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·理论研究·

文章编号：1673-887X(2020)08-0052-03

植物病原真菌效应蛋白研究进展

王梧嵋

（西藏大学理学院，西藏自治区拉萨850000）

摘要绝大多数可以进行体内定植的真菌病原物，都分泌大量的效应蛋白。这些效应因子可以通过不同的机制抑制寄主植物的

防御反应，或改变植物的生理代谢，以促进自身顺利侵入并获取营养。效应蛋白不仅在寄主体内，还有可能在被分泌转运的过程中

发挥作用。现对植物病原真菌效应蛋白的研究进展进行综述，包括基因结构、转运方式、作用机制及研究方法，希望能为植物与病

原真菌的互作研究提供一定参考。

关键词植物；病原真菌；效应蛋白；作用机制；研究方法

中图分类号S763.15文献标志码：Adoi:10.3969/.1673-887X.2020.08.022

WangWumei

(CollegeofScience,TibetUniversity,Lhasa850000,TibetAutonomousRegion,China)

Mostfungalpathogeffectorscaninhibitthe

hostplant'sdefenseresponsethroughdifferentmechanisms,orchangethephysiologicalmetabolismoftheplant,soastopromote

orproteinsplayarolenotonlyinthehostbody,butalsointheprocessofbeing

perreviewstheresearchprogressofplantpathogenicfungieffectorproteins,includingtheirgene

structure,transportmode,mechanismofactionandresearchmethods,hopingtoprovidesomereferencesforthestudyofplantand

pathogenicfungiinteraction.

plant,pathogenicfungi,effectorprotein,mechanismofaction,theresearchmethod

细菌、真菌、病毒等微生物都能引起植物病害，但真菌引长期协同进化过程中

[3]

，不断发生效应蛋白发挥毒性破坏植

起的病害最为普遍，造成的损失也最严重。大致来说，植物寄物防御反应和效应蛋白被特异性识别激发免疫反应的过程，

生真菌的数量多于其他所有寄生体的总和

[1]

。活体营养的寄形成“Z”字拉锯

[4]

。

生真菌往往高度专化，它们可以通过特异性的效应蛋白改变

1真菌效应基因的结构

寄主的生理和防御状态，促进自身的存活与繁殖。这些效应

目前所知的真菌效应基因在结构上并没有太明显的统

蛋白依据被分泌和发挥作用的位点大致被分为两类：细胞间

一特征。从大麦云纹病菌中克隆得到的NIP1效应蛋白富含

效应蛋白和细胞内效应蛋白。前者发挥胞壁降解酶和部分蛋

半胱氨酸残基，从尖孢镰刀菌中克隆得到的SIX1（SecretedIn

白酶抑制剂的作用，后者可抑制细胞内免疫系统中的关键靶

Xylem1）效应蛋白也具有这一特征。番茄叶霉菌的效应基因

标或被识别而激发过敏性坏死反应。

Avr2、Avr4、Avr4E和Avr9，稻瘟菌的效应基因AvrPita、Pwl，

Flor等提出的“基因对基因假说”

[2]

：为了破坏由病原特

它们所编码的效应蛋白除富含半胱氨酸外都是小分子的分

征分子（Pathogen-AssociatedMolecularPatterns,PAMPs）启动

泌蛋白

[5]

。自亚麻锈菌中克隆得到第一个锈菌基因Avr567以

的植物基础防御反应PTI（PAMP-TriggeredImmunity），病原

来，目前已有30多个效应基因被获得。它们全为分泌蛋白，

菌将分泌一类具有特异性的毒性效应蛋白（effectors）；而植物

且富含半胱氨酸，都能在植物抗性基因识别下激发植物抗病

随之在进化过程中产生一类抗性基因（Rgene），编码出抗性

反应。而一些真菌效应蛋白并不具有信号肽结构，表明可能

蛋白（Rprotein）并特异性地识别效应蛋白，此时效应蛋白发

存在其它未知的蛋白分泌途径

[6]

。

挥无毒性功能（Avirulence，Avr），将激发植物下游更为激烈的

2真菌效应蛋白的转运

免疫反应ETI（Effector-TriggeredImmunity）。植物和病原菌在

免疫荧光标记显示，蚕豆锈菌侵染寄主叶片后，分泌的

效应蛋白RTP1将在吸器周围富集。亚麻锈菌无毒基因AvrM

收稿日期2020-07-24

和AvrL567在烟草细胞中过表达后，其编码的效应蛋白将通

基金项目西藏自治区自然科学基金项目（藏科发〔2019〕221

过烟草细胞内质网介导的分泌系统分泌到细胞外

[7]

。对真菌

号），XZ2019ZRG-05（Z），项目名称：西藏青稞条锈菌转主

而言，其效应蛋白的转运，既不同于细菌借由多种分泌系统，

寄主小檗资源调查与接种鉴定，Investigationandinoculatei-

也不同于卵菌借由膜上磷脂分子完成；由于效应蛋白的多样

dentificationofberberis,thealternatehostofbarleystriperust

pathogen2019/08-2021/08。

性，它们可能采用多种不同的转运机制进入植物寄主体内。

作者简介王梧嵋（1992-），女，重庆人，助教，研究方向：植物

3真菌效应蛋白作用机制

病理。

病原菌分泌的效应蛋白进入寄主细胞间隙或细胞内部

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农业技术与装备

AGRICULTURALTECHNOLOGY&EQUIPMENT

Vol.368No.08

AUG.2020

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后，通过不同的方式来破坏寄主植物的防御反应，这是已发

现的效应蛋白的一般共性，而大部分效应蛋白具体的作用机

制仍不清楚。

3.1特异性结合抑制免疫反应的激发

番茄叶霉菌通过释放效应蛋白Ecp6，在寄主植物中生

长的同时抑制由寄主细胞壁中的几丁质诱导的PTI反应

[8]

。

Ecp6蛋白含有LysM域，通过选择性地与几丁质寡糖结合，

阻止后者被寄主表面受体识别，从而抑制PTI的激发。神奇

的是，稻瘟病菌的分泌蛋白Slp1也含有LysM域，它可以发

挥与番茄叶霉菌中效应蛋白类似的功能。Slp1蛋白通过竞争

性地与自身细胞壁被降解所产生的几丁质寡糖结合，阻碍水

稻中的几丁质激发子结合蛋白CEBiP识别这些几丁质寡糖，

从而抑制由几丁质诱导的下游免疫反应。

大豆疫霉菌效应蛋白PsAvh262可以通过结合内质网免

疫球蛋白BiPs来抑制内质网应激触发的细胞程序性死亡，

负调控植物对大豆疫霉的抗病反应

[9]

。大豆疫霉菌分泌的效

应蛋白PsXEG1毒性很强，在进化过程中大豆植株产生了一

种葡聚糖酶抑制蛋白GmGIP1，其与PsXEG1结合从而影响

其毒力。但最近的研究发现，大豆疫霉菌开始分泌一种无酶

活性的旁系同位素PsXEG1样蛋白PsXLP1，它更紧密地结合

GmGIP1而有利于PsXEG1的释放，以实现病原菌的侵染

[10]

。

3.2作为寄主酶类抑制剂发挥作用

番茄叶霉菌效应蛋白Avr2能特异性地结合并抑制寄主

植物所分泌的Rcr3、Pip1、TDI-65等胞外酶，从而减弱植株的

PTI抗病反应

[11]

。玉米的过氧化物酶POX12可以控制植株活

性氧的产生，激发并调控植株激烈的抗病反应；而玉米瘤黑

粉菌所产生的效应蛋白Pep1通过在胞外与该过氧化物酶结

合并抑制其活性，破坏下游信号传导。

3.3调节寄主的代谢、基因表达与转录

玉米瘤黑粉效应蛋白Cmu1是一个分支酸变位酶，进入

植物细胞后，Cmu1蛋白可以促使莽草酸酯合成途径中的代

谢路径由合成水杨酸转变成合成芳香族氨基酸，使得水杨酸

含量降低。而水杨酸是植物防御反应中重要的植物激素成员

之一，其含量直接影响植物的免疫反应；因此，Cmu1可以通

过调节寄主细胞内的代谢途径来抑制寄主的防御反应。

由大豆疫霉菌产生的效应蛋白PsAvh23，在转运进入寄

主细胞质后，通过结合寄主的组蛋白乙酰转移酶HAT复合

物操纵植物的组蛋白乙酰化过程，进而重编程防御基因的表

达以促进自身感染

[12]

。大麦白粉菌的效应蛋白Avra10可以被

大麦的抗性蛋白MLa10特异性识别，而研究证明MLa10定

位于植物细胞质与细胞核内，这说明效应蛋白Avra10可以

作为转录因子直接进入寄主细胞核内发生互作，调节抗病基

因MLa10的表达

[13]

。大丽轮枝菌分泌的效应蛋白VdSCP41

进入植物细胞核后，将直接靶向植物的重要免疫调控因子

CBP60g和SARD1，干扰其转录活性从而抑制相关免疫基因

的表达

[14]

。

4植物真菌效应蛋白功能研究方法

4.1生物信息学预测、图位克隆获得效应基因

在获得病原菌基因组序列的基础上，可以利用生物信息

分析软件（如Blast,SignalP,TargetP,TMHMM,和big-PIPre-

dictor等）对该病原菌的效应蛋白进行预测。

在稻瘟菌所得的效应基因中，Pwl1、Pwl2、AvrPiz-t、

Avr-Pita和Avr1-CO39是通过图位克隆得到的，还有油菜茎

基溃疡病菌基因组异染色质的效应基因AvrLm1也是经图

位克隆获得的

[15]

。Yoshida等将基因组信息与遗传学结合起来

进行分析，找到了3个新的稻瘟病菌无毒基因

[16]

。

4.2异源表达分析效应蛋白功能

4.2.1农杆菌介导的瞬时表达

农杆菌介导的瞬时表达，具有时耗短、表达高，且涉及的

基因转移和表达将不会在实验外对环境造成污染危害的优

点

[17]

。在目的基因与CaMV35S启动子的共表达下，利用农杆

菌注射植物叶片，可以在单一叶片中快速、简便地同时高表

达多个重组载体

[18]

，这可以用于效应蛋白毒性及功能的初步

鉴定。Chen等结合农杆菌注射本氏烟叶片的瞬时表达技术

和水稻原生质体制备方法，对5个诱导植物细胞坏死的新无

毒性效应蛋白进行了鉴定

[19]

。

4.2.2寄主植株中稳定表达方法

通过构建稳定转化的植株，可以实现植物中效应蛋白的

稳定表达。虽然在这项工作中，前期制备稳转植株所需周期

较长，但这些植株将有利于获得大量的功能性分析结果，并

为后续研究提供独特、合理的方法

[20]

。

4.2.3酵母系统异源表达方法

研究发现，效应蛋白诱导细胞死亡和抑制细胞死亡这样

的“双重”性是种间保守的，且在酵母表达中保持一致，如在

酵母中表达效应蛋白AvrPtoB，它能够抑制被诱发的程序性

细胞死亡

[21]

。Cesari等利用酵母双杂交技术研究稻瘟菌无毒

效应蛋白AVR1-CO39与水稻中RGA4、RGA5基因的互作，

证实了水稻中的这两个基因是特异性识别所必需的。单卫星

课题组利用酵母双杂交技术及其后的共聚焦显微镜亚细胞

定位，鉴定了辣椒疫霉菌效应蛋白PcAvr3a12与寄主的靶标

脯氨酰顺反异构酶（PPIase）FKBP15-2发生免疫性互作

[22]

。

4.3结构生物学分析

通过分析效应蛋白AvrPtoB的晶体结构，发现其C端对

植物的细胞程序性坏死的抑制作用不依赖于N端，而对效应

蛋白AvrPto进行核磁共振结构分析发现，它可能和Pto发生

相互作用而不受蛋白酶限制。

5结语

真菌效应蛋白的高度多样性和与其他蛋白的低相似性，

使得对这一病原特征物的研究难度加大

[23]

。鉴于目前所面对

的是大量候选的、未知的效应蛋白，这将是一项具有挑战性

的巨大工程

[24]

。而另一方面，对真菌效应蛋白的研究将有望揭

示病原真菌营养方式和植物与病原真菌共同进化的分子机

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·理论研究·

王梧嵋：植物病原真菌效应蛋白研究进展

制，这可能将给植物疾病控制带来创新

[25]

。目前，国际上公认

的最经济有效的作物病害防控措施是种植抗病品种，而具有

识别无毒性效应蛋白功能的植物抗性基因便是其中的重要

成员。

基因组研究、生物信息学分析、蛋白质定位和更多技术

的快速发展，将为探索真菌效应蛋白在植病互作中所发挥的

作用提供强大助力。

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