Botanical Research 植物学研究, 2024, 9(5), 448-460
Published Online September 2024 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/br https://doi.org/10.12677/br.2024.95057
小麦条锈菌毒性基因研究进展
卢 晨，卢 涛，尹军良，马东方*
长江大学农学院，湿地生态与农业利用教育部工程研究中心，主要粮食作物产业化湖北省协同创新中心，湖北 荆州
收稿日期：2024年8月16日；录用日期：2024年9月3日；发布日期：2024年9月10日
摘 要
小麦条锈病是由条形柄锈菌(Puccinia striiformis f.sp. tritici)引起的小麦上的重要病害，流行年份常常会造成小麦产量的减产，严重的时候会造成绝收，严重威胁我国的粮食生产。由于小麦条锈菌属于严格专性寄生菌，在分子水平上对小麦条锈菌基因进行的研究相对较少。本文总结了现已研究发现的条绣菌的毒性基因，为以后对小麦条绣菌的研究与防治打下理论基础。
关键词
小麦条锈菌，毒性基因，致病性，变异
Research Progress on Virulence Genes of Wheat Stripe Rust
Chen Lu, Tao Lu, Junliang Yin, Dongfang Ma*
Hubei Collaborative Innovation Center for Grain Industry, Engineering Research Center of Wetland Ecology and Agricultural Use, Ministry of Education, College of Agriculture, Yangtze University, Jingzhou Hubei
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Received: Aug. 16, 2024; accepted: Sep. 3, 2024; published: Sep. 10, 2024
Abstract
Wheat stripe rust is a major disease on wheat caused by Puccinia striiformis f.sp. tritici. Popular years often result in a reduction in wheat output, and in severe cases, it will cause no harvest, which will seriously threaten my country’s grain production. Since the wheat stripe rust belongs
*
通讯作者。
文章引用: 卢晨, 卢涛, 尹军良, 马东方. 小麦条锈菌毒性基因研究进展[J]. 植物学研究, 2024, 9(5): 448-460. DOI: 10.12677/br.2024.95057
卢晨 等
to strictly obligate parasites, there are relatively few studies on the wheat stripe rust gene at the molecular level. This article summarizes the virulence genes of F. oxysporum that we have now studied, laying a theoretical foundation for the future research and prevention and cure of T. in-festans.
Keywords
Puccinia striiformis f.sp. Tritici (Pst), Toxic Genes, Pathogenicity, Variations
Copyright ? 2024 by author(s) and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Open Access 1. 引言
小麦作为世界重要粮食作物，提供了20%人类所需的热量，作为谷类作物中主要的组成部分，是中国、印度、欧洲和非洲等地主要的食物来源，发挥着不可或缺的作用[1]。因此，保护粮食作物免受生物和非生物胁迫的破坏对于世界粮食的安全显得至关重要。
小麦条锈病是由条形柄锈菌(Puccinia striiformisf)引起的一种世界性广泛流行病害，对全球小麦造成严重危害[2]。小麦条锈菌主要通过无性阶段的夏孢子(Urediospore)循环侵染，从而造成小麦生产上的危害[3]。小麦条锈菌主要发病是在小麦叶片上，也可侵染叶鞘、茎秆及穗部[4]。同时也可以侵染其他禾本科植物如黑麦、大麦和燕麦等。小麦条锈病的流行范围广泛，在美国的西北部，中国西北和西南地区，印度和尼泊尔的主要地区，澳大利亚、新西兰、埃塞俄比亚、肯尼亚、阿拉伯半岛和西欧等主要的小麦生产国家和地区普遍发生[5] [6]。历史上发生过多次爆发，给小麦生产史上带来了巨大的损失[6]。
我国是世界上小麦条锈菌危害面积最大且相对独立的地区[7] [8]。当前，小麦条锈病是威胁中国西北、西南华北和淮北等冬麦区和西北春麦区的最重要的病害之一，近年来新小种和其他致病类型的出现和发展使小麦条绣菌的流行可能性更高，潜在威胁更大，涉及范围更广，严重威胁小麦高产和稳产[9]。条锈发生区一般可导致小麦损失产量大约在20%~30%，严重流行时可达50%以上，有时甚至颗粒无收。曾于1950、1964、1990和2002年四次大流行，分别造成60亿、30亿、26亿和10亿公斤的产量损失[3] [9] [10]。因此，小麦条锈病是严重威胁我国小麦粮食生产的真菌病害。
2. 小麦条锈病的研究
2.1. 小麦条锈菌的生物学特性及生活史
小麦条锈菌属于柄锈菌属(Puccinia)归于担子菌亚门(Basidiomycotina)中。它属于严格的活体营养型病原菌(Biotrophs)，只能于活的寄主植物上通过特异的营养分化器官–吸器从活体寄主小麦等的组织中吸收养分，并产生后代[6]。美国学者Jin等通过室内人工接种小麦条绣菌的试验首次发现并证实了小麦条锈菌的转主寄主是小檗[11]。同时，赵杰等证实了在自然条件下小麦条锈菌可以在小檗上完成其有性世代[12]。这些研究表明小麦条锈菌属于典型的全型锈菌，条锈菌的无性世代和有性世代分别在小麦和小檗上完成。其生活史中具有夏孢子(Urediospore)、冬孢子(Teliospore)、担孢子(Basidiospore)、性孢子(Pycniospore)和锈孢子(Aeciospore)五种孢子形态。
小麦条锈菌的菌体为菌丝体，丝状，有分隔，在寄主细胞与细胞间蔓延。夏孢子鲜黄色、单胞、球形，表面有刺；夏孢子堆黄色，排列形成行状寄生于小麦叶片的两面、叶鞘等部位。冬孢子褐色，双胞，
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棍棒形，在分隔处稍有缢缩；冬孢子堆灰黑色，排列形成条状在小麦叶片背面或叶鞘上并埋于表皮下[13]。担孢子由冬孢子萌发产生，担孢子着生于担子梗上，完全成熟时，靠水的弹射力着落[14]。性子器埋生于小檗叶片的表皮下，有孔口，成熟后产生大量性孢子和受精丝。锈子器生于性子器相对的叶背面，管状或杯状，成簇聚生；锈孢子桔黄色，球形，表面光滑，在锈子腔内串生。
温度是影响小麦条锈菌生长发育的重要因素之一，其菌丝生长和夏孢子形成的适宜温度为10℃~22℃，夏孢子萌发最低萌发温度为2℃~3℃，最高温度为15℃，最适温度为7℃~12℃ [13]。小麦条锈菌主要在转主寄主小檗上完成其有性阶段，包括性孢子和锈孢子，而夏孢子、冬孢子和担孢子的无性阶段主要在小麦上完成。小麦条锈菌初侵染来源于转主寄主小檗上产生的锈孢子或者是在禾谷类作物越冬越夏的夏孢子，并以夏孢子世代在小麦上完成侵染循环。夏孢子是经气体传播从初侵染来源传播到感病植物上，在麦类作物的一个生长季节中循环侵染，造成小麦条锈病的流行。麦类作物生长后期，小麦条绣菌会产生能够抵抗不良环境能力的冬孢子，冬孢子在杂草上越冬后萌发产生担孢子。担孢子经过气体传播到小檗上，侵染小檗后产生性孢子和锈孢子。至此，小麦条锈菌的全部生活史完成[15]。
2.2. 小麦条绣菌致病机理的研究
随着小麦条锈菌全基因组测序的完成[15] [16]，人们利用异源互补和HIGS等技术深入的对小麦条锈菌基因功能及小麦条锈菌的致病分子机制进行了研究。
Guo等利用异源互补技术，将小麦条锈菌PsMAPK1基因互补导入稻瘟菌和赤霉菌的同源基因突变体中，研究表明PsMAPK1基因功能具有保守性，能够对小麦条锈菌侵染寄主植物过程进行调节，并在条绣菌菌丝发育过程中起到着重要的作用[17]。寄主诱导的病原基因沉默(Host-induced gene silencing, HIGS)技术经常在专性活体营养型病原菌的基因功能研究中被使用[18]。并且由大麦条纹花叶病毒(Barley stripe mosaic virus, BSMV)介导的HIGS体系已建立并运用于禾谷类白粉菌和锈菌的基因功能研究中[19] [20] [21]。目前，人们运用BSMV介导的HIGS技术已鉴定到几个与条锈菌致病相关的保守激酶[22]。VIGS技术是由大麦条纹花叶病毒(BSMV, Barley stripe mosaic virus)作为载体介导的基因沉默，VIGS技术开辟了专性寄生菌基因功能研究的新道路[21] [23]。近期，在专性寄生菌白粉及锈菌的功能研究中已成功建立并广泛的应用了VIGS体系。Cheng利用VIGS技术鉴定了一个新的蛋白激酶PsSRPKL，并验证了其对小麦条锈菌的毒力有着重要的作用，并作为重要的致病性因子影响真菌的生长和响应环境胁迫[23]。随后，Liu等通过VIGS系统降低PsSOD1的表达降低了小麦条锈病的毒力，明确了其通过清除宿主派生的ROS有利于小麦条锈菌侵染的致病机理[24]。然而，虽然当前借助于各种技术对小麦条锈菌进行了探索，但是对于小麦条绣菌毒性基因的研究还有待进一步深入。
3. 小麦条锈菌毒性基因的研究进展
3.1. 植物病原菌效应基因的研究进展
效应蛋白通过抑制植物的防卫反应来增强病原菌的致病性，是病原菌关键的毒性因子。因此，鉴定病原菌得效应基因可深入的研究植物抗病机制以及病原菌如何适应寄主植物。目前，锈菌中只鉴定出了少数锈菌效应基因，主要来自蚕豆、锈菌和亚麻锈菌[25] [26] [27] [28]。成玉林等[29]以抑PCD为标准对小麦条锈菌效应基因进行了大规模的的筛选、鉴定和功能分析。在其研究中，沉默PsKE1或PsKE2能够引起条锈菌在小麦上毒性的明显降低。目前鉴定的大多数病菌效应基因沉默或缺失后不会显著影响其病菌的毒性[30]，所以可以认为这两个效应基因是小麦条锈菌的关键效应基因。根据他的研究得出小麦条锈菌效应蛋白PsKE1和PsKE2的毒性机制。当条锈菌侵染寄主后，利用吸器将这两个效应蛋白分泌并转入到寄主细胞内。进入寄主细胞内后，PsKE1和PsKE2首先在细胞质与TaTrx-m4互作，抑制植物细胞的
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坏死。之后，PsKE1和PsKE2进入细胞核中并与PKDM7-1互作，调节防卫相关基因表达。与此同时，PsKE1同时在细胞质和细胞核中与TaDHN-1互作，进行调控JA通路。
3.2. 小麦条锈菌Ras基因的研究进展
Ras信号通路在很多生命活动中起着重要的调控作用，并且小麦条锈菌基因组中含有两个编码Ras蛋白的基因PsRas1和PsRas2。成玉林等探究了小麦条锈菌Ras基因在病原菌致病性、菌丝发育以及PCD中的作用。在一些丝状真菌中这两个Ras基因在进化上是属于两个不同的遗传分支，小麦条锈菌也与之相同[31] [32] [33]。在一些丝状真菌中，ras1缺失突变体是致死的所以Ras1可能是一个必需的基因[31] [33] [34]。Ras2的缺失突变体能够引起菌丝发育减缓和致病性的降低[31] [32] [35] [36] [37]。但是其实验结果表明小麦条锈菌与其他丝状真菌不太相同，PsRas1在致病性中仅有较小的作用，但PsRas2在条锈菌的致病性中却起着性对重要作用[29]。另外，MAPKs被证实参与真菌的PCD [38]。其研究表明PsRas1瞬时表达能够诱导植物PCD，Ras-MAPK信号通路很可能参与小麦条锈菌的PCD。
3.3. 小麦条锈菌SR蛋白激酶基因的研究进展
经过长时间的进化，病原真菌形成了复杂的信号传导机制用来识别和对抗植物的防卫反应[39]。SR蛋白已被证实与病原真菌的生命活动及致病性有关[40]。SRPKs是SR蛋白的一个重要调节因子，目前已经证实大部分SRPKs是定位于细胞质的，作用是通过磷酸化来调节SR蛋白的核输入[41]。少部分却定位于细胞核来调节SR蛋白的核定位[42]。
成玉林等鉴定了一个小麦条锈菌新的激酶基因并命名为PsSRPKL [29]。该基因在条锈菌侵染小麦后18 h高量表达，而小麦条绣菌的吸器形成的阶段大约在接种后24 h [43]。试验显示了PsSRPKL是定位于细胞核的一种SRPK。结果表明了PsSRPKL很可能是通过调节其靶标SR蛋白的核定位来参与调控和影响条锈菌的致病性，并在不同的环境刺激中进行调控作用[29]。
3.4. 小麦条锈菌III型磷脂酰肌醇4-羟基激酶基因(PsPik1)的功能分析
何付新等将小麦条锈菌中的PsPik1基克进行了隆因，并分析其序列表明属于III型磷脂酰肌醇4-羟基激酶β蛋白[44]。对PsPik1的表达模式进行荧光定量PCR分析。在接种后6 h，PsPik1上调表达，夏孢子萌发并形成芽管在这一时间段。已证实在条锈菌萌发形成芽管的过程中芽管前端钙离子浓度是增加的[45]，并且PsNCS1基因此时的表达水平也是较高的[46]。在酵母中，细胞质内钙离子浓度升高时，钙离子传感蛋白Frq1就会与钙离子相结合，蛋白构象发生变化即Pik1蛋白产生U型弯曲，这种构象变化有利于激活相对应得激酶活性[47]。与此同时Pik1与N端豆蔻酰化的Frq1结合使二聚体Pik1-Frq定位到TGN [47]。因此推测在条绣菌夏孢子萌发形成芽管时，钙离子浓度升高，促进了PsNCS1的结合并产生构象变化，使结合了钙离子的PsNCS1和PsPik1结合并定位于TGN，进而调节高尔基体的脂质转运、蛋白分泌等过程[44]。
在接种条绣菌后12、18、24 h后，PsPik1基因上调表达。已经证实在条绣菌侵染12 h时，其侵入气孔形成气孔下囊形成菌丝；侵染18 h时，菌丝蔓延于寄主叶肉细胞间，接触到叶肉细胞后形成吸器母细胞；侵染24 h时，吸器母细胞侵入叶肉细胞形成吸器，吸器可以从寄主细胞吸收营养物质，自此以后条绣菌就可以利用寄主营养进行寄生生活[4]。在酵母中，定位于细胞核的Pik1基因在转录、mRNA的加工与输出中起到重要的作用[48]。而定位于TGN的Pik1基因会参与脂质转运、囊泡运输与蛋白转运等过程[48]。根据酵母已研究出的结论，以及试验结果可推测出，PsPik1基因在条锈菌侵染早期对脂质、糖类与蛋白质的产生发挥了关键的作用[44]。在接种条绣菌7天至11天，PsPik1的表达水平先上升后又恢复。在这一时间段，随着菌丝扩展延伸，条锈菌形成产孢基底菌丝进而使孢子堆产生[4]。Pik1是在酵母中使
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酵母生存必需的激酶[49]，在营养缺乏的时，Pik1与蛋白Bmh1p和蛋白Bmh2p结合，反应结果抑制了有Pik1参与的脂质运输、蛋白分泌等过程，当营养恢复时，Pik1也会恢复到原来的状态，这个过程在营养缺乏时对维持酵母的正常生长起到重要的作用[49]。条锈菌发育全部过程当中，其夏孢子的生长代谢一直处在比较低的水平。因此认为PsPik1参与了条锈菌的产孢过程并在维持夏孢子活力方面有着一定作用[44]。何付新等瞬时沉默PsPik1后，条锈菌的潜育期显著延长，产孢量明显下降，生长发育过程受到严重抑制，证明了PiPik1基因很有可能是条锈菌的一个重要的致病基因[44]。
3.5. 小麦条锈菌PsCdc2基因的转录表达分析
代西维等首次从小麦条锈菌中克隆得到了PsCdc2基因，并对其进行了序列分析[50]。多序列比对显示，这类基因的蛋白质序列十分保守，其含有CDK蛋白的多个保守序列[51]。包含激酶结构域中的一段保守序列“PSTAIRE”其在真菌中也十分保守[52]。它的氨基酸一级结构检测显示该蛋白分子量与Cdc2类蛋白相一致[53] [54]。并且进行了进化树分析显示PsCdc2与小麦秆锈菌Cdc2蛋白同源性最近。现阶段已经证实磷酸酶和激酶可能是真菌繁殖生长，信号传导侵入的相关形态的主要调控元件[55]。Cdc2可以磷酸化特定的蛋白，推进细胞周期的运行，调控细胞周期[53]。
代西维等对该基因进行了亲和非亲和的互作表达，从表达的趋势上推断这个基因可以调控条锈菌细胞的周期循环以及影响条绣菌的初生菌丝产生与生长和吸器母细胞的形成，断定PsCdc2基因是一个致病相关的基因[50]。
3.6. 小麦条锈菌PsNCS1基因的克隆及转录表达特征
郭军等首次从小麦条锈菌中克隆得到了PsNCS1基因[46]。然后对其进行了序列分析，得到此基因编码的蛋白质序列，该蛋白质序列十分保守并且含有EF-hand结构域和N末端豆蔻酰化，根据目前已研究出的结果，该蛋白质序列与已知真菌中的NCS-1蛋白相一致[56]。运用荧光定量RT-PCR证实该基因参与了条绣菌夏孢子形成与芽管延伸的阶段。张洪等已研究证明条绣菌侵染前期，夏孢子与芽管前端的Ca2+含量明显上升[45]。这进一步说明了条锈菌夏孢子和芽管中Ca2+浓度的升高促进了与PsNCS1的结合，进而诱导PsNCS1基因高量表达。
3.7. 小麦条锈菌钙调素依赖蛋白激酶基因PsCamk的功能
秦娟等首次从小麦条锈菌中克隆得到了编码蛋白为CaMK类家族的CaMK基因[57]。先现已有研究证明CaMK调控细胞功能是通过作为钙信号途径下游关键的蛋白，影响经过途径中关键酶与转录因子的表达。相比较CaMK在动植物中的研究，在病原真菌中研究的较少，在哺乳动物中起到重要的作用[58]。现已发现两个编码CaMK的基因(cmk1、cmk2)于酿酒酵母中[59]，并对酵母的生长有着关键的作用[60] [61]。另外在栗酒裂殖酵母[62]和构巢曲霉[63] [64]盘长孢状刺盘孢菌(Colletotrichum gloeosporioides) [65]中都发现获得了CaMK基因。
秦娟等通过对PsCaMK基因进行表达谱分析得出PsCamk在小麦条锈菌初期孢子萌发和芽管形成的过程中起作用[57]，当用KN-93处理后，小麦条锈菌夏孢子萌发明显被抑制，原因可能为KN-93抑制了CaMK和CaM的结合致使Ca2+信号通路的中断[66]。
3.8. 小麦条锈菌果胶酶基因PsPL1的功能分析
病菌侵染寄主的关键步骤是要穿透宿主细胞壁，研究表明在病原菌侵染寄主植物时，会分泌降解植物细胞壁的降解酶类，主要为果胶酶，目前为止，多聚半乳糖醛酸酶和果胶裂解酶研究的较为广泛[67]。大量试验表明，病原菌可通过果胶水解酶和裂解酶分解寄主植物的细胞壁[68]?已有研究证实，蔓枯病菌
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