病原菌的自我防御

病原菌的自我防御

李建刚,李师默,郭坚华3

(南京农业大学植物病理学系,江苏南京　210095)

摘　要　在制药和植物保护领域,20世纪已经广泛研究了自然界中常见微生物抑制生长的现象和有毒微生物的代谢活动。在过去10a里,将拮抗物引入植物表面、生长介质以及繁殖材料中的生物防治方法引起的兴趣还在不断增加。但是病原物针对生防因子、化学药物等所进行的自我防御工作则研究的比较少。主要讨论当前病原菌抵抗微生物拮抗机制的观点和概念,以及所关注的植物病原真菌和细菌的防御。

关键词　生物防治;抗生作用;微生物生理;挥发物

中图分类号　Q939.9 文献标识码　A 文章编号　1005-7021(2006)06-0059-05

Self2Defence of Pathogen

L I Jian2gang,L I Shi2mo,GUO Jian2hua

(Dept.of Plant Protect.N anji ng A gric.U niv.N anji ng210095)

Abstract　Phenomena of growth inhibition by microbes and the metabolism of toxic microbes that commonly seen in nature have been studied widely in20th century in the fields of pharmacy and plant protection.In the past decade, interest in bio2control against plant pathogens by introducing antagonistic microbes onto plant surfaces,into growing media,or onto propagation material is still unceasingly increased.Nevertheless,study on self2defence of pathogenic matter aiming at bio2control factor;chemical drug etc.was fairly poor.Current insights and concepts on pathogen to defense microbial inhibition,the mechanism,and the defence of plant pathogenic fungi and bacteria were discussed in this article.

K eyw ords　bio-control;antibiosis;microbial physiology;volatiles

1　病原菌对毒素和杀菌剂的防御

回顾植物病原真菌和细菌对生物防治的防御机制时,可以发现植物病原物具有一套完整的机制来应付各种来源的毒素[1]。首先,许多植物病原物有自我产生广谱毒素的活性,这些毒素能够保护自己的栖息地并且侵染其他植物。其次,病原菌面临寄主的一系列防御化合物(如植保菌素),它能够抵抗渗透和防止感染。再次,病原物能克服引入到生态环境中的异源化合物,如可以对一些植保农药和抗生素等产生抗药性或耐药性。酶对毒素降解以及一些相关酶的作用机制已有阐述。乙酰基转移酶、水解酶、脱甲基酶和细胞色素P450单加氧酶等对毒素作用机理为人熟知。一些亚铁血红素蛋白可以执行很多类型的反应,如氧化作用(加氧和脱氢)和非氧化作用(异构化反应)。这些反应使毒素得到不同程度的降解,病原物也可以通过修改毒素靶位点使毒素通过膜上的排出泵排到体外,从而减少了其在靶位点的浓度。总之,从古细菌到人,膜转运蛋白执行着外排和内吞不同化合物的功能。在植物病原物中,排出泵在排出内生毒素时发挥了重要作用─抵抗杀菌剂或对杀菌化合物不敏感[2]。抗性就是基于这一系列机制。每个机制的中断都会导致部分抗性的丢失,在一些情况下也可能有一些其他机制来补偿。对一种毒素的抗性变化可以导致对另

　收稿日期:2004-09-20

　作者简介:李建刚　男,博士研究生。现从事植物病害的生物防治研究。

　项目来源:国家“863”计划资助项目(2002AA244041);江苏省教育厅(J H02-084)课题 3通讯作者95

微生物学杂志　2006年11月第26卷第6期　JOURNAL OF MICROBIOLO GY Nov.2006Vol.26No.6

一毒素产生抗性,但不包括化学毒素。这种多重抗药性(multidrug resistance,MDR)是植物病原菌中常见的现象,它也可能通过降解和非降解两类抗性机制得到调控。

2　病原菌对抗生素的反作用

现在许多研究正致力于拮抗微生物所产生的抗生素以及其生防功能。并且一些抗生素的活性和化学结构已经确定。抗生素中含有异源的生物成分,这些低分子量化合物对其他微生物的生长及新陈代谢是不利的。从真菌及细菌的生防菌株中已分离出了一些抗生素[3]。生防菌剂不仅对一类微生物的作用表现出多样性,而且对某一菌株产生的抗生素也有多样性。这表明总会存在对一种或多种植物病害有用的生防菌剂或抗生素,并且由生防菌剂产生的许多抗生素都有广谱性。例如,吡咯霉素是由Pseudomonas(假单胞菌属)、B urkhol deria(伯克氏菌属)、Enterobacter(肠杆菌属)和Serratia(沙雷氏菌属)等菌株产生的抗生素,它对R hizoctonia solani(立枯丝核菌)、Bot ry2 tis ci nerea(灰霉病菌)、V erticilli um dahliae(大丽轮枝菌)以及Scleroti nia sclerotiorum(油菜菌核病菌)这样一些有重要经济价值的病原菌有活性。许多由生防菌剂产生的抗生素,其参与生物合成及调控的基因已被克隆和测序。通过研究可从两方面提高其生防效率,一是提高表达量,二是与具有其他特性的生防菌剂结合使用。

但病原菌也有防御抗生素的作用,根据对酚类抗生素2,42双乙酰间苯三酚(2,42di2 acetylphloroglucinol2,42DAP G)和12酚嗪羧酸(phenazine212carboxy acid PCA)的敏感性,Mazza2 la[4]等人从小麦全蚀病菌(Gaeum annomyces gram i nis)中筛选了66个隔离群。这些隔离群来自不同的地域,都对2,42DAP G和PCA敏感。从平板的放射性生长测定可看出,这些隔离群对这两种抗生素的敏感性存在极高的变异性。即使在同一地块获得的隔离群,对这两种抗生素的敏感性也有很高的变异。总之,在他们的研究中,病原菌对PCA的敏感性高于2,42DAP G。生产2,42 DAP G或吩嗪的假单胞菌并不能防治小麦全蚀病的发生,这证明了病原菌对抗生素产生了变异性。

由于抗生素与病原物的长期的互作,病原物对其敏感性就会发生自然分化,最终导致对抗生素的不敏感。然而在一些生防实例中,植物病原物对抗生素(包括挥发性物质)的防御机制尚未完全清楚,因而证据不足,但某些病原菌群体对生防菌剂所产生的抗生素表现有抵抗作用。

3　对假单胞菌产生抗生素的抗性机制

Levy等人首先详细研究了植物病原菌对假单胞杆菌产生抗生素的抗性机制[5]。研究表明M ycosphaerella gram i nicola(小麦叶枯病壳针孢)液体培养基中12羟基吩嗪的亚致死浓度的增加可导致过氧化氢酶、超氧化物酶、超氧化物歧化酶含量的增加,此外黑色素的生物合成也增加了42%。黑色素是一种由可变成分组成的聚合物,包括由醌类、羟基醌、半醌组成的核心再加上蛋白质。这些化合物能够使生物体在逆境下存活。最新数据表明,12羟基吩嗪在禾本科寄生植物上起氧化作用。同时真菌防御12羟基吩嗪的主要机制也就是活性氧生物的解毒作用。因为12羟基吩嗪最后在培养基中消失,作者认为真菌能够通过降解作用而保护自己。防御抗生素的毒性,对吩嗪类抗生素类似的反应在其他生物体中也曾被发现。如人类病原菌菌株Pseudomonas aerugi2 nosa(绿脓杆菌)所产生的绿脓菌素,可以快速杀死美丽线虫Caenorhabditis elegans。而由于其体内过氧化氢酶和超氧化物歧化酶水平的增加,促进了体内的抗氧化作用,同时也大大增强了对绿脓菌素的耐性。相反这两种酶含量的下降就会对抗生素的敏感性得到加强[6]。最近Schoonbeek 等人对其分子机理进行了研究[7]。他们认为一些吩嗪类抗生素以一种剂量相关性的方式诱导ABC转运基因BcatrB表达。BcatrB的置换突变型对吩嗪类和产吩嗪的假单胞杆菌菌株比野生型亲本更为敏感。ABC转运蛋白的生物相关性在生物鉴定中进一步得到证实,当把产吩嗪的假单胞杆菌喷洒到番茄叶片上时,在诱病方面BcatrB 的置换突变株比其双亲能力要小得多。叶片的生化分析表明其中吩嗪类浓度要高一些。用吩嗪类缺陷的假单胞杆菌变异株时,裂解变异菌和双亲菌在诱病上并未表现出不同。吸收实验证明吩嗪类抗生素是作为BcatrB的一个底物。对于植物

06 微　生　物　学　杂　志 26卷