番茄抗叶霉病分子机制研究进展

牛义岭 商丽敏

摘要 叶霉病是番茄常见病害之一，发病后不仅会阻碍植株生长，果实品质和产量也显著下降。抗病育种依然是防治该病害最有效的方法。在与叶霉病的长期互作过程中，番茄已经进化出一系列抗性机制以抵抗病原菌入侵。在分子水平上关于番茄对叶霉病抗性机制的研究已有很多，主要集中在Cf抗性基因的克隆及抗病机制分析等。本文主要综述了番茄叶霉病的生理小种、抗病基因结构和功能等分子抗性机制的研究进展，以期为番茄抗病育种提供一定的参考。

关键词 番茄；
叶霉病；
分子抗性机制

中图分类号 S436.412   文献标识码 A

文章编号 1007-7731（2023）09-0137-03

叶霉病又称黑毛病，病原菌是半知菌亚门真菌，其定名为黄枝孢菌。当植株被侵染后，发病快、蔓延快，若防控不到位，很可能造成绝产。该病害虽然可以侵染植株的整株器官，但主要危害叶片，当环境适宜或病情严重时也会危害茎、花和果。植株被病菌侵染后，光合能力减弱，养分汲取和积累下降。叶片最先出现病症，主要表现为叶表面出现椭圆形或不规则的淡黄色病斑，叶背面长出白色霉层，为病原菌的菌丝体，随着病情加重，白色霉层褐变直至变为黑褐色绒毛状，即为病原菌的分生孢子、分生孢子梗。在高温高湿环境下，发病叶片正面也会长出黑霉。

1 番茄叶霉病菌的侵染机制

番茄叶霉病菌的侵染能否成功取决于与寄主植株的亲和性。番茄叶霉病菌的侵染机制包括2种，①与抗病番茄品种的非亲和互作类型。在适宜的温湿度条件下，病原菌分生孢子落在叶片上，萌发形成芽管，而后生长形成菌丝，菌丝通过叶片气孔向维管组织生长、吸收营养。在这一过程中会激发寄主对病原菌的防御反应，防御反应启动后一方面部分菌丝则不能穿过气孔或穿过气孔后会生长停止，另一方面菌丝肿胀弯曲，无法在叶片内生长蔓延，因此病菌菌丝只存在于侵染部位附近区域内，形成坏死病斑，这一过程也被称为过敏反应[1]。②与感病番茄品种的亲和互作类型。菌丝伸长进入气孔后增粗，在海绵组织细胞间隙中生长，长满间隙后，菌丝从气孔伸出，形成分生孢子梗，并产生新的分生孢子继续侵染植株，最终导致植株发病枯萎。

2 叶霉病菌生理小种的分化

番茄叶霉病菌的生理小种分化能力强、易变异。1890年前后，欧洲国家发现了高度分化的生理小种1.2、2.3、1.2.3、2.5、2.4.11、2.4.5.11和2.4.5.9.11等。据加拿大、荷兰等国研究报道，在长期的互作过程中，病原菌生理小种针对1个抗病基因能分化出2个以上的生理小种。研究表明，生理小种群体能够通过基因变异，携带多类型的Avr和ECP基因等发生分化[2]，2021年新的生理小种2.4.9和9分别在日本和古巴被发现[3]。研究表明，环境和生产管理也可能加速生理小种分化。中国叶霉病生理小种分化概况和欧美等国家相比，选择压力较小，所以处于较低水平。伴随着番茄抗病品种相继选育推广、大面积生产等，叶霉病菌在我国南北方的分布更加广泛，生理小种分化数量呈上升趋势。

3 番茄对叶霉病的生理抗性机制

番茄抗病品种与感病品种相比，叶片表皮细胞排列更加紧密；
当植株被病原菌侵染后，抗病品种叶肉细胞产生木质素以改变细胞壁的通透性或发生局部组织坏死或合成胼胝质、侵填体并分泌到细胞外的空间以阻碍菌丝扩展；
海绵组织会发生膨胀使得病菌不能获得养分。寄主会产生大量的活性氧，活性氧能激发植株的自我防御系统，如植保素的合成和病程相关蛋白的积累，促进细胞壁成分的聚合和交联，从而强化细胞壁的物理屏障作用，阻止病菌的二次侵入和扩散。同时，活性氧的存在也会使寄主细胞的氧化作用增强，从而产生大量的降解产物，这些降解产物具有杀菌抑菌作用。

4 番茄对叶霉病的抗性遗传机制

研究表明，番茄对叶霉病的抗性受显性单基因控制，大多表现为质量性状遗传[5]。研究表明，番茄对叶霉病菌的抗性符合Flor提出的“基因对基因”假说，即当抗性基因Cf编码产物和叶霉病菌种对应的Avr基因产物识别后，通过植物的信号传导，激活下游抗病基因表达，植株表现出抗病性，相反若Cf基因未识别对应的Avr基因产物，植株则表现出感病性。目前发现的24个Cf抗性基因依次被命名为Cf-1～Cf-24，已经全部被精细定位到番茄的12条染色体上，这些抗病基因来源于番茄及其近缘野生种，而感病品种Monkey-Maker被称为Cf-0。其中Cf-1、Cf-4、Cf-4E、Cf-9、Cf-19位于1号染色体短臂端，Cf-2、Cf-5、Cf-6基因位于6号染色体长臂端；
Cf-7、Cf-8位于9号染色体的长臂端，Cf-10、Cf-12位于8号染色体的长臂端，Cf-3、Cf-11、Cf-13、Cf-16、Cf-17位于11号染色体，Cf-14、Cf-15位于3号染色体，Cf-18、Cf-20位于2号染色体，Cf-21位于4号染色体，Cf-23位于7号染色体，Cf-24位于5号染色体。

5 Cf基因的结构与功能研究

近年来，对Cf-4/Avr4和Cf-9/Avr9模型的研究较多较成熟，其结果很大程度地促成了番茄免疫学框架的建立。随着越来越多的Cf基因被克隆，对Cf免疫应答机制的研究也在不断加深。Cf-4、Cf-9是最先被克隆的抗病基因，随后Cf-2、Cf-5也被分离出来[7]。目前已克隆的抗叶霉病基因有Cf-2、Cf-4、Cf-4A、Cf-5、Cf-6、Cf-9、Cf-ECP1、Cf-ECP2、Cf-ECP4、Cf-ECP5、HCr9-4E、Cf-10、Cf-11、Cf-12、Cf-16、Cf-19等。研究表明，Cf基因編码的蛋白产物结构域相似，主要由7个结构域组成，从N—C端分为：信号肽结构、富含半胱氨酸结构、亮氨酸重复结构、无明显特征结构、富含酸性氨基酸结构、跨膜结构、富含碱性氨基酸结构。其中亮氨酸重复所占比重最大。进一步研究发现，Cf特异性基因是和许多非功能基因串联的，形成复合基因座Cf-4/9或Cf-2/5，这些基因座中的成员被称为HCr9和HCr2基因。其中Cf-4、Cf-4A和Cf-9基因属于HCr9s基因家族，Cf-2和Cf-5基因属于HCr2s蛋白基因家族；
多数HCr9蛋白含有27个亮氨酸重复，而HCr2蛋白中亮氨酸重复数目差异较大。由此推测亮氨酸重复数目不同，可能与Cf基因和Avr基因相互识别的特异性相关[9]。

6 Cf基因与信号转导

在激活抗病信号后，番茄与叶霉病菌的互作可分为早期、中期、晚期3个阶段。Cf蛋白抗病模型表明，整个防御反应包括过敏反应、磷酸化和活性氧积累，活性氧的积累导致膜脂过氧化，细胞膜破坏，进而导致电解质泄漏。此外，Cf还能激活MAP激酶、钙依赖性蛋白激酶、K+通道，H+通道和Ca2+通道。这些变化发生在疾病反应过程的早期阶段，在反应的早期有许多蛋白参与，这些蛋白可能参与保护酶的活性和谷胱甘肽积累的中期和水杨酸积累、程序性细胞死亡、疾病体征的后期。研究发现，磷脂酸在Avr4/Cf-4相互作用过程中积累，通过沉默磷脂C家族基因，研究人员发现PLC4和PLC6基因在Cf-4介导的过敏反应和抗病性中发挥重要作用，SAMDC在Cf-19/Avr相互作用系统的一条或多条通路中起作用，SOBIR1和BAK1的激酶活性是免疫相关信号传递所必需的。SAP18可以与SOBIR1相互作用，植物的抗性可以通过SAP18的沉默而减弱，研究发现EFR-Cf-9嵌合体通过对elf18的SOBIR1和bak1依赖性识别增强对细菌病原体的抗性[10]。对Cf-10基因介导的耐药反应的转录组分析表明，Cf-19和Cf-12的反应过程有共同的部分，其中大部分与Cf-12的反应过程不同。此外，在Cf-10、Cf-12、Cf-16和Cf-19介导的抗性反应中，大量转录因子的表达模式发生了明显的变化，说明转录因子在Cf基因的信号传递中起着重要的调控作用[10]。在Cf-19介导的抗病反应中，确定了10个关键调控因子，包括SAUR、WRKY、JAZ基因家族等。通过建立抗病反应预测模型，观察到ETI（效应子诱导的免疫反应）和PTI（病原菌相关分子模式诱导的免疫反应）均有发生。ETI是由Avr和Cf-19蛋白相互识别引起的，而PTI是由CERK和几丁质相互识别引起的。识别之后是Ca2+的涌入，其中一些与不同的CAM/CML蛋白结合，激活下游信号通路。胞质Ca2+浓度的增加也可以为CDPK信号元件的激活创造适当的条件。MAPK模块也可以在上游更改后激活，包括激活HSP90。许多转录因子，尤其是WRKY转录因子，积累并间接调控防御相关基因的表达。这些变化最终导致了防御相关基因的表达和过敏反应[11]。

7 展望

Cf/Avr互作系统是番茄免疫学研究中典型的抗性模式，虽然Cf基因的抗病机制研究已经持续多年，但还有许多未知和不确定性。如同一位点的具有极其相似的结构同源等位基因Cf-4和Cf-9是否具有相似的抗性表型；
分布在不同染色体的抗性基因在抗病反应中功能是否存在差异等。未来可以研究Cf基因抗病过程中的重要调控反应，如病原体的识别、复合物的形成、下游信号的启动，挖掘其他Cf基因等。同时，对Cf/Avr系统进行整合分类，以便更好地利用该互作模型。

参考文献

[1] 刘冠，赵婷婷，李宁，等.番茄与叶霉菌互作机制研究进展[J].东北农业大学学报，2016（9）：91-99.

[2] JONGE R D，VAN-ESSE H P，KOMBRINK A. Conserved fungal LysM effector Ecp6 prevents chitin-triggered immunity in plants[J].  Science，2010，329（5994）：953-955.

[3] BERNAL-CABRERA A，MART?NEZ-COCA B，HERRER A- ISLA L，et al.The first report on the occurrence race 9 of the tomato leaf mold pathogen Cladosporium fulvum （syn. Passalora fulva） in Cuba[J]. European Journal of Plant Pathology，2021，160（3）：731-736.

[4] KVBOTA M，MASAJI M，IIDA Y. First occurrence of tomato leaf mold caused by the novel races 2.5.9 and 4.5.9 of Passalora fulva in Japan[J].Journal of General Plant Pathology，2015，81（4）：320-323.

[5] DE JONG C F，LAXALT A M，BARGMANN B O R，et al. Phosphatidic acid accumulation is an early response in the Cf-4/Avr4 interaction[J]. The Plant Journal，2004，39（1）：1-12.

[6] FLOR H H.Current status of the gene-for-gene concept[J]. Annual Review of Phytopathology，1971，9（1）：275-296.

[7] 洪薇.番茄抗葉霉病分子机理及抗病相关基因分离技术体系的建立[D].杭州：浙江大学，2007.

[8] HAANSTRA J. Characterization of resistance genes to Cladosporium fulvum on the short arm of chromosome 1 of tomato[D]. Nederland：Wageningen Universiteit，2000.

[9] 张祥喜，罗林广.植物抗病基因研究进展[J]. 分子植物育种，2003，1（4）：531-537.

[10] 毕国志.类受体激酶SOBIR1互作蛋白的鉴定及功能分析[D]. 哈尔滨：东北农业大学，2015.

[11] ZHAO T T，PEI T，JIANG J B，et al. Understanding the mechanisms of resistance to tomato leaf mold：A review[J]. Horticultural Plant Journal，2022，8（6）：1-9.

（责编：何 艳）

作者简介 牛义岭（1993—），女，硕士，农艺师，从事作物栽培技术推广工作。

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