全 文 ：·综述与专论· 2012年第5期
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
收稿日期 : 2011-09-13
基金项目 : 中国烟草总公司科技重点项目（110201002002）, 国家烟草专卖局烟草遗传育种重点实验室开放基金（TB201108）, 中国农业科
学院烟草研究所所长基金（TR20115）
作者简介 : 张玉 , 男 , 硕士 , 研究实习员 , 研究方向 : 烟草抗病育种 ; E-mail: zhy160@163.com
植物病程相关蛋白及其在烟草中的研究进展
张玉 杨爱国 冯全福 蒋彩虹 耿锐梅 罗成刚
（中国农业科学院烟草研究所 中国烟草遗传育种研究（北方）中心，青岛 266101）
摘 要： 植物在受到病原物侵染时，会产生一系列抗性反应，病程相关蛋白是其中参与抗病性的重要物质，能够被病原物
诱导产生并在植物体内积累，对于诱导植物系统抗性，阻止病原物侵染具有重要作用。对植物病程相关蛋白的性质、诱导因素、
分类和功能进行综述，并概述病程相关蛋白与烟草系统抗性的紧密联系以及烟草病程相关蛋白基因在增强系统抗性中的应用，为
烟草抗病育种和病虫害防治提供了理论。
关键词： 烟草 病程相关蛋白 分类 功能 系统抗性
Plant Pathogenesis-related Proteins and Research Progress in Tobacco
Zhang Yu Yang Aiguo Feng Quanfu Jiang Caihong Geng Ruimei Luo Chenggang
（Tobacco Research Institute，Chinese Academy of Agricultural Sciences，The North Center of
Tobacco Genetic and Breeding，Qingdao 266101）
Abstract: Plants would generate a series resistant reaction when infected by pathogens, and pathogenesis-related proteins（PRP）would
be induced to resist disease. PRPs can be induced and accumulated in pants, which plays an important part in inducing systemic resistance and
preventing pathogen infection. In this article, not only the properties, induce factors, categorization and functions of PRP were overviewed, but
also the relation between tobacco PRPs with systemic resistance and the utilization of tobacco PRP genes in enhancing systemic resistance were
summarized, which provide rationale for resistance breeding and pest control in tobacco.
Key words: Tobacco Pathogenesis-related proteins Categorization Function System resistance
病程相关蛋白（pathogenesis-related proteins，P-
RP）是植物体内的一类蛋白质，受病原体或其他外
界因子的胁迫而诱导表达，在植物抵御疾病、响应
外界压力以及适应不良环境方面发挥着重要作用。
1970 年，美国科学家通过对烟草花叶病毒（TMV）
表现过敏反应的烟草品种接种 TMV，发现了 4 种新
的蛋白质。首次发现了病程相关蛋白，以后又相继
在其他烟草品种或植物中发现了类似的蛋白质。随
着技术的发展和研究的深入，研究者发现这些来源
不同的新蛋白质之间有许多共同的特性。1980 年，
安东纽（Antoniw）把这些新的蛋白质定义为病程相
关蛋白，并提出了命名方法。迄今已发现，马铃薯、
番茄和黄瓜等 20 多种植物受病原物侵染或其他外界
环境刺激都可以产生病程相关蛋白质。
近年来，植物病程相关蛋白在植物抗病性中的
作用逐渐成为研究的热点，研究者主要从结构、功
能、诱导机制及基因利用等方面对其进行了大量研
究，阐明了其在植物抗病性中的作用。研究结果证
明，病程相关蛋白参与了植物的诱导抗病性，病程
相关蛋白的诱导表达使植物产生了系统抗性，特别
是几丁质酶和1，3-葡聚糖酶是植物潜在的抗病物质。
为了解病程相关蛋白在烟草抗病育种及病虫害防治
中的应用前景，本文就近年来植物病程相关蛋白及
其在烟草中的研究进展进行了综述。
1 病程相关蛋白的性质和诱导因素
植物病程相关蛋白稳定性较强，相对分子质量
2012年第5期 21张玉等 ：植物病程相关蛋白及其在烟草中的研究进展
较小，一般为 6-43 kD，因此可以较好地在细胞内
和细胞间积累。大部分病程相关蛋白具有抗逆作用，
能抵御糖苷酶、蛋白酶、尿素和重金属，并对低 pH
值和高温（60℃）具有较强的耐性。病程相关蛋白
在进化上相对保守，来源不同的同类型病程相关蛋
白在物理和化学性质、分子结构、氨基酸组成和血
清学反应等方面具有较高的相似性［1］。
病程相关蛋白的分布情况与等电点及诱发因素
有关，主要分布于植物细胞间隙和液泡内。一般来
说，分布于细胞间隙中的病程相关蛋白多是等电点
小于 7 的酸性蛋白，而等电点大于 7 的碱性病程相
关蛋白则多分布于细胞液中。病程相关蛋白的末端
序列影响其在细胞内的转移。区别酸性、碱性病程
相关蛋白的关键是碱性蛋白的前体不仅具有 N 端信
号肽，还有 C 端糖基化的尾部序列，这两个末端序
列在成熟蛋白质中都被切除。有研究者认为，N 端
信号肽在病程相关蛋白从高尔基体转运到液泡，或
穿过细胞质膜分泌到胞间的过程中起着决定性作用，
其前体靠近 N 端的信号肽序列负责病程相关蛋白向
液泡中的转运，它的缺失可导致转运途径发生错误
而分泌到胞间［2］。
多种因素可以诱导病程相关蛋白质的产生，总
体可以分成 4 类 ：一是生物诱导因子，如植物病原
菌［3］、根结线虫［4］及昆虫等侵染或危害植物。二是
生理性诱导因子［2］，如烟草的开花过程，番茄和千
日红的自然落叶，黄瓜和豇豆细胞发生质壁分离等，
均可分离到病程相关蛋白质。三是化学诱导因子［5，6］，
如乙烯和其他高浓度的植物激素、多聚腺苷酸、二
氯乙烯膦酸、聚丙烯酸、苯甲酸以及其衍生物均可
诱导病程相关蛋白质的合成。四是物理诱导因子［7］，
如机械损伤、紫外线辐射和高温等。
2 病程相关蛋白的分类及功能
最初，根据分子生物学和分子遗传学技术将烟
草中的病程相关蛋白分为 5 类（PR-1-PR-5），按照
电泳迁移率的大小命名，每组由几个性质相似的成
员组成［8］。PR-1 组蛋白的数量最多，大约占到叶
片总蛋白的 1%-2%。PR-5 组，即被称为类甜蛋白
（thaumatin-like protein，TLP）的病程相关蛋白，主
要是分子量为 24 kD 的蛋白质。在经伤口诱导的马
铃薯、番茄叶片中也发现了类似的病程相关蛋白，
这些蛋白可激活某些抵抗丝氨酸肽链内切酶的蛋白
质活性。有研究证明，PR-5 组蛋白还具有抵抗真菌
侵染以及激活植物防卫反应信号途径的作用［9］。
截止到 1994 年，已形成目前的按病程相关蛋白
的植物来源、电泳迁移率（与分子量大小有关）、血
清学关系以及氨基酸序列的同源性为标准的分类体
系（表 1）。按此分类体系，烟草和番茄中的 11 个
病程相关蛋白家族被分类并命名为 PR-1-PR-11，其
中 PR-8 可以在黄瓜中诱导表达［10］，PR-10 蛋白基
因已在小麦、藏红花等植物中得到克隆，并且由于
其在植物抗病性中的重要作用，已经成为近年来的
研究热点［11, 12］。3 个新的病程相关蛋白家族（PR-12、
PR-13 和 PR-14）分别在胡萝卜、拟南芥和大麦中得
到鉴定并分离出来［13］。萌发素蛋白和类萌发素蛋白
分别归类为 PR-15 和 PR-16 家族，PR-16 已经从受
细菌和病毒侵染的辣椒中分离出来［14］。
家族 代表成员 特性
PR-1 Tobacco PR-1a 未知
PR-2 Tobacco PR-2 β-1, 3- 葡聚糖酶
PR-3 Tobacco P，Q I，II，IV，V，VI，VII
型几丁质酶
PR-4 Tobacco “R” I，II 型几丁质酶
PR-5 Tobacco S 类甜蛋白（TLP）
PR-6 Tomato Inhibitor I 蛋白酶抑制因子
PR-7 Tomato P 蛋白内切酶
PR-8 Cucumber chitinase III 型几丁质酶
PR-9 Tobacco “lignin-forming peroxidase” 过氧化物酶
PR-10 Parsley “PR1” 类核糖核酸酶
PR-11 Tobacco class V chitinase I 型几丁质酶
PR-12 Radish Rs-AFP3 防卫素
PR-13 Arabidopsis THI2.1 硫素
PR-14 Barley LTP4 脂质转移蛋白
PR-15 尚不清楚 萌发素
PR-16 Pepper GLPs 类萌发素（GLPs）
表 1 已经鉴定的病程相关蛋白家族
早在 1987 年，Legrand 等就检测到烟草病程相
关蛋白 PR-3 家族的 4 个成员具有几丁质酶活性，从
而证明了病程相关蛋白具有酶活性，他们还发现烟
草病程相关蛋白 PR-2 家族的 4 个成员具有 β-1，3-
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2012年第5期22
葡聚糖酶的活性。随后 PR-4、PR-8 和 PR-11 也被
检测到具有几丁质酶活性，PR-4 还具有几丁质结合
蛋白的功能。PR-7、PR-8、PR-9 和 PR-10 分别具有
蛋白水解酶、溶菌酶、过氧化物酶和核糖核酸酶活
性。PR-6 是蛋白水解酶抑制蛋白。PR-12、PR-13 和
PR-14 分别具有防御素、巯基化合物和脂质转移蛋
白的特性，这些病程相关蛋白以及渗调蛋白、类甜
蛋白（PR-5）都具有膜透功能。PR-15、PR-16 分别
具有萌发素和类萌发素蛋白的特性，具有多种酶活
性和功能［14, 15］。
大部分病程相关蛋白的共同特性是具有抗真菌
活性，一些病程相关蛋白还具有抗细菌、昆虫、线
虫和病毒的活性。病程相关蛋白的水解酶活性、蛋
白水解酶抑制剂和膜透功能可以减弱病原菌的毒性。
真菌细胞壁主要包含多聚葡萄糖、几丁质和蛋白质。
因此，水解酶（β-1, 3-葡聚糖酶、几丁质酶和蛋白水
解酶）可以作为分解真菌细胞壁的工具，同时 PR-8
具有溶菌酶活性，能够分解革兰氏阳性菌［16］。2004
年，Park 等［14］在辣椒中诱导表达了病程相关蛋白
PR-10，这种病程相关蛋白具有核糖核酸酶的功能，
能够分解入侵病毒的 RNA，对寄主植物的抗病毒功
能较重要。另外，辣椒 PR-10 还具有抗生素活性，
对于防御卵菌纲真菌效果较明显。PR-6 可能与抗昆
虫和抗线虫有关，因为其蛋白酶抑制剂活性可以使
这些寄生物在寄主植物组织内分泌的蛋白失活［16］。
PR-5、PR-12、PR-13 和 PR-14 的细胞膜透性能够使
真菌和细菌病原体质壁分离，阻止其生长和发育。
PR-15 和 PR-16 具有细胞壁再塑、防御病原物入侵
等多种功能［15］。
3 病程相关蛋白与烟草系统抗性
植物的系统抗性可能包括多种机制，但是，不
论真菌、细菌或病毒，植物对这些病原物的共同反
应都是产生病程相关蛋白，并且在获得系统抗性的
未感染的叶片上也出现这些蛋白，这说明病程相关
蛋白和植物的系统获得抗性之间有紧密的联系。近
年来，已在烟草上开展了很多病程相关蛋白与系统
抗性关系的研究。
经 TMV 感染后诱导的烟草系统抗性，不仅增
强了烟草对 TMV 本身的抗性，而且对其他病毒、细
菌或真菌病原物也有抵抗作用。同样，由病原物
如 Thielaviopsis（烟草根腐霉）、TNY（烟草枯斑病
毒）等诱发烟草产生局部感染后，也能诱发烟草对
TMV 的抗性。Palak 等［17］利用 TMV 对转基因烟草
做了侵染试验。结果显示，病原物侵染产生的遗传
学变化可以遗传给后代，烟草植株受 TMV 侵染后，
两个连续世代的同源重组频率增加。基因组甲基化
分析表明，两个世代的植株均表现出超甲基化基因
组。并且，通过对 5-甲基胞嘧啶抗体的甲基化作用
分析，证明低甲基化和超甲基化共同存在。受 TMV
侵染烟草植株的第一代对 TMV、番茄细菌性斑点病
（P. syringae pv. tomato）和烟草疫霉菌（Phytophthora
nicotianae）侵染所产生的症状产生了明显的延缓作
用，同时还发现，受 TMV 侵染烟草植株的第一代植
株受病毒或者细菌侵染后，能够诱导病程相关蛋白
（PR-1）基因的大量表达，并诱导 β-D-1, 3-葡聚糖酶
的大量积累。
利用一些化学物质也可产生类似的诱导作用。
杜春梅等［18］用抗病毒剂菌克毒克注射于珊西烟下
部叶片，上部叶片接种 TMV。结果表明，经过菌
克毒克诱导后，上部未注射叶片对 TMV 侵染的抑
制率为 65.5%-82.6%。分别对菌克毒克处理的叶片
以及上部未处理叶片细胞间液中的蛋白进行电泳
分析，结果表明，菌克毒克系统地诱导珊西烟产
生了健康植株所没有的 7 种病程相关蛋白。刘陟
等［19］以普通烟草 G28 为材料，研究了宁南霉素和
水杨酸对烟草酸性病程相关蛋白的诱导表达。结果
表明，在宁南霉素和水杨酸诱导下，烟草叶片中酸
性病程相关蛋白能够高效、系统表达。在未接种病
原菌条件下，宁南霉素和水杨酸可以诱导 9 种酸性
病程相关蛋白表达。相比而言，宁南霉素诱导酸性
病程相关蛋白的表达水平较高，持续时间较长。由
此说明，病程相关蛋白的诱导表达增强了烟草的抗
病性。
外源抗病基因介导的烟草系统抗性同样与病程
相关蛋白紧密相关。Zheng 等［20］将白杨的抗性基因
PtDrl01 转入烟草，发现转基因烟草植株对 TMV 产
生了系统抗性，同时检测到转基因烟草内病程相关
蛋白表达量增强。
2012年第5期 23张玉等 ：植物病程相关蛋白及其在烟草中的研究进展
4 烟草病程相关蛋白基因在系统抗性中的
利用
尽管人们还不清楚许多病程相关蛋白的诱导机
制、生物功能，但是已经利用转基因植物进行了很
多病程相关蛋白基因增强植株抗病方面的实践，并
取得了显著成效。
烟草病程相关蛋白 1a（PR-1a）的生物化学功
能目前还不清楚，但其在病原菌侵染时能够大量表
达，PR-1a 的诱导表达和烟草的系统获得性抗性密
切相关，这种系统获得性抗性是宿主对真菌、病毒
和细菌侵染的防御反应。Danny 等［21］把编码病程相
关蛋白 PR-1a 的基因转化到烟草植株中，使其高效
表达，结果显示，PR-1a 的高效表达能够增强转基
因植株对烟草霜霉病和黑胫病的抗性。
烟草病程相关蛋白 PR-2 和 PR-3 分别属于 1, 3-
葡聚糖酶类和几丁质酶类，具有抗真菌功能，这些
基因具有较大的利用前景。蓝海燕等［22］利用烟草
β-1, 3-葡聚糖酶及菜豆几丁质酶基因构建了组成型
表达的双元植物表达载体，利用农杆菌介导法转化
烟草，得到了转基因植株，与对照相比，转基因烟
草对赤星病的侵染具有较强的抵抗能力。Melchers
等［23］将来自烟草的编码 1, 3-葡聚糖酶和几丁质酶
（分别来自 PR-2 和 PR-3）的基因转化入番茄，使其
同时表达，增强了番茄对真菌病原菌的抗性。试验
还表明，任何一个基因单独表达都会使转基因番茄
的抗病性减弱。他们还用萝卜做了同样的试验，结
果显示包含相同基因的萝卜对大部分主要真菌病害
都表现出了较强的抗性。他们还发现了一个重要特
点，对一种病原菌表现抗性的转基因番茄中，大部
分都能够对其他病原菌表现出较强抗性。Bachmann
等［24］发现烟草病程相关蛋白 PR-2 和 PR-3 在马铃
薯中的过量表达能够增强马铃薯对晚疫病的抗性。
Kombrink 等［25］在几丁质酶和 1, 3-葡聚糖酶共同表
达的植物中也得到了同样的抗病效应。
5 展望
植物病程相关蛋白最初是在烟草中发现的，其
特性与功能研究不仅为植物的系统抗性研究作出了
突出贡献，也为烟草新品种选育、病害防治提供了
重要的理论依据。通过对病程相关蛋白的研究，一
是帮助人们寻找对特异病原菌产生抗性的病程相关
蛋白 ；二是通过分析病程相关蛋白的抗病机制，明
确抗病功能，开发新型环保农药 ；三是克隆烟草病
程相关蛋白基因，为烟草分子育种提供基因资源，
从而获得抗菌谱广、作用持久的优质抗病新品种。
随着科学技术的发展，关于病程相关蛋白特性
与功能的研究逐渐增多，但是与植物特定关系的基
础研究仍然较少，许多问题仍然不清晰。例如，病
程相关蛋白与动物体内免疫蛋白的作用方式是否类
似，还有哪些重要因子参与 ；基因表达涉及到哪些
具体的信号传导途径 ；不同来源的病程相关蛋白基
因是否具有共同的能接受特定因子刺激的靶序列
（TS），以便通过对靶序列的作用启动病程相关蛋白
基因的表达，增强植物对不同病原物的抗性。这些
均需要对更多病程相关蛋白的结构、功能进行深入
解析，同时对诱导病程相关蛋白产生过程中的受体、
信号传导途径和分子靶标进行深入研究，阐明基因
表达调控的规律及作用模式。
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（责任编辑 狄艳红）