OsWRKY30可诱导JA途径中OsLOX、OsAOS2表达，同时伴随内源JA积累，对稻瘟病菌的抗性增强[17]。

最新研究发现，SRB-SDV的SP8蛋白、RSV的P2蛋白以及RSMV的M蛋白是一类具有抑制转录活性的转录抑制子，它们都能与JA信号途径的关键成分水稻中介体亚基25（rice mediator subunit 25，OsMED25）、茉莉酸转录抑制蛋白（rice jasmonate zim-domain protein，OsJAZ）、茉莉酸bHLH转录因子2（rice JA-inducible basic helix-loop-helix transcriptional factor 2，OsMYC2）和茉莉酸bHLH转录因子3（rice JA-inducible basic helix-loop-helix transcriptional factor 3，OsMYC3）相互作用。这些转录抑制因子通过直接干扰OsMED25-Os-MYC复合物，抑制OsMYC2和OsMYC3的转录激活功能，然后与OsJAZ蛋白结合，共同减弱JA途径。稻瘟病菌通过操纵水稻JA信号通路成功地打破了水稻防御。稻瘟病菌特异性诱导水稻miR319的表达，其靶基因编码转录因子OsTCP21是水稻对稻瘟病的防御反应的正调节因子，可能是通过诱导JA合成基因LOX2和LOX5。因此，稻瘟病菌能够通过诱导水稻miR319抑制JA合成来降低水稻产生JA的水平。此外，稻瘟病菌能够通过过氧化物酶将水稻JA分子修饰为无活性物质12-OH JA，从而破坏宿主的自身免疫[18]。

综上所述，水稻响应稻瘟病感染诱导JA-Ile合成，而稻瘟病菌通过水稻miR319途径抑制JA合成，并可能将水稻JA转化为12-OH JA，进而转化为无活性的JA介导的SAR。

5  结语

植物激素是植物响应各种生理或环境刺激而产生的调节生长发育的小分子，本文想强调植物激素不仅是植物生长调节剂，还是植物和真菌之间使用的一种化学语言，用来更有效地进行跨界（竞争性）交流。在长期的协同进化过程中，病毒为了逃脱植物的防御反应，也向着对自身有利的方向不断进化，编码一系列的致病因子与宿主植物相互作用，最终抑制植物防御反应来增强病毒自身的致病性以及完成自身生命周期所需的生命活动，从而促进病毒侵染。稻瘟病菌会利用宿主的养分来维持自身的生存，在与宿主植物共同进化的过程中学会使用这种植物激素语言。本文通过研究稻瘟病菌-水稻病理系统来展示植物激素如何参与这种跨界交流。稻瘟病菌能够合成（并且可能分泌）植物激素分子，包括IAA、ABA和各种CK，还能够诱导水稻ABA合成。稻瘟病菌可以减少水稻JA合成，并将JA转化为12-OH JA合成，而不是产生活性抗稻瘟病JA衍生物JA-Ile。本文提到的稻瘟病菌与水稻相互作用中的每种植物激素，其信号通路都处于一个复雜的网络中，相互之间存在多重串扰。

参考文献：

[1] Chanclud E， Kisiala A， Emery NR， et al. Cytokinin Production by the Rice Blast Fungus Is a Pivotal Requirement for Full Virulence[J]. PLoS Pathogens， 2016， 12（2）： e1005457.

[2] 陈星彤，杜春梅.植物激素调控植物与尖孢镰刀菌的互作研究进展[J].应用与环境生物学报，2021，27（3）：816-822.

[3] Chanclud E， Morel JB. Plant hormones： a fungal point of view[J]. Molecular Plant Pathology， 2016， 17（8）： 1289-1297.

[4] Dean R， Van Kan JAL， Pretorius ZA， et al. The Top 10 fungal pathogens in molecular plant pathology[J]. Molecular Plant Pathology， 2012， 13（4）： 414-430.

[5] Domingo C， Andrés F， Tharreau D， et al. Constitutive Expression of OsGH3.1 Reduces Auxin Content and Enhances Defense Response and Resistance to a Fungal Pathogen in Rice[J]. Molecular Plant-Microbe Interactions， 2009， 22（2）： 201-210.

[6] Hagen G， Guilfoyle T. Auxin-responsive gene expression： genes， promoters and regulatory factors[J]. Plant Molecular Biology， 2002， 49（3-4）： 373-385.

[7] Kazan K， Lyons R. Intervention of Phytohormone Pathways by Pathogen Effectors[J]. Plant Cell， 2014， 26（6）： 2285-2309.

[8] 旷永洁，柳浪，严芳，等.水稻与病原物互作中植物激素功能的研究进展[J].生物技术通报，2018，34（2）：74-86.

[9] Jiang CJ， Shimono M， Sugano S， et al. Cytokinins act synergistically with salicylic acid to activate defense gene expression in rice[J]. Molecular Plant-Microbe Interactions， 2013， 26（3）： 287-296.

[10] Walters DR， McRoberts N， Fitt BDL. Are green islands red herrings？ Significance of green islands in plant interactions with pathogens and pests[J]. Biol Rev Camb Philos Soc.， 2008， 83（1）： 79-102.

[11] Siewers V， Kokkelink L， Smedsgaard J， et al. Identification of an abscisic acid gene cluster in the grey mold Botrytis cinerea[J]. Appl Environ Microbiol， 2006， 72（7）： 4619-4626.

[12] Spence CA， Lakshmanan V， Donofrio N， et al. Crucial roles of abscisic acid biogenesis in virulence of rice blast fungus Magnaporthe oryzae[J]. Front Plant Sci， 2015， 6（155）： 1082.

[13] Mine A， Berens ML， Nobori T， et al. Pathogen exploitation of an abscisic acid- and jasmonate-inducible MAPK phosphatase and its interception by Arabidopsis immunity[J]. Proc Natl Acad Sci U S A， 2017， 114（28）： 7456-7461.

[14] Mittler R， Blumwald E. The roles of ROS and ABA in systemic acquired acclimation[J]. Plant Cell， 2015， 27（1）： 64-70.

[15] 李欣，李影，曲子越，等.bHLH轉录因子在茉莉酸信号诱导植物次生产物合成中的作用及分子机制[J].植物生理学报，2017，53（1）：1-8.

[16] Sun Q， Wang GH， Zhang X， et al. Genome-wide identification of the TIFY gene family in three cultivated Gossypium species and the expression of JAZ genes[J]. Scientific Reports， 2017， 7： 42418.

[17] Svetaz LA， Bustamante CA， Goldy C， et al. Unravelling early events in the Taphrina deformans-Prunus persica interaction： an insight into the differential responses in resistant and susceptible genotypes[J]. Plant， Cell & Environment， 2017， 40（8）： 1456-1473.

[18] 丁丽娜，杨国兴.植物抗病机制及信号转导的研究进展[J].生物技术通报，2016，32（10）：109-117.

基金项目：黑龙江省自然科学基金项目“多粘类芽孢杆菌X-11对作物病害的防效及机理研究”（LH2019C080）；黑龙江省自然科学基金项目“类芽胞杆菌源新型蛋白激发子诱导作物抗病性的研究”（LH2019C079）；黑龙江省自然科学基金项目“蛋白激发子EsxA在水稻的互作蛋白研究”（LH2021C086）；黑龙江省自然科学基金项目“多粘类芽孢杆菌X-11抗菌蛋白研究”（LH2021C087）；北大荒集团项目“农用微生物在水稻上的应用与研究”。

收稿日期：2022-06-24

作者简介：贺丹（1990-），女，硕士，助理研究员，从事农业微生物、农业生态学研究。