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Induced resistance and mechanism of protein elicitor PevD1 against Verticillium dahliae in cotton

大丽轮枝菌蛋白激发子PevD1诱导棉花抗病性及作用机理



全 文 :植物病理学报
ACTA PHYTOPATHOLOGICA SINICA  44(3): 254 ̄264(2014)
收稿日期: 2013 ̄08 ̄07ꎻ 修回日期: 2014 ̄01 ̄21
基金项目: 国家高技术研究发展计划(“863”计划)(2011AA10A205)
通讯作者: 杨秀芬ꎬ研究员ꎬ主要从事微生物农药研究与利用工作ꎻ Tel:010 ̄82109562ꎬ E ̄mail: Yangxiufen@caas.cn
第一作者: 卜冰武ꎬ男ꎬ山东滨州人ꎬ硕士ꎬ主要从事真菌蛋白激发子诱导植物抗病作用机理研究ꎻ E ̄mail: bubingwu_115@163.comꎮ
大丽轮枝菌蛋白激发子 PevD1诱导
棉花抗病性及作用机理
卜冰武ꎬ 邱德文ꎬ 曾洪梅ꎬ 郭立华ꎬ 袁京京ꎬ 杨秀芬∗
(中国农业科学院植物保护研究所 /农业部作物有害生物综合治理重点实验室ꎬ 北京 100081)
摘要:PevD1是一种大丽轮枝菌(Verticillium dahliae)分泌蛋白ꎬ具有激发烟草过敏反应(HR)和系统获得性抗病(SAR)的
功能ꎮ 为明确蛋白 PevD1诱导棉花抗病性及其作用机制ꎬ本文利用大肠杆菌表达、纯化的 PevD1诱导棉苗植株ꎬ检测棉苗
对大丽轮枝菌的抗性及免疫应答反应ꎮ 结果表明ꎬ大肠杆菌表达的 PevD1重组蛋白不是棉花品种“新陆早 42号”的致萎因
子ꎬ叶片注射 8 μg / mL PevD1蛋白诱导 3 d后根部接种大丽轮枝菌ꎬ15 d后 PevD1处理组病害减轻率达 35.04%ꎮ PevD1能
诱导棉花叶片抗性早期信号分子 H2O2 产生和 NO积累ꎬ维管束细胞壁加厚、木质素和酚类物质的积累ꎮ 另外ꎬPevD1处理
能提高防御酶 PAL、POD 和 PPO 活性ꎬ提高棉花抗性基因和木质素合成相关基因 PAL、C4H1、4CL 的转录水平ꎮ 说明
PevD1通过激发棉花免疫系统而提高抗病性ꎬ该研究不仅为利用 PevD1 蛋白激发子控制棉花黄萎病提供了科学依据ꎬ同时
也为阐明棉花与大丽轮枝菌互作机理提供了理论基础ꎮ
关键词:蛋白激发子 PevD1ꎻ 棉花黄萎病ꎻ 大丽轮枝菌ꎻ 诱导抗病性ꎻ 抗病防御反应
Induced resistance and mechanism of protein elicitor PevD1 against Verticillium
dahliae in cotton   BU Bing ̄wuꎬ QIU De ̄wenꎬ ZENG Hong ̄meiꎬ GUO Li ̄huaꎬ YUAN Jing ̄jingꎬ
YANG Xiu ̄fen  (Key Laboratory of Integrated Pest Management in Cropꎬ Ministry of Agricultureꎬ Institute of Plant Protec ̄
tionꎬ Chinese Academy of Agricultural Scienceꎬ Beijing 100081ꎬ China)
Abstract: PevD1ꎬ a secrete elicitor from Verticillium dahliaeꎬ activated hypersensitive response (HR) and sys ̄
temic acquired resistance (SAR) in tobacco. In order to investigate the induced resistance and mechanisms of
PevD1 in cottonꎬ the PevD1 was expressed in E. coli and assayed the cotton resistance against V. dahliae and im ̄
mune responses. The results showed that purified recombinant protein PevD1 was not a phytotoxic factor in No.
42 Xin ̄luzao cotton variety. Injection of PevD1 in leaves improved cotton resistance at a concentration as low as
8 μg / mLꎬ the highest disease reduction was 35.04% at the 15th day post V. dahliae inoculation. This protein was
able to systemically induce hydrogen peroxide and nitric oxide generationꎬ vessel reinforcementꎬ lignin and ter ̄
penoids deposition. PevD1 enhanced the expression of pathogenesis ̄related genes and lignin biosynthesis ̄related
genes PALꎬ C4H1 and 4CLꎬ and also increased enzyme activity of PALꎬ POD and PPO. The results demonstra ̄
ted that the PevD1 protein triggered the plant immune responses and improved disease resistance in cotton. The
research not only lay a theoretical foundation for cotton Verticillium wilt disease control but also provided
a scientific basis for elucidating plant ̄elicitor interactions.
Key words: protein elicitor PevD1ꎻ cotton Verticillium wiltꎻ Verticillium dahliaeꎻ induced resistanceꎻ
defense response
中图分类号: S432.23          文献标识码: A          文章编号: 0412 ̄0914(2014)03 ̄0254 ̄11
 
  3期 卜冰武ꎬ等:大丽轮枝菌蛋白激发子 PevD1诱导棉花抗病性及作用机理
    在自然界长期进化过程中ꎬ植物已经形成了一
套复杂的免疫系统以抵御病原菌侵染和不良环境
的胁迫ꎮ 植物免疫反应主要包括早期的 ROS、NO
产生、离子流变化等抗病信号反应ꎬ以及通过这些
信号分子传递产生的抗病相关基因转录上调、防御
酶活性增强和抗性物质的产生等[1ꎬ2]ꎮ 当植物受
到病原菌侵染、昆虫取食和极端环境刺激时均可产
生免疫反应ꎬ但调控分子机制不同ꎮ 植物与病原菌
互作产生的免疫反应有二层含义ꎬ第一层为病原相
关分子模式 ( pathogen associated molecular pat ̄
ternsꎬ PAMPs)激发的免疫反应 ( PAMP ̄triggered
immunityꎬ PTI)ꎬ 即植物通过细胞表面受体 (pat ̄
tern recognition receptorsꎬ PRRs) 识别病原菌的
PAMPs而启动的植物防卫反应ꎻ 第二层为病原菌
效应子激发的免疫反应(ETI)ꎬ 即病原菌通过产
生效应子( effectors)抑制植物的 PTI 来突破植物
的第一道防线ꎬ 而植物又进化出新的分子受体(例
如 R 基因编码的 NBS ̄LRR 蛋白质)识别病原菌效
应子并启动第二道防卫反应[3ꎬ4]ꎮ 植物与病原菌
的互作就像“军备竞赛”一样ꎬ植物对病原菌侵染
的免疫应答机制是复杂的调控网络ꎬ而且随着互作
分子性质不同而发生变化[5]ꎮ
大丽轮枝菌(Verticillium dahliae)引起的棉花
黄萎病严重影响棉花产量和棉纤维品质ꎬ目前国内
外尚缺乏有效的控制措施ꎬ并且由于棉花栽培品种
遗传背景复杂ꎬ抗病基因克隆及功能研究进展缓
慢ꎬ使抗黄萎病育种尚未取得显著进展[6]ꎮ 以抗
(耐)病品种为基础ꎬ 改善土壤生态条件及诱导棉
株抗病性相结合的综合措施是当前控制棉花黄萎
病的基本策略ꎬ其中提高植物自身免疫抗病性是研
究重点之一ꎮ
PevD1是从大丽轮枝菌(V. dahliae)培养液中
分离纯化的一种蛋白激发子(GenBank accession
No. ABJE 01000445.1)ꎬ前期研究表明ꎬPevD1 能
引起烟草叶片过敏反应( hypersensitive responseꎬ
HR)ꎬ诱导烟草获得系统抗性 ( systemic acquired
resistanceꎬ SAR)ꎬ提高烟草对 TMV抗性[7]ꎮ 本文
以棉花和大丽轮枝菌为研究系统ꎬ探讨 PevD1 诱
导棉花抗病性及其作用机制ꎬ为进一步评价 PevD1
诱导植物抗病性功能提供科学依据ꎮ
1  材料与方法
1.1  棉花植株和大丽轮枝菌的培养
供试棉花品种(新陆早 42 号)和大丽轮枝菌
菌株 HX ̄8均由新疆农垦科学院棉花所提供ꎮ 脱
绒棉籽用 0.01%升汞消毒 30 min 后用无菌水冲洗
2~ 3 遍ꎬ置于铺有湿润滤纸的培养皿中 28℃过夜
催芽ꎬ发芽种子播种于盛满灭菌营养土(营养土 /
蛭石=1 / 1)的纸钵中ꎬ在 28℃ / 25℃(白天 /夜晚)ꎬ
16 h光照 / 8 h黑暗培养室中培养ꎮ 当植株长至四
叶期时ꎬ挑选长势一致的植株用于试验ꎮ
棉花愈伤组织的培养参照 Jia 等[8]的方法ꎮ 诱
导形成的棉花愈伤组织转移到液体培养基中ꎬ除琼
脂外ꎬ 培养基所含的无机营养和有机营养与愈伤组
织诱导培养基相同ꎬ悬浮细胞培养 2 d用于试验ꎮ
将斜面保存的大丽轮枝菌菌株 HX ̄8 在 PDA
培养基上培养一周ꎬ用灭菌打孔器在菌落边缘切取
直径 5 mm的菌块接种到 250 mL灭菌的 Czapek’s
液体培养基中ꎬ 在 25℃ꎬ 150 r / min 振荡培养 4~ 5
dꎬ 培养液用双层无菌纱布过滤ꎬ用血球计数板计
数孢子浓度ꎬ用于接种的孢子浓度调整为 107 个孢
子 / mLꎮ
1.2  激发子 PevD1的表达与纯化
将实验室保存的重组表达载体 pET ̄30a ̄Pe ̄
vD1转化大肠杆菌 BL21 (DE3) 中ꎬ挑取单克隆ꎬ
在 LB液体培养基中活化ꎬ37℃ꎬ200 r / min 振荡培
养过夜后按 1%接种量转至含 Kan (50 μg / mL) 的
LB液体培养基中培养ꎬ待 OD600达到 0.5 ~ 0.7ꎬ加
入 0.1 mmol / L IPTGꎬ在 16℃ꎬ 200 r / min 条件下
继续培养 12 hꎮ 离心收集菌体(5 000 gꎬ15 min)并
用结合缓冲液 ( 25 mmol / L Trisꎬ 300 mmol / L
NaClꎬ pH 7.4)重悬ꎬ超声破碎(200 Wꎬ 2 s、 4 s 间
隔ꎬ 共 30 min)后ꎬ12 000 r / min离心 20 minꎬ收集
的上清液即为重组蛋白粗提液ꎮ 蛋白粗提液的纯
化参照Wang等[7]的方法ꎮ 用 BCA蛋白含量分析
试剂盒(PIERCEꎬ USA) 测定蛋白质浓度ꎬ用 SDS ̄
PAGE考马斯亮蓝染色法检验蛋白分子量和纯度ꎮ
1.3  PevD1对棉苗致萎作用测定
将长势均一的棉苗从纸钵中取出并用无菌水
轻轻冲洗根部组织ꎬ分别浸入 10 μg / mL PevD1、
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植物病理学报 44卷
1􀆰 0 mg / mL PevD1 蛋白液、大丽轮枝菌总蛋白液
和菌株发酵液中ꎬ48 h 观察不同处理棉苗的萎蔫
情况ꎮ
1.4  蛋白激发子 PevD1不同诱导方式、诱导时间
和诱导浓度对棉花植株抗病性的影响
1.4.1  不同诱导方式  用 20 μg / mL PevD1 纯化
蛋白液分别对棉苗进行叶面喷雾ꎬ10 μL 茎部注射
和 10 μL叶面注射处理ꎬ3 d 后用纸钵撕底蘸根法
接种病菌孢子液[9]ꎬ 以不做任何处理的棉苗为对
照ꎬ接种后的棉苗置于原塑料盆中继续培养ꎮ
1.4. 2   不同诱导时间   棉花叶片注射 10 μL
PevD1纯化蛋白液 ( 20 μg / mL)ꎬ分别在处理后
3 d、5 d和 7 d 接种病菌孢子ꎬ以注射 10 μL无菌水
为对照ꎮ
1.4.3  蛋白不同诱导浓度  棉花叶片注射 10 μL
不同浓度 ( 1. 0、 4. 0、 8. 0、 16. 0、 32. 0 μg / mL)的
PevD1纯化蛋白液ꎬ以注入 10 μL 无菌水为空白对
照ꎬ所有棉苗处理后 3 d 接种病菌ꎮ
以上处理棉苗接菌后第 15 d 按 5 级病级标准
调查黄萎病病情[9]ꎮ 计算病情指数和防治效果ꎮ
病情指数= [∑(各级病株数×相应病级) /调查总
株数×最高病级]×100ꎬ相对防治效果(%)= (对照
病情指数-处理病情指数) /对照病情指数×100%ꎮ
1.5  蛋白激发子 PevD1 诱导棉花细胞 ROS 和
NO的产生
取四叶期棉花叶片ꎬ洗净后用打孔器取直径为
1 mm的叶盘ꎬ置于盛有蒸馏水的 96孔板圆孔中浸
泡过夜 (目的是除去机械损伤引起的活性氧物
质)ꎬ检测棉花细胞活性氧积累ꎬ 测量方法参照
Chen等[10]的方法ꎬ同时以 BSA 为阴性对照ꎬ以无
菌水为空白对照ꎬ每次试验重复 3次ꎮ
NO的产生测定参照Wang 等[11]的方法ꎬ将棉
花悬浮细胞与 NO 荧光探针充分混合后ꎬ用 PBS
缓冲液洗涤细胞 3 次ꎬ然后加入 PevD1ꎬ使其终浓
度为 10 μg / mLꎬ孵育 20 min后在荧光显微镜下观
察细胞颜色变化ꎬ激发波长 495 nmꎬ发射波长 515
nmꎮ 以无菌水处理作为空白对照ꎮ
1.6  棉花茎部组织结构变化及棉酚的积累
分别用 PevD1蛋白激发子和无菌水处理四叶
期棉苗ꎬ处理后第 5 d横切茎部长约 2 mm的组织ꎬ
在含有 2%戊二醛的磷酸缓冲液(pH 7.3)中室温
固定 24 hꎬ 在不同浓度梯度的乙醇溶液 (25%、
50%、70%、 85%、 95%和 100%) 中分别脱水 10
minꎬ乙酸异戊酯置换ꎬ临界点干燥ꎬ表面喷金后用
日立 S ̄4800 扫描电镜进行观察拍照ꎬ观察维管束
组织结构变化[12]ꎮ
将 PevD1 处理 3 d 后的棉苗茎部组织进行徒
手切片(大约厚 100 μm)ꎬ置于载玻片上ꎬ滴入几
滴饱和的三氯化锑 ̄高氯酸溶液染色(三氯化锑溶
于 40%的高氯酸溶液)ꎮ 盖上盖玻片并在 5 min 内
在光学显微镜下观察并拍照棉苗组织中酚类物质
的分布情况[12]ꎬ以无菌水处理的棉苗为对照ꎮ
1.7  棉花茎部木质素的积累
用激发子 PevD1叶部注射棉花幼苗并在处理
后不同时间(0、8、12、24、48、72 和 96 h)取茎部组
织ꎬ液氮冷冻后于-80℃冰箱保存备用ꎮ 将棉苗茎
部组织研磨并依次在甲苯 ̄乙醇(2 / 1ꎬv / v)、乙醇
和水中抽提 24 hꎬ在 60℃下干燥样品 24 hꎮ 根据
Wang等[7]的方法测定木质素含量ꎮ 以无菌水处
理的棉苗为空白对照ꎬ每处理 3次重复ꎮ
1.8  酶活力测定
分别用蛋白激发子 PevD1 叶部注射和大丽轮
枝菌孢子悬浮液根部接种棉苗ꎬ以叶部注射无菌水
为空白对照ꎬ处理后不同时间(0、12、24、48、72、96、
120、144和 168 h)取植株上部未经处理的叶片ꎬ液
氮冷冻后于-80℃冰箱保存备用ꎮ 分别测定苯丙
氨酸解氨酶(PAL)ꎬ多酚氧化酶(PPO)和过氧化
物酶(POD)活性[13~15]ꎮ 3种酶分别以每毫克蛋白
每分钟 OD290、OD400和 OD470变化 0. 01个单位为一
个酶活力单位(U)ꎮ
1.9  抗病相关基因转录水平检测
分别用激发子 PevD叶部注射和大丽轮枝菌孢
子悬浮液根部接种棉苗ꎬ处理后不同时间(0、8、12、
24、48、72和 96 h) 取未处理的上部叶片并置于液氮
冷冻后于-80℃冰箱保存备用ꎮ 在液氮中充分研磨
叶片组织ꎬ按照植物 RNA 提取试剂盒 (Omegaꎬ
USA)的步骤提取总RNA并调成相同浓度ꎮ 第一链
cDNA的合成ꎬ按照 TransScript One ̄Step gDNA Re ̄
moval and cDNA Synthesis Super Mix Kit (TransGen
Biotechꎬ 北京)说明书进行ꎮ 取 500 ng总 RNAꎬ 用
652
 
  3期 卜冰武ꎬ等:大丽轮枝菌蛋白激发子 PevD1诱导棉花抗病性及作用机理
TransScript RT / RI Enzyme Mixꎬ以 Anchored Oligo
(dT)18为引物ꎬ 42℃孵育 30 minꎬ85℃加热 5 min
使酶失活ꎮ 取 1 μL 反转录产物ꎬ 以 ubiquitin 为内
标基因ꎬ进行抗性相关基因 PCR扩增ꎮ PCR反应体
系:cDNA 各 1 μLꎬ10 μmol / L 的正反引物各 0.5
μLꎬ12.5 μL的 2×TransScript HiFi PCR SuperMixⅡ
用 ddH2O补足至 25 μLꎻPCR反应程序:94°C 预变
性 4 minꎻ94°C变性 30 sꎬ 55°C退火 30 sꎬ72°C延伸
30 sꎬ30~35个循环ꎻ 72°C延伸 10 minꎬ 保存于 4°C
用于电泳检测ꎮ
2  结果与分析
2.1  PevD1对棉苗致萎作用
棉花幼苗浸入大丽轮枝菌发酵液和发酵液提
取的总蛋白液中 48 hꎬ均出现严重的萎蔫现象ꎬ 而
浸入 10 μg / mL和 1.0 mg / mL PevD1 蛋白纯化液
的棉花幼苗未出现萎蔫现象(图 1)ꎬ说明 PevD1不
是引起供试棉花品种萎蔫的致萎因子ꎮ
2.2  激发子 PevD1提高棉株对大丽轮枝菌抗性
PevD1不同诱导方式对棉花黄萎病病情指数
有显著影响ꎮ 与叶面喷洒和茎部注射方式比较ꎬ叶
面注射诱导的棉花幼苗病情指数最低(26.91)ꎬ因
Fig. 1  Effect of PevD1 on cotton seeding wilt at
48 h after treatment
1: Culture filtrate of V. dahliaeꎻ 2: Total protein of V. dahli ̄
ae cultureꎻ 3: 10 μg / mL PevD1ꎻ 4: 1.0 mg / mL PevD1.
此ꎬ后续试验均采用叶面注射的诱导方式ꎮ 从表 1
可见ꎬPevD1通过叶部注射诱导棉苗 3 d 接种病菌
的病情指数为 28.98ꎬ均低于诱导 5 d 和 7 d 的病情
指数ꎮ 此外ꎬ不同浓度 PevD1 诱导棉花抗性效应
也有显著影响ꎬ 当激发子浓度 4 μg / mL 时ꎬ棉花
病情指数比对照明显降低ꎬ且 8 μg / mL、16 μg / mL
和 32 μg / mL激发子诱导的病情指数无显著差异ꎬ
最高相对诱抗效果达38 .16% (表2) ꎮ表1和表2
Table 1  The cotton Verticillium wilt disease index in different induction of PevD1
Treatment Disease index (DI) Time after leaf injection (day) Disease index (DI)
Control 43.50±2.01 a Control 45.09±0.65 a
Spray 38.28±1.23 b 3 28.98±1.73 c
Stem injection 34.38±1.28 b 5 42.19±1.16 b
Leaf injection 26.91±2.87 c 7 45.26±1.62 a
Values are means±SD of three experiments. Statistical analysis of the data was performed using Duncans test software
SAS. Values with the same letter in the same column are not statistically different at 5% significance level.
Table 2  Cotton resistance to Verticillium dahliae in different PevD1 concentrations of induction
Concentration (μg / mL) Disease index (DI) Disease reduction(%)
0 (water) 44.60±1.52 a -
1.0 41.14±2.45 a 7.80±2.64 a
4.0 36.04±0.66 b 19.16±1.28 b
8.0 28.98±1.73 c 35.04±1.93 c
16.0 27.62±2.68 c 38.16±3.96 c
32.0 29.48±2.39 c 33.96±3.42 c
Values are means± SD of three experiments. Statistical analysis of the data was performed using Duncans test software
SAS. Values with the same letter in the same column are not statistically different at 5% significance level.
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植物病理学报 44卷
结果说明ꎬPevD1诱导棉花产生抗病性的最低有效
浓度为 8 μg / mLꎬ最佳处理方式为叶面注射ꎬ最佳
诱导时间为 3 dꎮ
2.3  PevD1激发棉株早期信号分子的产生
活性氧能杀死病菌并在激活植物防御反应中发
挥重要作用ꎮ PevD1 处理叶片 10 min 内明显可见
活性氧物质积累ꎬ而阴性对照(BSA处理)和空白对
照(无菌水处理)则无活性氧产生(图 2 ̄A)ꎬ表明
PevD1激发子可以诱导棉花组织积累活性氧物质ꎮ
NO不仅在木质素形成过程中起调控作用ꎬ而且能
激发植物的先天免疫反应ꎮ 荧光探针 DAF ̄FM DA
穿过细胞膜后被细胞内的酯酶催化形成不能穿过细
胞膜的 DAF ̄FMꎬ而 DAF ̄FM与胞内生成的 NO 分
子发生反应ꎬ产生强烈荧光ꎬ可以通过荧光显微镜观
察检测 NO的存在ꎮ 由图 2 ̄B可知ꎬ经 PevD1 处理
后的棉花细胞有明显荧光ꎬ而经无菌水处理的对照
组棉花细胞则没有ꎬ表明蛋白激发子能诱导棉花细
胞产生大量的 NO分子ꎮ
2.4  PevD1 诱导棉株茎部组织棉酚积累和维管
束细胞壁加厚
棉花体内存在 2种形式的酚类物质ꎬ一种为结
合态ꎬ一种为游离态ꎬ后者具有毒性ꎬ对侵入的病原
菌产生毒害作用ꎬ 是棉花抗病的主要物质ꎮ SbCl3 ̄
HClO4 溶液能将棉花体内不同浓度的游离态酚染
成粉红色、深橘色和红褐色ꎮ 用 SbCl3 ̄HClO4 溶液
对 PevD1诱导 3 d 后的棉苗茎部组织进行染色处
理ꎬ观察发现激发子处理的棉花维管束中产生大量
的红褐色沉淀(图 3 ̄A ̄b、d)ꎬ而经无菌水处理的对
照组则没有颜色(图 3 ̄A ̄a、c)ꎬ说明激发子 PevD1
诱导棉花维管束产生和积累了大量的酚类物质ꎮ
已有研究证明ꎬ维管束细胞壁增厚和导管周围
细胞中产生的颗粒状物质对阻碍棉花黄萎病菌的
扩展具有重要作用[12]ꎮ 激发子 PevD1 处理棉苗
5 d 后ꎬ不仅诱导维管束细胞壁增厚而且促进导管
周围细胞中产生大量的颗粒状物质(图 3 ̄B)ꎬ表明
PevD1激发子诱发棉花对黄萎病菌的抗性可能与
棉酚积累和维管束细胞壁结构变化有关ꎮ
2.5  激发子 PevD1 诱导棉株茎部组织中木质素
的积累
植物在细胞壁、胞间层、细胞质等不同部位产
生和积累木质素ꎬ能够提高植物细胞壁的机械压
力ꎬ阻止病原菌的侵入ꎬ同时降低细胞壁通透性ꎬ阻
断植物组织输送给病原菌水分和养分ꎮ 本研究结
果表明ꎬ激发子 PevD1处理棉花幼苗 12 hꎬ茎部组
织内木质素含量开始增加(图 4)ꎬ96 h木质素含量
为对照组的 2 ~ 3 倍ꎬ激发子 PevD1 诱导棉花抗病
性可能与木质素的积累有关ꎮ
Fig. 2  ROS burst and NO production in cotton leaf tissue induced by PevD1
A: The ROS burst at 6 min after PevD1 treatmentꎻ B: NO release in cotton cell culturesꎬ
a and c are cells treated with waterꎬ b and d are cell treated with 10 μg / mL PevD1.
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  3期 卜冰武ꎬ等:大丽轮枝菌蛋白激发子 PevD1诱导棉花抗病性及作用机理
Fig. 3  Terpenoids deposition and cell wall thickening in stem tissues post PevD1 elicitation
A: Detection of terpenoids in cotton fresh tissue 3 d post PevD1 treatmentꎬ a and c are treated with waterꎬ
b and d are treated with PevD1ꎻ B: Stimulation of cell wall and structural changes in response
to PevD1 at 5 d after PevD1 treatmentꎬ a is controlꎬ b is PevD1 treatment.
Fig. 4   Lignin deposition in cotton stems
after treatment with PevD1
Control is treated with water.
2.6  PevD1提高棉花防御酶活性
激发子是病原菌 ̄植物相互识别的重要信号分
子ꎬ为明确激发子 PevD1 在棉花与大丽轮枝菌互
作中的作用ꎬ分别用 PevD1 和大丽轮枝菌孢子悬
浮液处理棉花ꎬ测定相关防御酶 PAL、PPO和 POD
的活性ꎬ结果表明ꎬ3 种酶活性增强趋势与孢子侵
染后酶活性变化一致(图 5)ꎮ PAL 活性在 PevD1
处理后 96 h达到最高ꎬPPO 和 POD 处理后 120 h
活性最高(图 5 ̄A)ꎮ 大丽轮枝菌孢子悬浮液侵染
后 120 hꎬPAL 活性达到最高ꎬPPO 和 POD 在接种
后 144 h活性最高(图 5 ̄B)ꎮ 大丽轮枝菌孢子侵
染后酶活高峰期均滞后于 PevD1 处理ꎬ这些结果
说明蛋白激发子 PevD1 和大丽轮枝菌孢子侵染一
样能诱导棉花体内防御酶活性的提高ꎬ可能在棉花
与大丽轮枝菌互作中发挥重要作用ꎮ
2.7  PevD1提高棉花抗病相关基因转录水平
为了进一步明确激发子 PevD1 在棉花与大丽
轮枝菌互作中的作用ꎬ分别用激发子 PevD1 和大
丽轮枝菌孢子悬浮液处理棉株ꎬ观察棉株体内相关
抗性基因转录水平的变化情况ꎮ 植物受病原物侵
染时常产生一些 PR蛋白ꎬ其中 β ̄1ꎬ3 ̄葡聚糖酶属
于 PR2类ꎬβ ̄1ꎬ3 ̄葡聚糖酶在植物抗病过程中发挥
重要作用ꎮ 诱导植物分泌几丁质酶能增强植物抵
抗病原菌侵染的能力ꎮ 激发子 PevD1 和大丽轮枝
菌孢子悬浮液接种均能引起棉花植株体内相关抗
性基因 β ̄1ꎬ3 ̄glucanase、 basic chitinase 和 acidic
chitinase 转录水平提高ꎮ β ̄1ꎬ3 ̄glucanase 和 basic
chitinase的表达量在处理后 24 h 达到最高ꎬacidic
chitinase 表达量在 24 h ~ 48 h 内达到峰值 (图
6 ̄A)ꎮ 病原菌孢子悬浮液接种后也能诱导这 3 个
基因转录水平提高 (图6  ̄B ) ꎮCadinene synthase
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植物病理学报 44卷
Fig. 5  Kinetics of activities of PALꎬ PPO and POD
A: The enzyme activity of PALꎬ PPO and POD after PevD1 treatmentꎻ
B: The enzyme activity of PALꎬ PPO and POD after V. dahliae inoculation.
基因是棉花体内合成棉酚的关键基因ꎬPevD1 处理
和大丽轮枝菌侵染都能激活棉花体内的 cadinene
synthase 基因的表达ꎬ其表达水平分别在处理后
8 h~24 h和 24 h~72 h达到最高ꎮ
PAL、C4H1 和 4CL 是棉花体内苯丙烷类代谢
途径的关键基因ꎬ而苯丙烷类代谢途径是棉花抗病
的重要途径[16]ꎮ 本研究中ꎬ激发子 PevD1和大丽轮
枝菌孢子悬浮液处理后ꎬ都能诱导棉花体内这 3个基因
的表达(图 6)ꎮ 上述结果表明ꎬPevD1可诱发棉花抗病
相关基因转录水平提高ꎬ增强棉花对大丽轮枝菌抗性ꎮ
062
 
  3期 卜冰武ꎬ等:大丽轮枝菌蛋白激发子 PevD1诱导棉花抗病性及作用机理
Fig. 6  Effect of PevD1 treatment and Verticillium dahliae infection on the transcription
of pathogenesis ̄related genes and key genes in the lignin metabolism pathway
A: The expression of genes in PevD1 treatmentꎻ B: The expression of genes in V. dahliae infection.
3  讨论
植物受病原菌侵染后ꎬ激活体内的免疫反应ꎬ
能减轻或阻止第 2个病原菌的侵染ꎬ利用植物获得
性免疫保护植物健康生长是绿色植保的新途径和
新措施ꎮ 植物与病原菌互作是通过病原菌产生的
各种效应子来实现的ꎬ大量研究表明ꎬ无论是病原
菌产生的 PAMP还是 effectors 均能激发植物不同
层面的免疫防御反应(PTI 或 ETI)ꎬ使植株获得系
统抗病性ꎬ阻止或减轻病原菌的后续侵染[3]ꎮ 本
试验结果表明ꎬ 蛋白激发子 PevD1 诱导棉花获得
系统抗性ꎬ减轻大丽轮枝菌对棉花植株的危害程
度ꎬ说明激发子 PevD1 可能在大丽轮枝菌与棉花
互作过程中发挥重要作用ꎬ但尚不明确 PevD1 如
何被棉花细胞识别ꎬ今后需要利用蛋白互作技术鉴
定 PevD1 在植物上的识别受体ꎬ并通过受体功能
研究进一步阐明 PevD1 激发植物免疫的作用机
制ꎮ
大丽轮枝菌产生的激发子诱导植物抗性已有
研究报道ꎮ 1996 年 Smit 证实大丽轮枝菌细胞壁
碎片能诱导棉花抵抗黄萎病菌侵染ꎬ并与木质素多
聚物积累的时间和强度有关[17]ꎮ Davis 等从大丽
轮枝菌发酵液中纯化出能诱导棉花植保素形成的
65 kD糖蛋白[18]ꎮ Meyer等分离的一种 197 kD脂
多糖蛋白质(PLPC)能激发棉花植保素的合成和
PAL活性ꎬ同时也导致棉花枯萎和坏死[19]ꎮ 另据
报道ꎬ一种由 233 个氨基酸组成的蛋白激发子
VdNEPꎬ作用于拟南芥植株后ꎬ可以诱导活性氧物
质的积累和病程相关基因(PR ̄genes)的表达ꎬ同时
可以引起棉花过敏性细胞死亡和 DNA片段化[20]ꎮ
PevD1是分泌型小分子效应蛋白ꎬ不含糖基ꎬ此蛋
白能引起烟草叶片 HR反应ꎬ诱导烟草获得系统抗
病性[7]ꎮ 本文研究证明ꎬ激发子 PevD1 同样也能
诱导棉花获得系统抗病性ꎬ且对棉花品种新陆早
42号没有致萎作用ꎮ 致萎毒素在大丽轮枝菌致病
性中发挥重要作用并对不同抗病品种产生的效应
不同ꎬ因此需要进一步研究 PevD1 蛋白对不同抗
性棉花品种的致萎作用ꎬ以期揭示 PevD1 在大丽
轮枝菌与不同棉花品种互作中的作用ꎮ
植物细胞快速产生 H2O2ꎬ不但可以直接杀灭
真菌ꎬ而且还可以作为第 2 信使激活植株防卫反
应ꎮ NO分子同样能激发并参与植物的先天免疫
反应ꎬ并能诱导植保素的积累、激活苯丙氨酸解氨
酶编码基因和病原相关蛋白编码基因的表达[21]ꎮ
激发子 PevD1 诱导棉花组织中快速产生 H2O2 和
NO分子ꎬ标志着触发了棉花抗病早期信号反应ꎮ
162
 
植物病理学报 44卷
棉花植株自身组织结构的强化是提高棉花抗
病性的主要机制之一[22]ꎮ 大量研究表明ꎬ 棉花受
真菌、细菌或环境刺激后能激发棉花基础防御反
应、萜类化合物和苯丙烷类等植保素的快速积
累[23~25]ꎮ 木质化作用是植物物理抗病性因素之
一ꎬ能提高植物细胞壁的坚韧度ꎬ抵抗真菌酶类对
植物胞壁的降解作用ꎬ从而阻滞病原菌扩展ꎮ 本试
验结果表明ꎬ经蛋白激发子 PevD1 处理的棉花植
株体内木质素含量明显提高(图 4)ꎬ维管束细胞壁
增厚ꎬ维管束周围的细胞中积累大量的颗粒状物
质ꎬ这与提高植株抗病性和抑制病原菌侵染有密切
联系[26]ꎮ 植物次生代谢物是植物在长期进化过程
中适应生态环境产生的ꎬ是抵御恶劣的非生物和生
物因素危害所形成的特殊功能物质ꎮ 其中棉酚是
棉花植株内重要的次生物质ꎬ在提高棉花抗病性ꎬ
抑制病原菌侵染方面发挥重要的作用[12]ꎮ 利用
SbCl3 ̄HClO4 溶液染色表明ꎬPevD1 处理棉花植株
后能诱导产生大量的酚类物质(图 3 ̄A)ꎬ对提高棉
花抗病力起重要作用ꎮ
POD和 PAL 是植物清除活性氧的保护酶系
统中的关键酶ꎮ POD 不仅参与植物细胞木质素类
物质的合成ꎬ 也参与酚类物质在胞壁及侵染点表
皮胞壁内侧含胼胝质乳突中的沉积ꎬ还能还原体内
过多的过氧化物ꎬ使 H2O2 进一步转变成无毒的
H2O[27]ꎻPAL是苯丙烷类代谢途径的关键酶和限
速酶ꎬ 参与木质素、酚类及多种类黄酮类植保素抗
菌化合物的合成ꎻPPO 能将植物体内的酚类物质
氧化成醌类ꎬ从而提高对微生物的抑制作用[28]ꎮ
蛋白激发子 PevD1处理和大丽轮枝菌孢子悬浮液
处理后ꎬ都能诱导棉花体内 PAL、POD和 PPO 3 种
酶活性的提高ꎬ表明激发子和病原菌侵染一样能触
发棉花免疫防御反应ꎬ从而提高棉花抗病能力ꎮ
Cadinene synthase 是棉酚合成途径中的关键
基因ꎬ而 β ̄1ꎬ3 ̄glucanase 和 chitinase 在增强细胞
壁厚度、抑制病原菌侵染中发挥重要的作用[26ꎬ29]ꎮ
苯丙烷类代谢途径在棉花抗大丽轮枝菌防御反应
中发挥重要作用ꎬ其代谢产物木质素和类黄酮类植
保素有明显的抗菌作用ꎬ在抑制病原菌侵染中发挥
重要作用ꎬPAL、C4H1 和 4CL 是苯丙烷类代谢途
径的关键基因[16]ꎮ 本研究证明大丽轮枝菌侵染和
PevD1处理棉花植株均能提高棉花体内的抗病相
关基因 ( cadinene synthase、 acidic chitinase、 basic
chitinase、β ̄1ꎬ3 ̄glucanase) 以及苯丙烷类代谢途
径关键基因(PAL、C4H1 和 4CL)转录水平(图 6 ̄
A、图 6 ̄B)ꎬ 进一步说明ꎬPevD1 在大丽轮枝菌与
棉花互作中发挥重要作用ꎮ
总之ꎬ蛋白激发子 PevD1 激发棉花组织中
H2O2 和 NO信号分子的快速产生ꎬ提高木质素含
量和植保素棉酚的积累ꎬ维管束细胞壁的增厚ꎬ防
御酶活性增强以及抗病相关基因上调表达ꎬ这些不
同层次的抗病反应是提高棉花基础抗性的重要机
制之一ꎮ 植物免疫调控机制是非常复杂的网络系
统ꎬ激发子 PevD1 是大丽轮枝菌分泌的蛋白ꎬ在棉
花与大丽轮枝菌互作中起重要作用ꎬ今后需要进一
步研究 PevD1作为一种效应蛋白激发植物免疫抗
性的信号传导途径ꎮ
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责任编辑:于金枝
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