induced expression of genes
王金生
寄主和病原物基因在相互作用下受活化或增强表达的现象。植物和病原物的基因多数是组成性表达，但也有在互作中起重要作用的基因是诱导表达，其中包括病原物对寄主的诱导和寄主对病原物的诱导。诱导的发生是寄主与病原物信息交流的结果。
病原物基因的诱导表达
病原物中诱导表达的基因包括胞外降解酶基因，植物保卫素解毒基因、真菌中与生长发育有关的基因及与寄主抗病基因互作的无毒基因等。
胞外降解酶基因
胞外降解酶是植物病原真菌和细菌的重要致病因子，降解植物表面角质层和细胞壁。其中角质水解酶和果胶降解酶是受寄主诱导的。
角质水解酶的诱导
茄类镰孢豌豆专化型的角质水解酶关系到真菌菌丝穿透植物角质层的能力。在培养基中加角质单体能加快该酶的积累。植物体内角质多体受真菌结构性表达的少量角质酶降解而释放出角质单体，芽管受角质单体的诱导使产生的角质降解酶活性达到能穿透寄主的水平。在转录水平上已证明角质单体能诱导真菌核基因产生角质酶转录子（图1）。
图1 植物诱导真菌孢子角质酶基因表达示意图（引自P.E.Kolattukudy，1991）
果胶酶的诱导
根据降解机制，果胶酶分为裂解酶和水解酶两类。在多种植物病原真菌中，如蚕豆葡萄孢、灰葡萄孢和尖孢镰孢番茄专化型中受诱导的多聚半乳糖醛酸酶。在胡萝卜软腐欧文氏菌胡萝卜软腐亚种和菊欧文氏菌中受诱导的是果胶裂解酶。诱导果胶酶的诱导物质是寄主植物细胞壁多糖的降解产物。对真菌胞壁降解酶的研究表明，在植物细胞壁降解过程中，由于不同阶段出现的诱导物质不同，陆续诱导出的酶类也会有不同，这对病菌的成功侵染是有利的。因为，植物细胞的某些组分可以作为寄主防卫反应的激发子，在保证病菌侵入的前提下，对寄主细胞壁降解愈少愈好。
植物保卫素解毒基因
植物保卫素的合成与积累是一种寄主防卫反应。对植物保卫素有代谢和解毒作用的酶有结构性和诱导性两种。诱导性解毒酶受相应植物保卫素诱导，如豌豆素及其结构类似物对豌豆素解毒酶有诱导作用。豌豆素解毒酶是豌豆素脱甲基酶（简称PDA）。赤球丛壳菌产生的PDA对豌豆素的解毒作用是将其转化为毒性较小的3，6-巳二羟-8，9-二甲撑二羟紫檀素。编码PDA的基因已经克隆，豌豆素可以诱导其转录。用遗传分析方法证明这一病原真菌对豌豆素的脱甲基能力与致病性密切相关。
真菌生长发育有关基因
真菌生长发育受基因控制，对有些植物病原真菌来说，生活史的完成受寄主因素影响。
黑粉菌生长发育的诱导
花药黑粉菌在寄主中产生菌丝，而在培养基上只形成酵母状菌落。用寄主叶片的抽提物不仅能在培养基上诱导出菌丝，而且还促进交配过程中结合丝的生长和发育。在有些黑粉菌中，寄主叶片的水提取物对菌丝生长有诱导作用，而对孢子形成有抑制作用。非寄主植物的提取物一般没有这种诱导作用。用甲醇提取液研究的结果，无论是寄主或非寄主都是寄生阶段的活性诱导物。麦瓶草和欧洲防风草中提取的生物活性物质鉴定为α-生育酚即维生素E。
疫霉游动孢子发育过程的诱导
疫霉的游动孢子与植物根表接触后发生一系列变化是受寄主诱导的，如从无壁的游动孢子到有壁的休止孢，休止孢萌芽侵入寄主。根据樟疫霉和棕榈疫霉中的研究，柑橘果胶、多聚半乳糖醛酸、藻酸盐、半乳糖醛酸盐都可以在体外诱导游动孢子休止和发芽。半乳糖醛酸残是诱导游动孢子分化的活性组分，每毫升孢子悬浮液中加150微克多聚半乳糖醛酸5分钟内就会使80%以上的游动孢子进入休止状态。在自然条件下，根上的粘胶物质是诱导樟疫霉寄生阶段发育的天然诱导物。
病原物无毒基因
无毒基因是病原物中与寄主抗病基因互作并具有反向调节寄主范围的作用。与病原细菌不同，从黄枝孢（番茄叶霉病菌）中克隆的无毒基因产物是诱导表达的。
寄主基因的诱导表达
在植物主动抗性中表达的基因多数属于诱导表达的基因。
植保素合成重要酶基因
植物保卫素合成受到病菌侵染，病菌细胞壁中分离到的激发子和其他非生物因素诱导。
大豆素
是大豆接种植物病原菌如大雄疫霉大豆专化型后产生和积累的植物保卫素。mRNA的体外标记和体内翻译研究证明，苯丙氨酸解氨酶（PAL）、4-香豆素辅酶A连接酶（4CL）和查尔酮合成酶（CHS）的合成速度首先呈现上升趋势，而与大豆素生物合成速度无关的其他酶则没有这种现象。在大豆幼茎试验中，真菌的β-1，3葡聚糖激发子活性比植物低聚半乳糖醛酸激发子活性高1000倍。两者混合使用有协同作用，可将β-葡聚糖活性提高50倍，β-1，3-葡聚糖只对苯丙氨酸解氨酶和4-香豆素辅酶A连接酶产生诱导效应，而低聚半乳糖醛酸对查尔酮合成酶也有诱导效应。
菜豆素
是菜豆接种菜豆炭疽菌后产生的，此外还有吉维酮（Kievitone）的植物保卫素。用真菌细胞中分离的β-1，3-葡聚糖作为激发子，处理5分钟就出现苯丙烷生物合成酶，PAL和CHS基因的转录活性在3～4小时后达最大值。PAL和CHS是等位调节的，但是查尔酮异构酶（CHI）活性峰有时出现较晚。这些差别与菜豆品种有关。在豆刺盘孢培养液中还发现一些具有激发子活性的物质仅诱导CHS而不诱导CHI。这说明CHI是由单基因控制的，而PAL和CHS则是多基因控制的。至少有3个结构基因与PAL合成有关，而CHS的合成则涉及到6个基因。这些基因在植物抗病性表达中是被分别诱导的。
蓖麻素
是蓖麻苗受匍枝根霉等诱导后产生的双萜类植物保卫素。有两种酶在侵染后活性组分增强，最后一种酶即蓖麻素合成酶的mRNA在真菌激发子处理6小时后呈现上升趋势。
呋喃香豆素
是欧芹细胞悬浮培养以大雄疫霉大豆专化型制备的激发子处理后产生的。该真菌并不是欧芹的致病菌，所以该激发子是非特异性的。处理材料的PAL，4CL的mRNA活性有明显增强，同时有呋喃香豆素积累。在欧芹中有两个4CL基因和2～3个PAL基因都及时受激发子和紫外线诱导。
细胞壁修饰中的基因
细胞壁修饰是一种复杂的主动抗性过程，其中涉及多种化合物质的诱导积累。
富含羟脯氨酸糖蛋白（HRGPs）的诱导积累
HRGPs是多基因控制的。黄瓜抗病品种用瓜枝孢处理后12～18小时细胞壁中的HRGPs明显增加，而感病品种直至18小时还不增加。用豆刺盘孢处理菜豆幼茎，然后以番茄HRGPs基因为探针检测其同源mRNA，结果在抗病品种中同源mRNA早期就有增加，而感病品种要到病斑形成后才增加。由于胁迫因子不同，HRGPs基因的转录有不同类型，说明有不同信号传递系统控制该组基因不同成员的选择活性。
胼胝质的诱导积累
受多种物理和化学胁迫因子诱导，也受真菌的侵染诱导，积累的胼胝质主要在植物细胞壁和乳突中，起侵入屏障的作用。在病毒病害局部病斑周围胼胝质有阻止病毒扩层的作用。位于原生质中的β-1，3-葡聚糖合成酶不是基因诱导后的从头表达，而是进入细胞钙离子流的直接活化。
水解酶基因的诱导表达
主要有几丁质酶和β-1，3-葡聚糖酶。
几丁质酶
真菌、细菌、病毒侵染或以激发子处理都诱导植物细胞中几丁质酶活性的增强。在此过程中乙烯被认为是诱导作用的第二信使。通过乙烯生物合成的抑制研究表明，不同种植物中对几丁质酶的诱导存在着不同机制。菜豆几丁质酶是多基因编码的，其中至少有两个受乙烯诱导表达。在菜豆和丁香假单胞致病变种互作中，无毒菌株接种后6小时就可检查到mRNA，而毒性菌株要20小时，说明几丁质酶是在不亲和组合中特异性诱导的。
β-1，3-葡聚糖酶
乙烯处理菜豆和镰刀菌处理欧芹都诱导该酶的产生。但在镰刀菌处理豌豆时发现同时有几丁质酶活性的增加。β-1，3-葡聚糖酶作用真菌细胞壁所释放出具有激发子活性的β-1，3-葡聚糖。
蛋白酶抑制剂的诱导表达
蛋白酶抑制剂主要成分为多肽，在所有植物组织中都有，对昆虫有抑杀作用。番茄受伤后出现两种蛋白酶抑制剂，用豆刺盘孢激发子处理甜瓜也发现增加蛋白酶抑制剂的合成。
诱导机制
基因诱导表达是生物中普遍存在的现象。病原物基因的诱导机制和寄主基因的诱导机制不同。
病原物基因的诱导机制
在细菌中已明确是以双组分调控机制完成的（见致病性相关基因）。
寄主基因的诱导机制
已发现两种，即激发子和受体互作的机制与激发子和大面积原生质膜互作的机制（图2）。
激发子和受体互作
是主动抗性反应中植物保卫素诱导合成的主要方式。激发子可以来源于病菌，也可以来源于寄主。成分有多糖、寡糖体、蛋白质、糖蛋白、脂肪酸。受体位于植物细胞膜上。关于激发子的结构和功能，从大雄疫霉大豆专化型细胞壁分离的葡聚糖激发子的分析表明，特殊分支的β-3，6-t聚葡糖苷是最小具有激发子活性的片段。植物细胞膜上的受体，一般认为是跨膜蛋白，但具体性质尚未完全了解（见防卫反应基因）。
激发子与大面原生质膜互作
胼胝质激发子脱乙烯几丁质等与原生质膜互作时是与磷脂端部基因结合或插在膜的脂相中。脱乙烯几丁质、两性霉素B和毛地黄皂苷等也一样激发香豆素的合成（见寄主—病原物互作）。
图2 胼胝质和植物保卫素合成中信号传递途径示意图
ST：未知传递系统 GS：葡聚搪合成酶 R：受体 Cyt：细胞质 PK：蛋白激酶 PP：二磷酸糖苷
寄主基因诱导表达早期生理反应
通过对植物保卫素和胼胝质诱导合成的研究，发现早期共同的生理反应有Ca2＋吸收、外部碱化和K＋渗漏，还有膜蛋白的磷酸化反应。根据抑制物试验和剂量反应研究，认为各种植物保卫素激发子的刺激都是通过蛋白磷酸化/去磷酸化过程来传递的，然后再迅速引起离子传递的改变。1990年美国狄克逊（R.A.Dixon）在讨论胁迫信号传递机制中，认为除膜透性、离子流、钙和蛋白质激酶所参与的作用外，还有活性氧或者氧化还原状的混乱在起作用。棉花、大豆和烟草细胞以大理轮枝菌激发子处理，由于过氧化氢的迅速产生使膜势敏感和pH敏感的染料萤光减弱。这种在5分钟后就已发生的变化与60小时后诱导的植物保卫素的活性是相关的。过氧化氢一方面在原位引发反应，另一方面还参与防卫基因活化所诱导的反应。
参考书目
Kauss，H.，Phosphoprotein-controlled changes in ion transport are common events in signal tranduction for callose and Phytoalexin induction p.428~431 in Molecu-lar geneties of plant-microbe lmteraction vol.1，Kluwer Academic publi sher，1990.
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