昆虫病原真菌的致病机制及研究进展

昆虫病原真菌的致病机制及研究进展

昆虫病原真菌主要是依靠酶解作用和附着胞、穿透钉等侵染结构产生的机械压力侵入寄主体内。战胜寄主的免疫系统后，在寄主血腔内痛过消耗寄主营养生长、破坏寄主组织结构、产生毒素等致病或杀死寄主后，从寄主体内长出、在虫体的表面产生分生孢子进行下一轮侵染。

1、体表附着

昆虫病原真菌感染昆虫的第一步是分生孢子能够附着在昆虫体表上。在体表的附着有两种情况：首先是非特异性附着，主要是分生孢子与昆虫体壁通过疏水作用的被动附着，但附着力较弱；其次是真菌的分生孢子在孢外分泌的蛋白酶类，使得分生孢子特异性的牢固地附着在昆虫体壁上。此外，Wang等研究发现基因MAD1及MAD2编码与绿僵菌孢子附着相关的粘着蛋白：其中MAD1基因缺失后，分生孢子对寄主体表的附着能力显著下降并影响了孢子的萌发及菌丝生长发育；同时绿僵菌的MAD2，参与控制孢子与植物根际的附着能力。（Wang C，St Leger RJ.The MAD1 adhesin of Metarhizium anisopliae links adhesion with blastospore production and virulence to insects,and the MAD2 adhesin enables attachment to plants[J].Eukaryot Cell,2007,6(5):808-816.）

2、穿透寄主体壁

1）分生孢子的萌发：分生孢子成功的附着在昆虫体壁后，在合适的条件下开始萌发。萌发所需要达到的条件是需要较高的湿度，例如在昆虫的口器、节间、气孔等部位的高湿度可促进孢子的萌发。其次昆虫体壁上的一些信号物质可以刺激孢子的萌发（Gillespie J P,Bailey A M,Cobb B and Vilcinskas A.A Fungi as elicitor of insect immune response[J].Arch Insect Biochem Physiol,2000,44:49-68）。此外，分生孢子还必须能够克服昆虫体壁上的抑菌物质。

2）附着胞的形成：附着胞最早是在植物病原真菌中发现的，当真菌侵染植物时形成的一个芽管末端外涌形成的相对膨大的特异性器官—称之为附着胞。与大多数植物病原真菌相似，昆虫病原真菌在穿透昆虫体壁时也会形成附着胞，并依靠其产生的机械压力和分泌的水解酶的作用穿透昆虫体壁。此外，虫生真菌附着胞的形成需要特定的寄主信号或环境因子的诱导。研究表明：第二

信使Ca2+和cAMP参与的信号传导途径与附着胞的形成相关。当附着胞开始形成时，会大幅度地提高cAMP的含量，调节PKA的活性。缺失PKA基因后，会造成附着胞的形成延迟及菌株毒力下降（Fang WG, Pavaripoll M, Wang SB et al. Protein kinase A regulates production of virulence determinants by the entomopathogenic fungic,Metarhizium anisopliae[J].FungalGenet Biol,2008,46(3):277-285.）。另外疏水蛋白也影响附着胞的形成，如稻瘟病菌敲除编码疏水蛋白的MPG1后，突变菌株附着胞的形成率以及菌株毒力都会显著下降（Beckerman JL,Ebbole DJ.MPG1,a gene encoding a fungal hydrophobin of Magnaporthe grisea,is involved in surface recognition[J].Mol Plant Microbe Interact,1996,9(6):450-456.）。Wang等从绿僵菌中克隆到了MPL1基因，该基因编码脂滴特异性表面蛋白（Wang CS, St Leger RJ.The Metarhizium anisopliae perilipin homolog MAPL1 regulates lipid metabolism,appressorial turgor pressure and virulence [J].Biol Chem,2007,282(29):21110-5.）。伴随着附着胞的形成脂滴随着MPL1蛋白从分生孢子运输到附着胞，并且降解产生高浓度的甘油从而形成附着胞的膨胀压，为附着胞能够穿透体壁提供机械压力。

3）分解寄主体壁的水解酶：昆虫的表皮可分为外表皮、前表皮、后表皮和皮脂层4层。外表皮主要由蜡质层和鞣化的蛋白质组成，很薄；前表皮和后表皮是主要由几丁质和填充其间的蛋白质共同组成的坚固的昆虫外骨骼。相对于昆虫体壁的组成成分，分生孢子产生的水解酶主要有几丁质酶、蛋白酶、脂酶、淀粉酶等。蛋白质是昆虫表皮的重要组成部分，所以在入侵寄主体壁的过程中，虫生真菌分泌的蛋白质降解酶起重要作用，其活性高低是决定真菌入侵能力的重要因素。蛋白酶水解蛋白质，不仅为菌丝的生长提供营养物质，而且使几丁质暴露，诱导几丁质酶对几丁质作用。目前研究较多的是绿僵菌表达分泌的一类丝氨酸弹性凝乳蛋白酶PR1，它能够催化特定的蛋白质水解和失活，控制入侵机构的分化。几丁质酶（EC31211114）可以将几丁质分解为N-乙酰氨基葡糖，与底物接触的可能性决定了病原菌几丁质酶的产生。几丁质酶主要是在侵染的后期表达，与蛋白质共同作用降解昆虫体壁，因此它是另一个虫生真菌的重要毒力因子。人们分别在金龟子绿僵菌中克隆了chit1

和chit4以及黄绿绿僵菌中克隆了chil等几个几丁质酶基因。裴炎等人也从白僵菌中克隆到Bbchit1（AY145440）及Bbchit2（AY147010）2个几丁质酶。

3、逃逸寄主免疫

当虫生真菌穿透昆虫体壁进入血腔之后，寄主能够识别细胞壁主要成分之一的B-1,3-葡聚糖及真菌分泌的蛋白酶，从而启动细胞免疫及体液免疫，虫生真菌要实现成功的侵染定值必须战胜宿主的一系列免疫保护反应。为逃逸寄主免疫反应，虫生真菌会采取一系列的措施，例如改变自身细胞壁B-1,3-葡聚糖的结构（Brown GD and Gordon S. Fungal beta-glucans and mammalian immunity[J]Immunity,2003,19:311-315.）、主要以颗粒状或短棒状的囊孢子等形式存在于寄主血腔内。以虫菌体的方式存在于昆虫的血腔内可以使虫生真菌迅速的在寄主体内增值扩散，并且可以增大吸，收营养物质的表面积。2006年，Wang 等人在绿僵菌中克隆Mcl1基因并对它的功能进行了研究，发现该基因在真菌进入昆虫血腔20min后开始表达，其编码的蛋白质可以通过二硫键在细胞壁表面形成保护层，包裹并掩盖细胞壁上的B-1,3-葡聚糖，使得菌体免于被昆虫血细胞包裹或吞噬。敲除该基因后，发现绿僵菌的致病力显著下降（Wang CS, St Leger RJ.

A collagenous protective coat enables Metarhizium anisopliae to evade insect immune responses[J].Proc Natl Acad Sic USA ,2006,103:6647-6652.）。

4、寄主死亡

真菌在昆虫血腔内大量增殖—当然这也是一种针对昆虫防御反应的机制。进入虫体的菌丝以虫体为营养物质，不断吸收养分后进行生长、繁殖，大量的消耗寄主营养。菌丝生长到一定时期，会充满整个昆虫体内，侵入肌肉，妨碍昆虫的血液循环，并且菌丝的代谢产物使得寄主代谢紊乱，致使昆虫不能正常发育导致死亡。大多数虫生真菌能产生有毒性的次生代谢产物—毒素，这些毒素可以作为免疫抑制因子抑制寄主的正常防御反应，因此，毒素也是昆虫病原真菌毒力的影响因素。当外界条件适宜后，菌丝从昆虫体壁生出，然后覆盖整个虫体。菌丝逐渐生长，产生大量孢子，孢子成熟后可通过各种途径散播出去，遇到寄主后开始新的侵染或寄生在某些植物根际直到遇到合适的昆虫。