研究和學(xué)習(xí)植物抗病性的機(jī)制有助于揭示抗病性的本質(zhì) 合理利用抗病性 達(dá)到控制病害的目的 第十一章植物的抗病性 第一節(jié)植物抗病性的概念和類別 植物的抗病性是指植物避免 中止或阻滯病原物侵入與擴(kuò)展 減輕發(fā)病和損失程度的一類特性 抗病性是植物與其病原生物在長(zhǎng)期的協(xié)同進(jìn)化中相互適應(yīng) 相互選擇的結(jié)果 病原物發(fā)展出不同類別 不同程度的寄生性和致病性 植物也相應(yīng)地形成了不同類別 不同程度的抗病性 抗病性是植物普遍存在的 相對(duì)的性狀 所有的植物都具有不同程度的抗病性 從免疫和高度抗病到高度感病存在連續(xù)的變化 抗病性強(qiáng)便是感病性弱 抗病性弱便是感病性強(qiáng) 抗病性與感病性兩者共存于一體 并非互相排斥 只有以相對(duì)的概念來理解抗病性 才會(huì)發(fā)現(xiàn)抗病性是普遍存在的 抗病性是植物的遺傳潛能 其表現(xiàn)受寄主與病原的相互作用的性質(zhì)和環(huán)境條件的共同影響 按照遺傳方式的不同區(qū)分 1 主效基因抗病性 majorgeneresistance 由單個(gè)或少數(shù)幾個(gè)主效基因控制 按孟德爾法則遺傳 抗病性表現(xiàn)為質(zhì)量性狀 2 微效基因抗病性 minorgeneresistance 由多數(shù)微效基因控制 抗病性表現(xiàn)為數(shù)量性狀 按照小種?；詤^(qū)分 1 小種?；共⌒?race specificresistance 對(duì)銹菌 白粉菌 霜霉菌以及其它專性寄生物和稻瘟病菌等部分兼性寄生物 寄主的抗病性可以僅僅針對(duì)病原物群體中的少數(shù)幾個(gè)特定小種 具有該種抗病性的寄主品種與病原物小種間有特異性的相互作用 也稱為垂直抗性 verticalresistance 這種抗病性是由主效基因控制的 稱為主效基因抗性 單基因抗性或寡基因抗性 抗病效能較高 是當(dāng)前抗病育種中所廣泛利用的抗病性類別 其主要缺點(diǎn)是易因病原物小種組成的變化而 喪失 在生產(chǎn)上這種抗性是不穩(wěn)定和不能持久的 2 非小種專化抗病性 race non specificresistance 具有該種抗病性的寄主品種與病原物小種間沒有明顯特異性相互作用 也稱為水平抗性 horizontalresistance 是針對(duì)病原物整個(gè)群體的一類抗病性 病原物毒性不依寄主抗性基因的變化而變化 寄主品種沒有它們自己所特有的病原物小種 在遺傳上抗性一般是由多個(gè)微效基因控制的 也叫微效基因抗性或多基因抗性 這種抗性表現(xiàn)為中度抗病 是穩(wěn)定和持久的 基因?qū)驅(qū)W說 gene for genetheory 20世紀(jì)50年代由Flor提出 闡明了抗病性的遺傳學(xué)特點(diǎn) 該學(xué)說認(rèn)為 寄主方面 決定抗病性的基因病原方面 決定致病性的基因該學(xué)說不僅可用以改進(jìn)品種抗病基因型與病原物致病性基因型的鑒定方法 預(yù)測(cè)病原物新小種的出現(xiàn) 而且對(duì)于抗病性機(jī)制和植物與病原物共同進(jìn)化理論的研究也有指導(dǎo)作用 vs 按照寄主植物的抗病機(jī)制區(qū)分 1 被動(dòng)抗病性 passiveresistance 植物與病原物接觸前即已具有的性狀所決定的抗病性 2 主動(dòng)抗病性 activeresistance 受病原物侵染所誘導(dǎo)的寄主保衛(wèi)反應(yīng) 1 抗接觸 2 抗侵入 3 抗擴(kuò)展 4 抗損害 5 抗再侵染 其中 抗接觸又稱為避病 diseaseescaping 抗損害又稱為耐病 diseaeatolerance 而植物的抗再浸染特性則通稱為誘導(dǎo)抗病性 iducedresistance 植物抗病反應(yīng)是多種抗病因素共同作用 順序表達(dá)的動(dòng)態(tài)過程 根據(jù)表達(dá)的病程階段不同區(qū)分 耐病性 植物能忍受病害 在產(chǎn)量和質(zhì)量方面不受嚴(yán)重?fù)p害的性能 避病性 由于某種原因 使本質(zhì)上并非抗病的植物 最易感病的階段與病原物的侵染期相錯(cuò) 或者縮短了寄主感病部分暴露在病原物之下的時(shí)間 從而避免或減少了受侵染的機(jī)會(huì) 1 高抗 受輕度侵染 表現(xiàn)輕微受害 2 中抗 中等程度感染和受害 3 中感 明顯的感染 受害程度較重 4 高感 對(duì)病原物的侵染幾乎沒有抵抗力 嚴(yán)重受害 按抗病的程度常區(qū)分為 第二節(jié)植物被侵染后的生理生化變化 植物被各類病原物侵染后 發(fā)生一系列具有共同特點(diǎn)的生理變化 植物細(xì)胞的細(xì)胞膜透性改變和電解質(zhì)滲漏是侵染初期重要的生理病變 繼而出現(xiàn)呼吸作用 光合作用 核酸和蛋白質(zhì) 酚類物質(zhì) 水分關(guān)系以及其它方面的變化 研究病植物的生理病變對(duì)了解寄主 病原物的相互關(guān)系有重要意義 呼吸強(qiáng)度提高是寄主植物對(duì)病原物侵染的一個(gè)重要的早期反應(yīng) 呼吸代謝途徑發(fā)生變化 正常的植物呼吸作用是糖酵解途徑 植物發(fā)病后磷酸戊糖途徑呼吸作用增強(qiáng) 一 呼吸作用 病原物的侵染對(duì)植物最明顯的影響是破壞了綠色組織 減少了植物進(jìn)行正常光合作用的面積 光合作用減弱 葉綠素破壞或葉綠素合成受抑制 光合產(chǎn)物的運(yùn)輸受影響 發(fā)病部位淀粉 及其他有機(jī)物 的積累 光合部位有機(jī)物質(zhì)不能運(yùn)出 健康部位的有機(jī)營養(yǎng)向發(fā)病部位輸入 二 光合作用 1 核酸代謝 病原真菌侵染前期 病株葉肉細(xì)胞的細(xì)胞核和核仁變大 RNA總量增加 侵染的中后期細(xì)胞核和核仁變小 RNA總量下降 2 蛋白質(zhì)代謝 真菌侵染 通常先高后低 病毒侵染 衣殼蛋白合成病程相關(guān)蛋白 pathogenesisrelatedprotein PRprotein 植物病原物侵染誘導(dǎo)植物產(chǎn)生的一類特殊蛋白 與抗病性表達(dá)有關(guān) 三 核酸和蛋白質(zhì) 各類病原物浸染還引起一些酚類代謝相關(guān)酶的活性增強(qiáng) 其中最常見的有苯丙氨酸解氨酶 PAL 過氧化物酶 過氧化輕酶和多酚氧化酶等 以苯丙氨酸解氨酶和過氧化物酶最重要 四 酚類物質(zhì)和相關(guān)酶 水分吸收 運(yùn)輸受阻 多種病原物侵染引起的根腐病和維管束病害顯著降低根系吸水能力 阻滯導(dǎo)管液流上升 蒸騰作用 植物葉部發(fā)病后可提高或降低水分的蒸騰 依病害種類不同而異 麥類作用感染銹病后 葉片蒸騰作用增強(qiáng) 水分大量散失 細(xì)胞的滲透性破壞 五 水分關(guān)系 生物膜的磷脂和糖脂成分變化細(xì)胞膜透性的變化 氨基酸和糖的滲出量增大 六 脂類物質(zhì) 第三節(jié)植物的抗病機(jī)制 植物在與病原物長(zhǎng)期的共同演化過程中 針對(duì)病原物的多種致病手段 發(fā)展了復(fù)雜的抗病機(jī)制 研究植物的抗病機(jī)制 可以揭示抗病性的本質(zhì) 合理利用抗病性 達(dá)到控制病害的目的 植物的抗病機(jī)制是多因素的 有先天具有的被動(dòng)抗病性因素 也有病原物侵染引發(fā)的主動(dòng)抗病性因素 按照抗病因素的性質(zhì)則可劃分為形態(tài)的 機(jī)能的和組織結(jié)構(gòu)的抗病因素 即物理抗病性因素 physicaldefense 以及生理的和生物化學(xué)的因素 即化學(xué)抗病性因素 chemicaldefence 一 被動(dòng)抗病性的物理因素 該類因素是植物固有的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征 它們主要以其機(jī)械堅(jiān)韌性和對(duì)病原物酶作用的穩(wěn)定性而抵抗病原物的侵入和擴(kuò)展 1 植物體抵抗病原物侵入的最外層防線 植物表皮以及被覆在表皮上的蠟質(zhì)層 角質(zhì)層等 2 植物表皮層細(xì)胞壁發(fā)生鈣化作用或硅化作用 對(duì)病原菌果膠酶水解作用有較強(qiáng)的抵抗能力 3 氣孔的結(jié)構(gòu) 數(shù)量和開閉習(xí)性也是抗侵入因素 4 植物受到機(jī)構(gòu)傷害后 可在傷口周圍形成本栓化的愈傷周皮 woundperiderm 能有效地抵抗從傷口侵入的病原細(xì)菌和真菌 5 纖維素細(xì)胞壁對(duì)一些穿透力弱的病原真菌也可成為限制其侵染和定植的物理屏障 6 植物細(xì)胞的胞間層 初生壁和次生壁都可能積累木質(zhì)素 lignin 從而阻止病原菌的擴(kuò)展 二 被動(dòng)抗病性的化學(xué)因素 植物普遍具有該類抗病性因素 抗病植物可能含有天然抗菌物質(zhì)或抑制病原菌某些酶的物質(zhì) 也可能缺乏病原物寄生和致病所必需的重要成分 1 體表分泌物葉片和根系分泌各種物質(zhì) 有許多生化物質(zhì)對(duì)病原菌有防御作用 有些對(duì)病原物有直接毒害作用 影響真菌孢子萌發(fā)和芽管形成 2 酶抑制物植物體內(nèi)的某些酚類 丹寧和蛋白質(zhì)是水解酶的抑制劑 可抑制病原菌分泌的水解酶 3 水解酶類植物細(xì)胞的液泡內(nèi)含有多種水解酶 在病原菌致病過程中 可使之釋放到植物細(xì)胞及細(xì)胞間隙中 如 1 3 葡聚糖酶和幾丁質(zhì)酶 能夠分解病原物細(xì)胞壁成分 溶解菌絲 因而表現(xiàn)對(duì)病原菌的抗性 4 抗菌物質(zhì)在受到病原物侵染之前 許多健康植物體內(nèi)就含有多種抗菌性物質(zhì) 如酚類物質(zhì) 皂角苷 不飽和內(nèi)酯 芥子油 有機(jī)硫化合物 糖苷類化合物等等 紫色鱗莖表皮的洋蔥品種比無色表皮品種對(duì)炭疽病 Colletotrichumcircinans 有更強(qiáng)的抗病性 這是因?yàn)榍罢喵[莖最外層死鱗片分泌出原兒茶酸和鄰苯二酚 能抑制病菌孢子萌發(fā) 減少侵入 由燕麥根部分離到一種稱為燕麥素 avenacin 的皂角苷類抑菌物質(zhì) 能抑制全蝕病菌小麥變種和其它微生物生長(zhǎng) 其殺菌機(jī)制是與真菌細(xì)胞膜中的甾醇類結(jié)合 改變了膜透性 芥子油存在于十字花科植物中 以葡萄糖苷酯存在 被酶水解后生成異硫氫酸類物質(zhì) 有抗菌活性 蔥屬植物含大蒜油 其主要成分是蒜氨酸 alliin 酶解后產(chǎn)生大蒜素 allicin 亦有較強(qiáng)的抗細(xì)菌和抗真菌活性 三 主動(dòng)抗病性的物理因素 病原物侵染引起的植物代謝變化 導(dǎo)致亞細(xì)胞 細(xì)胞或組織水平的形態(tài)和結(jié)構(gòu)改變 產(chǎn)生了物理的主動(dòng)抗病性因素 物理抗病因素可能將病原物的侵染局限在細(xì)胞壁 單個(gè)細(xì)胞或局部組織中 病原菌侵染和傷害導(dǎo)致植物細(xì)胞壁木質(zhì)化 木栓化 發(fā)生酚類物質(zhì)和鈣離子沉積等多種保衛(wèi)反應(yīng) 1 形成乳突植物細(xì)胞受病原菌的侵入刺激在侵染釘下的細(xì)胞壁與細(xì)胞膜之間形成半球形沉積物 即乳突 papillae 與抗病性有關(guān) 多數(shù)乳突含有胼胝質(zhì) 1 3 葡聚糖 木質(zhì)素 軟木質(zhì) 酚類物質(zhì) 纖維素 硅質(zhì)及多種陽離子 乳突防御病菌的侵入 也具有修復(fù)傷害的功能 同時(shí)可調(diào)節(jié)受傷細(xì)胞的滲透性 炭疽病菌附著孢 寄主作用的界面特征 小麥白粉菌入侵結(jié)構(gòu) 乳突結(jié)構(gòu) 2 形成木栓層 離層病原物的侵染和傷害常引起侵染點(diǎn)周圍細(xì)胞的木質(zhì)化和木栓化 形成幾層木栓細(xì)胞 木栓層的作用 阻止病原物從初始病斑向外進(jìn)一步擴(kuò)展 也阻擋病原物分泌的任何毒性物質(zhì)的擴(kuò)散 切斷養(yǎng)料和水分由健康組織輸入到病部 從而形成壞死斑 或使植保素積累到有效劑量 共同抑制病原菌的侵入 葉片病健組織間形成木栓層 離層 abscissionlayer 即脫落層 將受病部位與健康組織隔斷 阻止了物質(zhì)的運(yùn)輸和病菌的擴(kuò)散 受病組織逐漸的皺縮 死亡 隨同病原菌一起脫落 核果類樹木的葉片受病原菌危害后易形成離層 葉片病葉周圍形成的離層 桃穿孔病 產(chǎn)生離層 四 主動(dòng)抗病性的化學(xué)因素 該類抗病性因素主要有過敏性壞死反應(yīng) 植物保衛(wèi)素形成和植物對(duì)毒素的降解作用等 研究這些因素不論在植物病理學(xué)理論上或抗病育種的實(shí)踐中都有重要意義 1 過敏性壞死反應(yīng) 過敏性壞死反應(yīng) necrotichypersensitivereaction 是植物對(duì)非親和性病原物侵染表現(xiàn)高度敏感的現(xiàn)象 此時(shí)受侵細(xì)胞及其鄰近細(xì)胞迅速壞死 病原物受到遏制或被殺死 或被封鎖在枯死組織中 過敏性壞死反應(yīng)是植物發(fā)生最普遍的保衛(wèi)反應(yīng)類型 長(zhǎng)期以來被認(rèn)為是小種?；共⌒缘闹匾獧C(jī)制 對(duì)真菌 細(xì)菌 病毒和線蟲等多種病原物普遍有效 植物對(duì)銹菌 白粉菌 霜霉菌等專性寄生菌非親和小種的過敏性反應(yīng)以侵染點(diǎn)細(xì)胞和組織壞死 發(fā)病葉片不表現(xiàn)肉眼可見的明顯病變或僅出現(xiàn)小型壞死斑 病菌不能生存或不能正常繁殖為特征 對(duì)病毒侵染的過敏性反應(yīng)也產(chǎn)生局部壞死病斑 枯斑反應(yīng) 病毒的復(fù)制受到抑制 病毒粒子由壞死病斑向鄰近組織的轉(zhuǎn)移受阻 在這種情況下 僅侵染點(diǎn)少數(shù)細(xì)胞壞死 整個(gè)植株不發(fā)生系統(tǒng)侵染 2 植物保衛(wèi)素 植物保衛(wèi)素 phytoalexin 是植物受到病原物侵染后或受到多種生理的 物理的刺激后所產(chǎn)生或積累的一類低分子量抗菌性次生代謝產(chǎn)物 植物保衛(wèi)素對(duì)真菌的毒性較強(qiáng) 現(xiàn)在已知21科100種以上的植物產(chǎn)生植物保衛(wèi)素 豆科 茄科 錦葵科 菊科和旋花科植物產(chǎn)生的植物保衛(wèi)素最多 90多種植物保衛(wèi)素的化學(xué)結(jié)構(gòu)已被確定 其中多數(shù)為類異黃酮和類萜化合物 植物保衛(wèi)素是誘導(dǎo)產(chǎn)物 除真菌外 細(xì)菌 病毒 線蟲等生物因素以及金屬粒子 疊氮化鈉和放線菌酮等化學(xué)物質(zhì) 機(jī)械刺激等非生物因子都能激發(fā)植物保衛(wèi)素產(chǎn)生 后來還發(fā)現(xiàn)真菌高分子量細(xì)胞壁成分 如葡聚糖 脫乙酰幾丁質(zhì) 糖蛋白 多糖 甚至菌絲細(xì)胞壁片斷等也有激發(fā)作用 寄主植物受到病原菌侵染后 其防御酶系會(huì)被激活 如 過氧化物歧化酶 SOD酶 保護(hù)細(xì)胞膜免受氧自由基的破壞 提高抗病性 苯丙氨酸裂解酶 PAL 是產(chǎn)生大部分酚類物質(zhì) 包括植物保衛(wèi)素和木質(zhì)素生物合成的基本分子 多酚氧化酶和過氧化物酶等 多種酶類共同作用催化木質(zhì)素 植物保衛(wèi)素的生物合成 在植物的抗病反應(yīng)中起作用 3 解毒酶 五 植物避病和耐病的機(jī)制 植物的避病和耐病構(gòu)成了植物保衛(wèi)系統(tǒng)的最初和最終兩道防線 即抗接觸和抗損害 這種廣義的抗病性與抗侵入 抗擴(kuò)展有著不同的遺傳和生理基礎(chǔ) 1 植物避病的機(jī)制 植物因不能接觸病原物或接觸的機(jī)會(huì)減少而不發(fā)病或發(fā)病減少的現(xiàn)象稱為避病 植物可能因時(shí)間錯(cuò)開或空間隔離而躲避或減少了與病原物的接觸 前者稱為 時(shí)間避病 后者稱為 空間避病 避病現(xiàn)象受到植物本身 病原物和環(huán)境條件三方面許多因素以及相互配合的影響 植物易受侵染的生育階段與病原物有效接種體大量散布時(shí)期是否相遇是決定發(fā)病程度的重要因素之一 兩者錯(cuò)開或全然不相遇就能收到避病的效果 對(duì)于只能在幼芽和幼苗期侵入的病害 種子發(fā)芽勢(shì)強(qiáng) 幼芽生長(zhǎng)和幼苗組織硬化較快 縮短了病原菌的侵入適期 如黑穗菌病 植物的形態(tài)和機(jī)能特點(diǎn)可能成為重要的空間避病因素 小麥葉片上舉 葉片與莖稈間夾角小的品種比葉片近于平伸的品種葉面著落的病原真菌孢子較少 又不易結(jié)露 條銹病和葉銹病都較輕 2 植物耐病的機(jī)制 耐病品種具有抗損害的特性 在病害嚴(yán)重程度或病原物發(fā)育程度與感病品種相同時(shí) 其產(chǎn)量和品質(zhì)損失較輕 關(guān)于植物耐病的生理機(jī)制現(xiàn)在還所知不多 禾谷類作物耐銹病的原因主要可能是生理調(diào)節(jié)能力和補(bǔ)償能力較強(qiáng) 另外 還發(fā)現(xiàn)植物對(duì)根病的耐病性可能是由于發(fā)根能力強(qiáng) 被病菌侵染后能迅速生出新根 發(fā)病后根系的吸水能力增強(qiáng) 能夠補(bǔ)充葉部病斑水分蒸騰的消耗 六 植物的誘發(fā)抗病性及其機(jī)制 誘發(fā)抗病性 誘導(dǎo)抗病性 是植物經(jīng)各種生物預(yù)先接種后或受到化學(xué)因子 物理因子處理后所產(chǎn)生的抗病性