全 文 ：植物生理学通讯 第 45卷 第 2期，2009年 2月176
木聚糖酶和木聚糖酶抑制蛋白在植物 - 病原菌互作中的作用
陈红歌 *, 刘艳芳, 刘亮伟, 贾新成
河南农业大学生命科学学院, 郑州 450002
Roles of Endoxylanases and Their Inhibitors in Plant-phytopathogen Interaction
CHEN Hong-Ge*, LIU Yan-Fang, LIU Liang-Wei, JIA Xin-Cheng
College of Life Sciences, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China
提要: 植物病原菌靠分泌的多种细胞壁水解酶侵染植物组织, 由于禾本类植物细胞壁的主要成分是半纤维素, 因此认为木
聚糖酶是禾本植物病原菌入侵宿主的物质基础, 但对植物来说, 病原菌木聚糖酶则可能作为激发子诱发植物的抗病防御反
应, 另外, 植物体内也产生可抵抗木聚糖酶作用的蛋白质性质的抑制剂。本文就病原菌木聚糖酶的这种双重作用和木聚糖
酶抑制蛋白在植物防御系统中的作用研究进展作介绍。
关键词: 木聚糖酶; 抑制蛋白; 植物病原菌; 激发子; 防御系统
收稿 2008-10-14 修定 2009-01-21
资助 河南省重点科技攻关项目(0 721 022 20 001 )。
* E-mail: honggeyz@163.com; Tel: 0371-63555175
木聚糖是植物细胞壁中半纤维素的主要成分,
其主链由D-吡喃型木糖残基通过 β-1,4-糖苷键连
接而成, 主链上一般还带有少量的乙酰基、阿拉伯
糖基、葡萄糖醛酸基等侧链基。内切 -β-1,4-木
聚糖酶(EC3.2.1.8, 下文简称木聚糖酶)是专一性水
解木聚糖主链的酶, 它将大分子木聚糖降解成低聚
木糖、木二糖及少量的木糖。木聚糖酶主要由微
生物产生, 但一些藻类、原生动物、甲壳类动物
和植物等也能产生木聚糖酶(Sunna和Antranikian
1997)。很多有益微生物产生的木聚糖酶已广泛地
应用于饲料、纸浆生物漂白、面包焙制、淀粉
加工等领域, 而植物病原菌的木聚糖酶则在植物与
病原菌互作机制研究和植物抗病防病领域中备受关
注。这是因为, 一方面, 病原菌木聚糖酶由于能分
解植物细胞壁而可能促进病原菌的侵染, 另一方面,
则是病原菌木聚糖酶还可能同时诱发植物的抗病防
御系统, 病原菌木聚糖酶的这种双重作用已成为近
年来植物 - 病原菌互作关系研究中的一个热点
(Belien等2005)。本文简要介绍这方面的最新研究
进展。
1 木聚糖酶和木聚糖酶抑制蛋白
1.1 木聚糖酶 许多微生物都能产生木聚糖酶, 不同
微生物产生不同种类的木聚糖酶, 同一微生物也常
产生不止一型的木聚糖酶, 这些酶从基因序列、酶
空间结构、分子量、等电点和催化性质等各方面
都有所不同。
根据木聚糖酶催化区域的氨基酸组成及疏水
簇序列划分, 木聚糖酶主要归属于糖基水解酶第10
家族(GH10)和第 11家族(GH11), 少数酶也划归糖
基水解酶第 5、7、8和 13家族(Collins等 2005)。
GH10木聚糖酶通常具有较大的分子量(≥30 kDa)
和较低的等电点(pI), 其典型的空间结构是(β/α)8折
叠桶, 主要由 α-螺旋和 β-折叠片重复出现而构成
上面略大下面较小的形状, 整体像碗状, 活性中心
则位于贯穿上沿的一个裂缝处。GH10木聚糖酶除
了催化结构域外, 还常含有纤维素结合结构域、木
聚糖结合结构域等。GH11木聚糖酶则普遍具有较
低的分子量(<30 kDa)和较高的 pI, 是由 β-折叠片
为主构成的单个结构域, 这个结构域由2个β-折叠
片层扭曲成将近 90°角, 从而构成一个深且狭长的
沟缝状结构, 外形似“右手半握状”, 其活性中心位
于 “手掌 ”处(Torronen等 1994)。
尽管在催化机制上, GH10和GH11家族的木
聚糖酶都是由2个Glu作为催化残基而进行的双置
换反应, 但由于GH10木聚糖酶对底物的选择性不
高, 可以结合更小的底物, 因而会产生更加小的木
寡糖产物包括有部分木单糖, 而GH11木聚糖酶对
底物的选择性较强, 结合底物时要求有 3个以上连
续的未取代木糖残基, 因而释放出相对于GH10来
专题介绍 Special Topics
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说较大的寡糖产物(刘亮伟等 2007)。
1.2 木聚糖酶抑制蛋白 Debyser等(1997)最早发现
小麦粗蛋白提取物中有能抑制木聚糖酶活性的蛋白
组分存在, 并从小麦粉中纯化出第一种木聚糖酶抑
制蛋白, 命名为小麦木聚糖酶抑制剂(Tri ticum
aestivum xylanase inhibitor, TAXI)。1999年,
McLauchlan等在小麦粉中发现第二种木聚糖酶抑
制蛋白, 其抑制特异性和结构特征都与 TAXI型不
一样, 命名为木聚糖酶抑制蛋白(xylanase inhibitor
protein, XIP)。此后, 这 2型木聚糖酶抑制蛋白先
后在黑麦、大麦、玉米、燕麦、水稻等谷物中
发现, 推测它们可能广泛存在于植物界(Goesaert等
2004)。2007年, Fierens等又在小麦中发现一种结
构上属于甜蛋白家族的木聚糖酶抑制蛋白, 命名为
甜蛋白样木聚糖酶抑制剂(thaumatin-like xylanase
inhibitor, TLXI)。
TAX I 型木聚糖酶抑制蛋白分子量约为 4 0
kDa, pI≥ 8.0, 有 A和 B两种存在形式。A型是
一个全长蛋白, B型是由A型水解及加工后的形式,
它由分子量约为 29和 11 kDa的 2条肽链组成, 肽
链间有二硫键相连(高慧等 2006)。XIP型木聚糖
酶抑制蛋白是一种糖基化的单体蛋白, 分子量约为
30 kDa, pI为 8.0~9.0 (Durand等 2005)。
TAXI型和XIP型抑制蛋白的抑制谱是不同
的。Gebruers等(2004)研究表明, TAXI型抑制蛋
白专一性作用于GH11家族的木聚糖酶, 不论它是
来源于细菌还是真菌, 但不能作用于GH10家族的
木聚糖酶。进一步的研究发现, 最初曾鉴定为TAXI
的抑制蛋白实际上是 TAXI-I和 TAXI-II两种组分
的混合体, 它们有不同的等电点, 且对黑曲霉GH11
木聚糖酶ExlA表现出不同的抑制活性。近期又发
现了 TAXI-III和 TAXI-IV型木聚糖酶抑制蛋白
(Igawa等 2005)。TAXI抑制蛋白与木聚糖酶的识
别位点可能是很有限的结构, 对黑曲霉 ExlA的
Asp37位点(Sansen等2004)和枯草杆菌XynA的Asp11
位点(Sorensen和 Sibbesen 2006)进行定点突变后,
便可完全消除 TAXI-I对这两种GH11木聚糖酶的
抑制作用。Raedschelders等(2005)采用同样的方
法证实, 决定 TAXI-II抑制特异性的关键氨基酸残
基在其 294和 376两个位点处。
对于XIP型抑制蛋白来说, 在所试验的一系列
来自细菌和真菌的GH10和GH11木聚糖酶中, XIP
型抑制蛋白只抑制那些来自真菌的木聚糖酶(但来
自棘孢曲霉的GH10木聚糖酶是例外), 不管它们是
GH10还是GH11家族的, 而不抑制那些来自细菌的
木聚糖酶(Juge等 2004)。XIP型抑制蛋白这种特
异性抑制真菌来源木聚糖酶的特征并不是由于真菌
酶具有糖基化, XIP通过与酶的糖基化位点相结合
而抑制酶活性, 因为将这些真菌来源的木聚糖酶在
大肠杆菌中表达, 所得到的重组酶同样程度地受
XIP-I所抑制(Brutus等 2004)。但是, Payan等
(2004)根据XIP-I分别与构巢曲霉GH10木聚糖酶
和绳状青霉GH11木聚糖酶形成的复合物的晶体结
构及由此解析出的 XIP-I与酶特异结合位点的结
构, 推测该抑制蛋白应该能与来自真菌和细菌的
GH10和GH11木聚糖酶都有作用, 而且证实XIP-I
具有两个独立的酶结合位点, 分别与GH10和GH11
家族的木聚糖酶相结合, 并且提出XIP的抑制作用
涉及到底物模拟接触机制及酶活性位点的封闭作
用。看来, 有关 XIP型抑制蛋白的抑制特异性迄
今还没有定论, 这可能也是不同的研究者选择的
XIP和木聚糖酶种类不同所致。
新发现的 TLXI型抑制蛋白的分子量约为 18
kDa, pI≥ 9.3, TLXI以非竞争性抑制方式抑制
GH11家族木聚糖酶, 同 TAXI一样, TLXI也不能
抑制GH10家族木聚糖酶(Fierens等 2007)。
2 木聚糖酶在病原菌入侵宿主植物中的作用
一直以来, 人们都认为植物病原菌靠分泌的多
种细胞壁水解酶类以侵染植物组织, 并以裂解植物
细胞释放的营养为生, 但到目前为止, 还很少有直
接的证据比如通过细胞壁水解酶的缺失造成病原菌
致病性的显著影响等实验来证明细胞壁水解酶是植
物病原菌的致病因子。有关双子叶植物病原菌分
泌的细胞壁降解酶类的研究一般都集中在果胶降解
酶, 如多聚半乳糖醛酸酶、果胶甲酯酶和果胶裂解
酶(D’Ovidio等2004), 这是因为双子叶植物细胞壁
中果胶成分含量丰富。而禾本类植物细胞壁的主
要成分是半纤维素(Carpita 1996), 半纤维素又主要
由木聚糖组成, 因此, 有理由认为木聚糖酶是禾本
植物病原菌入侵宿主的重要工具, 正如同果胶降解
酶在病原菌入侵双子叶植物中所起的作用一样。
近20年来已有若干关于木聚糖酶可能是病原
菌致病因子的报道。但早期的实验证据常是间接
的, 如通过分析感染处有无细胞壁降解酶类的生成,
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或者检测纯化的木聚糖酶对植物细胞和侵染组织的
影响, 以探明木聚糖酶在病原菌侵染中的作用。近
年来随着分子生物学技术的发展, 越来越多的病原
菌木聚糖酶基因得到克隆, 基因敲除、mRNA表达
分析及重组木聚糖酶等许多新技术极大地促进了木
聚糖酶作用机制的研究。如Hurlbert和Preston (2001)
将玉米病原菊欧文氏菌(Erwinia chrysanthemi)的木
聚糖酶基因在大肠杆菌中表达后, 详细研究了纯酶
的性质, 根据酶所释放的木寡糖产物的大小, 推测
该酶的作用是疏松宿主的细胞壁结构, 以促使病原
菌所分泌的其它酶更容易进入宿主组织, 而不是参
与半纤维素的代谢途径。
人们对来自于病原微生物的木聚糖酶的表达
方式也有较多的研究, 如 RT-PCR的研究显示, 在
接种了稻瘟病菌(Magnaporthe grisea) 46 h的水稻
幼苗中几乎检测不到稻瘟病菌木聚糖酶基因xyn22
和 xyn33的转录物, 接种 84 h后, xyn22和 xyn33基
因的表达量达到最大。而稻瘟病菌的 xyl-6基因在
接种 24 h后就已检测到其表达, 接种 68 h后的表
达量达到最大。另外还发现, 不管是生长在水稻基
质上, 还是在受侵染的水稻叶子中, 稻瘟病菌的xyl-6
基因的表达都比 xyn22和 xyn33强烈(Wu等2006)。
Gomez-Gomez 等(2 001 )发现, 番茄尖镰孢菌
(Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici)的木聚糖酶
基因 xyl5只在侵染番茄的初期表达, xyl2只在侵染
的末期表达, 而xyl3和xyl4则在尖镰孢菌侵染番茄
的整个病程都有表达。
可以看出, 病原菌木聚糖酶基因的表达除了符
合一般的非致病性微生物木聚糖酶的调控机制之
外, 还受特定条件比如侵染的不同组织、侵染不同
时期等因素的影响, 以致它的每一种木聚糖酶基因
的表达都有一个独特的表达模式。
植物病原菌木聚糖酶基因在致病过程中的不同
表达模式说明木聚糖酶的确与病原菌的侵入和病害的
发生有关。然而, 在对玉米圆斑病菌(Helminthosporium
turcicum) (Degefu等 2004)、尖镰孢菌(Gomez-Go-
mez等 2001)、菊欧文氏菌(Keen等1996)和稻瘟病
菌(Wu等1995)等植物病原菌的单个木聚糖酶基因
进行靶向敲除后, 没有一例报道显示会极大地影响
到菌株的致病性。Gomez-Gomez等(2001)认为, 遗
传冗余或者微生物木聚糖酶多型性的存在是病原菌
木聚糖酶基因敲除后仍保持其致病性的主要原因。
由于迄今尚没有得到上述病原微生物的所有木聚糖
酶基因都被敲除的突变体, 因此木聚糖酶在病原微
生物致病机制中的确切作用尚无定论。除了木聚
糖酶基因敲除的方法, 还可以通过破坏木聚糖酶转
录调控因子或者破坏蛋白分泌途径中关键因子的方
法来研究病原菌多型木聚糖酶在致病机制中的作
用, 因为这些蛋白通常能够影响病原菌整套木聚糖
酶基因的表达或分泌。如在玉米圆斑病菌中, 得到
一个蛋白激酶基因 SNF1被敲除的突变体, 由于该
蛋白激酶是一些受分解代谢物阻遏的基因的表达所
必需的, 所以突变体病菌显著减弱了包括木聚糖酶
在内的细胞壁水解酶类的表达, 同时也显示其侵
染毒力的下降。Ray等(2000)证明, 水稻黄单胞菌
(Xanthomonas oryzae pv. oryzae)蛋白外泌的II型分
泌系统中的 xpsD和 xpsF基因的突变, 会引起木聚
糖酶在细胞周质中的聚集, 并导致水稻黄单胞菌侵
染毒力的降低, 说明阻断水稻黄单胞菌木聚糖酶向
胞外的分泌, 可在一定程度上减弱其侵染毒力。最
近 Brito等(2006)已得到单个木聚糖酶为病原菌致
病所必需的实验证据, 他们证实灰霉菌(Botrytis
cinerea)木聚糖酶基因xyn11A的缺失会强烈影响其
侵染番茄叶子和葡萄果实的能力。
3 木聚糖酶在植物防御反应中的作用
植物和其病原体之间的相互作用诱发了植物
的一系列不同的防卫机制, 包括细胞壁的加固、抗
菌成分的生成、乙烯生物合成和快速局域性细胞
死亡等。这些防御反应大都是由来自病原体的激
发子所诱发的, 但也有一些激发子是宿主植物的细
胞壁组分或者具有水解活性的蛋白质(Bucheli等
1990; Esquerre-Tugaye等 2000)。木聚糖酶就是一
种活性激发子, 里氏木霉(Trichoderma reesei)的一
种称作诱导乙烯合成的木聚糖酶(ethylene-inducing
xylanase, EIX)常用于研究木聚糖酶的激发子活性。
这个分子量为 22 kDa的GH11家族的木聚糖酶在
烟草(Bailey等1992)、番茄(Avni等1994)中能诱导
乙烯的产生和细胞快速死亡, 这些都是植物过敏反
应(hypersensitive response, HR)的症状。植物HR
反应对活体营养型病原菌来说可能产生有效的防御
作用, 但对于腐生性病原菌来说, 反而是提供更便
利的侵染条件。从这个角度考虑, 对那些腐生性病
原菌, 其木聚糖酶与致病之间的相关性更加紧密, 而
半活体营养型病原菌木聚糖酶的不同表达模式则可能
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与病原菌从活体营养型到死体营养型的转变有关。
Hanania 和Avni (1997)报道, 在能对里氏木霉
EIX激发子作出反应的烟草和番茄的膜上, 存在
EIX激发子的一个高亲和结合位点。再结合 EIX
能够诱导烟草原生质体细胞(不含细胞壁组分)进行
乙烯生物合成的事实, 可以有力地说明木聚糖酶的
激发子活性取决于宿主植物的某个蛋白对它的特异
性识别, 而不是由于酶水解作用产生的细胞壁碎片
所致(Sharon等 1993)。Enkerli等(1999)和 Furman-
Matarasso等(1999)分别对里氏木霉木聚糖酶XynII
和EIX的催化活性中心氨基酸残基进行定点突变,
使之失活, 结果表明两个突变体酶都保留着它们的
激发子活性, 说明木聚糖酶的活性并不是激发子活
性所必需的。Rotblat等(2002)通过制备 EIX多克
隆抗体及噬菌体展示的重组肽库的筛选, 鉴别出一
段决定EIX激发活性的五肽序列TKLGE, 该序列在
EIX空间结构中形成一个外突的β折叠。用VKGT
替换 EIX中的 TKLGE序列后, 就能抑制其激发活
性, 但却不影响其木聚糖酶活性, 从而进一步证明
木聚糖酶活性与激发过程无关。这就是说, 对于病
原菌侵染宿主植物来说, 木聚糖酶的活性是必需的,
而对于宿主植物防御反应来说, 植物识别木聚糖酶
激发子并不依赖于木聚糖酶的活性, 这也是植物和
病原对立关系的一种体现。
木聚糖酶是如何引发植物一系列反应的？Ron
和 Avni (2004)发现, EIX在番茄中的 2个受体
LeEix1和LeEix2都能单独地与EIX激发子结合, 但
是只有 LeEix2能够传导过敏反应样的诱导信号。
另有人推测, 在经木聚糖酶处理的植物体中, 致病
的引发存在着多样化的信号级联作用。如磷脂酶
C和D是植物中的两种信号酶, 通过独特的酶途径
产生脂肪第二信使磷脂酸, van der Luit等(2000)发
现, 在用 EIX处理的番茄悬浮细胞中, 磷脂酶 C和
D在EIX激发过程中被激活。另外, 在经木聚糖酶
处理的烟草悬浮细胞(Bargmann等 2006)和烟草叶
子(Tripathy等1999)中也都检测到磷脂酶D导致的
胞外N-酰基乙醇胺(N-acylethanolamines, NAE)的积
累, 其中N-肉豆蔻酰基乙醇胺(NAE14:0)能够激活
Phe 解氨酶植物防御基因的表达。Tr ipa thy等
(2003)观察到烟草细胞表现出对NAE14:0有着高亲
和性特异结合力, 从而支持了认为木聚糖酶激发子
的受体级联中有NAE信号途径参与的观点。还有
一种防御信号途径在木聚糖酶的激发过程中有显
现, 这就是丝裂原活化蛋白(mitogen-activated
protein, MAP)激酶级联。Mayrose等(2004)发现用
EIX处理后的番茄的MAP激酶基因 LeMPK3的确
在mRNA水平上受诱导表达。Yamamoto等(2004)
的研究表明, 烟草中受木聚糖酶诱导的防御基因的
转录还涉及到识别不同GCC盒子和W盒子的效应
乙烯的转录因子的作用。可见, 病原菌木聚糖酶进
入植物体后所引发的防御反应是多向的复杂过程,
其中许多机制还需进一步加以研究证实。
4 木聚糖酶抑制蛋白在植物防御反应中的作用
植物体为保护其自身免受病原微生物的侵害,
还进化出用以对抗病原微生物所分泌的细胞壁降解
酶的蛋白质性质的抑制剂。这些抑制蛋白可能通
过两种方式抵抗病原菌的侵害, 一种是降低病原菌
细胞壁降解酶的活性, 另一种是确保植物产生具有
防御激发子活性的多糖片段, 因为这些多糖片段在
没有抑制蛋白存在的情况下可能会被降解掉。到
目前为止, 在多种双子叶植物和富含果胶的单子叶
植物中都发现有多聚半乳糖醛酸酶的抑制蛋白(De
Lorenzo等2001), 这类抑制蛋白在植物防卫病原菌
中所起的作用也已经得到证实(D’Ovidio等2004)。
这里重点介绍木聚糖酶抑制蛋白在植物防御反应中
的作用。
谷物中木聚糖酶抑制蛋白相对其它抑制蛋白
来说, 其含量比较大, 一般 TAXI和XIP型抑制蛋
白的含量分别达到 50~100 mg·kg-1和 200~300
mg·kg-1。许多实验结果显示他们通过阻止病原微
生物木聚糖酶的水解作用而参与植物防御反应。
TAXI和XIP抑制蛋白只专一性地作用于外源木聚
糖酶, 而对目前已知的谷物自身的内源性木聚糖酶
没有抑制活性(Gebruers等 2004)。因此, 这两种抑
制蛋白不可能作为植物正常生理过程, 比如胚乳储
备的动员、细胞壁重建时的调控因子而存在, 如果
是那样的话, 就要求该抑制蛋白在特定的生长发育
阶段能够作用于自身的木聚糖酶。
两种抑制蛋白对来自特定微生物的不同木聚
糖酶有着复杂的识别特异性, 这种识别特异性可能
是植物为抵抗来自细菌或真菌的多种木聚糖酶而不
断进化的结果。Belien等(2005)证实, 来自禾谷镰
刀菌(Fusarium graminearum)的两种GH11家族的木
聚糖酶能被 TAXI-I抑制, 但不能被XIP-I抑制, 这
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种不被XIP-I抑制的结果是对 Juge等(2004)推测
XIP型抑制蛋白特征性抑制真菌来源木聚糖酶的又
一反证。Brutus等(2005)报道来自灰霉菌的GH11
木聚糖酶XynBc1既能被TAXI-I抑制, 又能被XIP-
I抑制, 但不被TAXI-II抑制。进一步将XynBc1与
灰霉菌的另一型木聚糖酶Xyn11A (是至今唯一被
证实其活性为病原菌致病所必需的木聚糖酶)进行
序列比较表明, 在4个相异的氨基酸残基中, 有2个
(Ala48和Val145)都位于酶的XIP-I作用位点处。根
据上述结果, 人们有理由认为, 在植物的抑制蛋白
和植物病原菌的木聚糖酶之间存在一种协同进化
(或共进化, coevolution)机制, 在这个过程中, 植物
体不断进化出不同类型的抑制蛋白以抵制病原菌分
泌的各种木聚糖酶的作用, 与此同时, 病原菌则不
断进化出对抑制蛋白具有不同敏感性以致于不敏感
的多型木聚糖酶, 即一方成为另一方的选择力量, 在
进化过程中发展为双方可以互相适应。
TAXI和XIP抑制蛋白在结构上都显示出与已
知的能抵抗入侵病原菌或参与植物防御作用的蛋白
质有序列相似性。如XIP型抑制蛋白与植物的 III
类几丁质酶在序列和结构上有很高的相似性。几
丁质酶是高等植物普遍存在的一种与病程相关的蛋
白, 受病原菌侵染才被诱导表达。几丁质酶一方面
通过降解病原真菌细胞壁的几丁质以直接抵抗病原
菌; 另一方面, 还通过作用于真菌细胞壁所释放的
几丁寡糖激发子而间接地引起防御反应。Durand
等(2005)推测, XIP型抑制蛋白极有可能是从几丁
质酶进化而来, 而几丁质酶则是由于真菌的侵入而
先期诱发合成。由几丁质酶进化来的新类型的蛋
白质不再作用于几丁质, 而是具有抑制木聚糖酶的
功能, 成为木聚糖酶抑制蛋白。这种方式的进化很
可能促使XIP型抑制蛋白也保留有几丁质酶的信
号识别和表达调控途径。TAXI型抑制蛋白则显示
与胡萝卜的细胞外周糖蛋白(extracellular dermal
glycoprotein, EDGP)具有很高的序列相似性(Fierens
等 2003)。EDGP特异性地存在于植物的表皮和皮
层组织中, 受创伤诱导而大量表达, 因而认为EDGP
在植物防卫反应中起作用。与EDGP在植物中的定
位相似, TAXI蛋白也大量存在于小麦籽粒的皮层(即
麸皮)中。另外, TAXI抑制蛋白与专一作用于木葡
聚糖的内切葡聚糖酶的抑制蛋白(xyloglucan-specific
endoglucanase inhibitor protein, XEGIP)也具有序列
相似性, XEGIP蛋白能够抑制微生物来源的糖基水
解酶家族GH12的葡聚糖酶而在植物防御反应中起
作用。
TAXI和XIP抑制蛋白的另一个特征是, 它们
都是在植物受创伤和病原菌入侵时诱导产生的。
Igawa等(2004)报道, 在受到创伤损害的小麦叶子
中, Taxi-I、Taxi-III和 Taxi-IV基因得到强烈表达,
小麦在受到真菌病原体禾谷镰刀菌和禾白粉菌
(Erysiphe graminis)的侵染时, 其Taxi-III和Taxi-IV
基因的转录物都显著增加, 但Taxi-I基因转录物的
增加相当有限, 因此, 可以认为 Taxi-I是一种组成
型存在的防御基因, 而Taxi-III和Taxi-IV则进化为
病原诱导型的 Taxi家族成员。Xip-I基因的诱导不
同于 Taxi, 小麦在接种禾谷镰刀菌后并未发现其
Xip-I基因的转录, 但在受到禾白粉菌侵染或是受到
损伤后, 小麦叶子中 Xip-I基因即强烈表达。由此
可见, Xip-I基因不同于Taxi-I基因, Xip-I是病原菌
诱导表达型的, 又不同于 Taxi-III和 Taxi-IV基因,
Xip-I基因的表达不仅受病原诱导, 而且还决定于病
原菌的种类或受感染的部位, 或者二者兼而有之。
Taxi和 Xip基因除了有不同的诱导模式之外, 它们
的mRNA水平还随着植物生长发育条件和发育时
期的不同而变化。
从上可以看出, 植物TAXI和XIP抑制蛋白的
不同表达模式和不同的抑制特异性, 在实质上乃是
不同植物、植物的不同部位以及不同发育阶段在
抗御不同种类病原菌分泌的不同木聚糖酶时所发生
的各种防御作用的一种体现。
5 结语
在植物与病原菌互作中, 病原菌形成一系列入
侵及最大限度生长、繁殖的机制, 其中, 分泌细胞
壁降解酶是病原菌的一种入侵机制。对于禾本植
物病原菌来说, 木聚糖酶是其入侵宿主植物的物质
基础。为防御病原菌的侵入, 禾本科植物宿主一方
面主动识别病原菌木聚糖酶, 使木聚糖酶作为激发
子(但不依赖其木聚糖酶活性)引发宿主的一系列防
卫反应; 另一方面, 植物产生木聚糖酶抑制蛋白以
削弱或抑制病原菌木聚糖酶的活性。
病原菌木聚糖酶和植物的抑制蛋白都具有多
型性, 即都存在结构、表达模式、作用特异性等
特征各异的家族成员, 而且在木聚糖酶和其抑制蛋
白之间存在着复杂而精巧的识别方式, 这种识别常
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常是由很少数的几个氨基酸残基的结构决定的。
木聚糖酶和抑制蛋白之间这种高度特异性的互作方
式很可能是病原菌和宿主植物协同进化的结果, 在
这个过程中, 病原菌不断促使其木聚糖酶最大限度
地 “逃避 ”宿主的抑制, 宿主植物反过来也不断促
使其抑制蛋白最大限度地抵御病原菌木聚糖酶的
“进攻 ”。
植物与病原菌互作的最终结果是引起感病反
应还是抗病反应, 则要看特定的条件下, 是病原菌
木聚糖酶的入侵机制更加有效, 还是植物的包括抑
制蛋白在内的防御系统更加有效。
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