植物病原体相互作.ppt

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1、第二章,植物病原体相互作用 结构基础,(活体营养型)寄生菌和(死体营养型)腐生菌侵染宿主植物的方式是不同的。死体营养型杀死宿主细胞是为了从中吸取它们的营养，而作为活体营养型在植物细胞中有一个很长的共生阶段，而且还能在侵染过程的初始阶段能够促进宿主的新陈代谢。在宿主与病原物交界组织坏死的部位，能够促进死体营养型的生长而抑制活体营养型的生长。,在寄生菌(活体营养型)和腐生菌(死体营养型)的影响下，宿主植物的结构和超微结构的变化是不同的，并且这些变化是病原菌所采用侵染模式类型的一个很好标记。半寄生半腐生的病原菌与完全腐生的病原菌相比，引起宿主植物的超微结构变化要相当小，而比寄生病原菌所引起的变化要大

2、。尽管植物的病原菌有丰富的多样性，但是我们将会研究在寄生菌和腐生菌这个生物体系中的一些植物病原菌。,在侵染过程中植物和病原菌结构变化,使植物致病的病毒，作为一种寄生病原菌，侵入植物的细胞之中，并在植物的细胞质中不断地繁殖。在前面的一章中，我们对于病毒的结构、侵染以及繁殖都做出了描述。一些致病的细菌也能够成为腐生或寄生菌。一些腐生的细菌能够引起轻微的腐烂、斑病和枯萎、维管束枯萎、溃烂及斑点病。然而一些寄生的细菌则能产生出菌脓。,寄生真菌像一些粉状、霉状的真菌能够在植物表面生长或者像一些锈病和黑穗病的真菌都能够在宿主植物的内部生长。寄生真菌通常侵入许多植物的细胞中产生出吸收营养的结构，该结构称为吸

3、器。如果离开了宿主植物呢，这些寄生真菌就不能生存。相反，腐生真菌需要宿主植物仅仅作为它生命循环过程中一部分，并且能够在其中繁殖生长或者在死亡的组织中生存。,真菌的侵染是从孢子的吸收营养萌发开始的，这些真菌的孢子吸附在植物的表面并且发芽，图2.1显示锈病中夏孢子的发芽和侵染结构变异的过程。附着胞的形成来自于芽管膨胀的顶端部分，芽管和顶端部分被接近芽管顶端的隔膜分开。纤细的附着管胞就会变成侵染钉，这些侵染钉会引起泡囊的产生。,泡囊形成之后则菌丝开始生长。菌丝细胞的生长就始于泡囊的两端。这个图解就说明了芽管壁就是由夏孢子壁的内层拓展而生成的。由于新的附加层的出现形成了厚的附着丝壁。这些泡囊的壁则是由

4、内层附着壁拓展出来的，因此正是由于这些侵染钉的壁，泡囊壁，菌丝细胞壁的出现才不与芽管壁相连。,温度骤变和化学物质刺激会诱导小麦秆锈病的侵染结构的形成，这个侵染结构是由一个附着胞侵染钉，侵染丝中的泡囊，侵染菌丝有时和吸器母细胞连续组成。在侵染结构的分化时期，细胞核会发生转移。图2.1。最初两个细胞核会从孢子中移到芽管中，而后会进入到附着胞中在哪进行有丝分裂。成熟的锈菌的附着胞会有四个细胞核。第二个有丝分裂会发生在泡囊的形成时期。一个泡囊中或许含有8或16个细胞核。在这个泡囊的两端会有1到8个菌丝生成，每个新形成的菌丝中都会移进2个细胞核。,丝状真菌一个典型的特征就是它们特殊的生长方式：它们的菌丝

5、顶端含有大量的膜包裹的导致膜和胞壁前体的顶端快速生长的小泡群体。生长的菌丝中细胞质的体积不会与它整个体积成正比的增长，并且只是集中在它们的顶端部分。液泡都是在真菌空出的部位生长，这样就可以使细胞质移到新形成的顶端，这样真菌空出部分就被原生质膜和液泡膜描绘出轮廓。,无论是芽管还是各种致病的菌丝还是各种腐生真菌都有细胞质，它们都还有细胞核，带有片状嵴的线粒体和微丝，管状物，生产小泡的内质网，核糖体，微体，脂肪粒，液泡，微管和微丝。微管形成刚性的骨骼框架，肌动蛋白微纤丝与微管联合构成了广阔的稳固的系统。由膜包裹的小泡和各种类型的液泡在菌丝细胞中是很常见的。在夏孢子中脂质经常是与微体连接在一起的。这些

6、微体可能是作为一种乙醛酸体的作用，并且可能在孢子萌发时期参与脂质的分解。,浏览这张电子显微照片，显示典型寄生病原菌在植物叶片表面的萌发和生长。夏孢子，黄锈菌的孢子，在小麦叶子表面的萌发。芽管在没有形成附着胞的情况下沿着小麦纵向的轴心垂直生长并且穿透气孔。锈菌的这种朝着气孔的定向生长可能是对植物上表皮蜡状物血小板的分布和织物表面形状做出的趋性。如果这些蜡状物被有机溶剂溶解掉，那么芽管将不能粘附在植物表面。锈菌的芽管是沿着植物叶片的纵轴显著地垂直生长，并且与平行于宿主植物的叶脉呈九十度直角。每一个分生孢子都能产生3到5个能够产生出表面带有乳状突起的菌丝和附着胞的芽管。,图2.2：electron

7、micrographs of the germination and further development of biotrophic pathogens on plant leaf epidermis,很多在叶片侵入的病原菌，无论寄生的还是腐生的，都是通过刺穿植物表皮细胞的外壁而侵入植物细胞内的。例如，寄生的erysiphe sp和腐生botrytis sp 它们都是直接刺穿植物表面的细胞壁进入细胞内部而不是通过气孔进入的。图2.3详细解释了E.orontii在植株叶片表面上的发展（Arabidopsis）。E.orontii的分生孢子产生出可以黏附在植物叶片上表皮的芽管。而后，附着胞就在

8、芽管顶端膨大的部位形成。然后从形成附着胞的基础位置开始形成侵染钉刺穿植物厚厚的外表皮，进入植物细胞内部。随后就在植物表皮细胞的内部，侵染钉的顶端形成吸器。,完整的侵染结构是在体外分化而来的，它是由芽管，附着胞，泡囊，和侵染菌丝组成的。P.graminis的附着胞在体外经过温度的骤变和其他的刺激能够形成，且在体内经过真菌和气孔或者和背斜的（向外倾斜的）胞壁连接点上的沟槽之间相互作用后形成。如果植物的细胞失去了膨压或者死亡，那么在植物的表面就不会有附着胞生长。孢子，芽管和附着胞是靠分泌粘液的鞘把他们黏在植物细胞的表面。,P.graminis附着胞主要是在气孔上形成的，而E.orontii的附着胞则

9、通常位于穹状的壁上，并且每一个附着胞都有横向的突起，并且细小的渗透钉是在突起下面生成的，然后刺穿植物表面细胞的外壁。锈菌和粉末状霉菌的附着胞在特殊触动刺激的条件下能够形成，甚至是在具有划痕的人工膜上也能形成，像Puccinia sp.和Erysiphe sp.就能形成椭圆形状的附着胞。,腐生真菌葡萄孢属灰霉菌的孢子是由能承受大的顶端的指状的附着胞或固着器的芽管发育成的。这些附着胞通常是由与宿主植物表面反复相连的菌丝的分支形成的。葡萄孢属灰霉菌是靠菌核这样组织来越冬的，这个组织有拟薄壁组织结构，这个结构是由包裹着菌丝体的线状物组成。,当锈状的菌丝细胞与主要的植物叶肉组织细胞建立联系时，菌丝的顶端

10、部分就会被隔膜划分开并且最终形成吸器的母细胞。之后真菌的细胞核，线粒体，核糖体，内质网，淀粉粒从HMC中移动到吸器里，并且只有真菌的原生质膜，液泡留在HMC中。而等离子体膜和吸器母细胞HMC之间仍然保持着联系。年轻的P.graminis，Uromyces fabae和E.orontii他们都有一个椭圆形的吸器，但是当他们成熟时这些吸器就会变成球形。E.graminis的吸器是非常独特的，在小麦的表皮细胞中它含有一个像指状物投影的身体。,在其他真菌生活史循环中发现吸器的细胞质含有相同的基本组成物质,糖原颗粒和脂肪粒含有存储器。它们在真菌中大量存在而且种类丰富并且分布不同。在吸器的生活史中脂肪粒的

11、大小是不断生长的，轮纹状的膜的聚合物通常出现在成熟或者老的吸器的外围，在孢子的形成的过程中脂质和糖原不断地积累贮存，在孢子萌发的过程中则不断地利用这些脂质和糖原。,寄生病原菌的繁殖体会形成大量的表面（霉状物、粉状物）或者菌丝体细胞（锈病、黑穗病）。图 2.6。一个落在小麦叶片表面夏孢子会长出一个芽管和一个附着胞。附着胞的作用就是伸入到邻近的保卫细胞中，并且在叶片气孔下的缝隙中会产生出一些气孔下的小泡。两到四个菌丝细胞来源于泡囊两端的生长。当菌丝细胞顶端与植物叶肉细胞相互作用时菌丝细胞顶端就会停止生长，黏附在植物细胞壁上形成吸器母细胞。这个锈病的吸器母细胞进一步发展就能够通过一些对宿主细胞壁降解

12、的酶和外来机械压力的作用刺穿这个带病宿主主要的叶肉细胞。,从哪以后,菌丝细胞顶端开始生长到宿主细胞的内腔中,并且形成管状的吸器颈。这个吸器的顶端会不断地蔓延形成整个吸器的身体。宿主的细胞核，叶绿体和其他正常的细胞器会移动到吸器的周围。在细胞周质间隙(壁膜间隙)中的吸器会在胞壁和原生质膜的收缩凹入的部分之间形成。图2.6和2.7B,图2.7P.graminis intercellular mycelium and haustoria,图 2.7 显示的是被小麦锈病侵染的小麦叶片。小麦的表皮细胞被锈病的菌丝体细胞所彼此分开图2.7 A。吸器的母细胞黏附在植物的细胞壁上。图 2.7 B 显示的是在侵

13、染的小麦的叶肉细胞的内部以及含有菌丝体细胞的细胞空间。吸器母细胞被隔膜从吸器的剩余部分中分离出来。它能引起一侧菌丝分枝的生长。吸器母细胞的收缩会引起它的细胞质移动到生长中的吸器中，这一点能在植物叶肉细胞壁和原生质膜之间的细胞周质空间中被看到。,图2.7C显示了锈菌的吸器在小麦叶肉细胞的里面。球形的吸器身体和薄的圆柱形的吸器的颈被含有叶绿体的细胞质和薄的植物叶肉细胞所围绕。在图2.7D中小麦的叶肉细胞中可以看到吸器的身体和颈。在颈的中间部分我们看到吸器的条带。,真菌主要是靠孢子来进行传播的，并且真菌孢子的类型和功能有很大的变化。一些病原菌，像小麦杆锈菌，能产生几个类型的孢子图2.8和图2.9。这

14、些真菌主要通过夏孢子来进行传播，它是在一个称为夏孢子产孢细胞的结构中形成的。在它的营养阶段中能产生出七代夏孢子。当植物开始衰老时，冬孢子会在夏孢子产孢细胞的边缘形成。,在接下来的春天里，经过一冬天的冬孢子开始萌发，并且形成一个称为担子的结构，这个结构能产生出担孢子。萌发的担孢子能引起产生异宗配合的性孢子器，性孢子器形成性孢子。促进和抑制刺激性孢子的融合物结果就会形成双核菌丝和锈孢子。因此小麦锈菌能够形成五种类型的孢子：夏孢子，冬孢子，担孢子，性孢子，锈孢子。,真菌孢子新一代的形成来自于各种类型的分生孢子，图2.9B。粉状霉菌（白粉菌）不会形成假薄壁组织体，它表面的菌丝体会产生大量的分生孢子梗，

15、这些来源于菌丝的分生孢子梗垂直生长。图2.9C 是从分生孢子梗的顶端分离的成熟的短期的分生孢子。图 2.9 的显微照片详细阐明了灰霉菌，小麦秆锈病菌和E.orontii菌的孢子形成。在灰霉菌侵染的植物组织上，大量的分生孢子梗着生着大量着色的，单细胞卵形的分生孢子，图 2.9。锈菌的夏孢子和冬孢子在假薄壁组织体的顶端的突起上形成。,图2.9 B是小麦杆锈菌的一个夏孢子。夏孢子的形成要通过叶片表面的表皮细胞的裂缝。年轻的夏孢子的表面是光滑的，而成熟的夏孢子的表面则是有小刺的，并且在它们的表面长有200 到300 个圆锥形的体刺。这些体刺的最初会在年轻的夏孢子的细胞壁上作为一种小的隆起物形成。这些隆

16、起物不断增长会降解初生壁，并且次生壁的物质会被堆放到初生壁的中心。,图2.9 C 表面的菌丝会产生垂直生长的分生孢子梗，成熟的分生孢子会在这个分生孢子梗的顶端部分生长，脱离。它们会被分配到宿主植物的表面，借助与空气传播到邻近的其他宿主植物的表面。,植物细胞抵抗病原菌侵染的结构特征,植物抵抗大多数的病原真菌，并且仅有一些病原真菌则需要侵入到特定的宿主植物组织的能力，来压制宿主植物的抵抗。表层蜡状物，角质层，和具有丰富多聚糖的细胞壁是第一道用来抵抗病原菌的防线。病原菌破坏这些防线侵染到植物细胞中，宿主植物这种做出防御回应的有效性取决于它回应的速度和病原菌侵入量。宿主植物的防御是先于宿主细胞对病原菌

17、的识别。,植物是怎样识别病原菌并且激活防御系统的现在任然没有彻底的弄清楚。所有多细胞的器官都已经发展出来了一套用来避免潜在微生物侵入的机制。在自然环境中，植物会遇到大量一系列病原菌的侵染，例如一些细菌，真菌，还有病毒。在建立侵染的时期，成功有效地侵染或者有效地抑制侵染都依赖于宿主和病原菌的接触面。一个活的细胞在接触面是能够抵抗病原菌的。植物缓慢和被动的反应能够导致病原菌不断地繁殖。在接触面宿主植物抵抗病原菌基因的表达是非常接近于真菌菌丝的生长点，这样就能有效地抑制病原菌的发展。,寄生病原菌的侵染,专性的寄生菌包括一些能够引起绒毛状的霉状物，粉状的霉状物的病害，黑穗病和锈病，病毒，类病毒，一些专

18、性细菌，线虫，原生动物，真菌和一些卵菌纲病原物，它们能与宿主的细胞建立长期的寄生关系，能够随着植物的代谢产物连续流动。在侵染过程中的最初阶段，寄生病原菌能刺激植物的代谢过程，例如光合作用，呼吸作用，营养吸收并且建立一个侵染网。这些病原菌会保持在活的宿主细胞中作为长期食物的来源用来形成大量的孢子。,在寄生关系形成后，真菌孢子开始萌发，并且侵染结构开始形成，但不会引起宿主超微结构的退化改变。在电子显微镜下你会第一个看到发生在植物细胞和细胞质中的变化，吸器的母细胞会黏附在细胞壁上并且细小的吸器会侵入到植物细胞的内腔中，类似的白粉病也会引起细胞质的这种改变。附着胞黏附在植物细胞壁上并且形成侵染钉侵入到

19、植物的细胞壁中（图2.3）。,在侵染钉的周围，植物原生质膜开始收缩并且产生出大量的小泡，在宿主的细胞质中试图侵染的体系中小泡的出现以及其行为表达是受基因控制的。一些真菌进入时分泌的蛋白最近在进行研究，PEN2蛋白质是一种糖基化酶，局部氧化酶，并且它扮演一种病原菌诱导入侵前的抵抗机制。,年轻的新陈代谢的旺盛吸器含有细胞核，线粒体，核糖体，内质网，小的液泡，而老的吸器含有少量的线粒体，核糖体和内质网，巨大的液泡，脂质球和外围轮纹状膜。尽管寄生真菌的吸器可以作为细胞结构，但是他们不能侵入到细胞质中。相反，在穿透侵染时期，它们收缩宿主细胞的原生质膜并且使宿主周质空间不断扩大。,这个吸器与宿主细胞质的接

20、触面被命名为外吸器基质.这个外吸器基质被一个叫做外吸器膜的宿主原生质膜凹入部分所围绕着一边，并且另一边是吸器壁的外表面。吸器与外吸器基质和外吸器膜一起作为了吸器的组织器官。宿主的原生质膜被吸器凹入的部分与没有凹入部分不同：密度大，厚度增加，多聚糖增加，并且在植物细胞壁的微纤维综合体中有大量的多酶附和体参与。而在真菌吸器膜和没有凹入的植物细胞膜中都存在ATP，为吸取营养提供能量，在外吸器膜上就缺乏ATP，因此没有控制营养物质穿透膜的能力。,在整个吸器生长的同时会伴随着围绕着吸器的植物内质网的增值（产生小泡）。此外，这些内质网小泡与外吸器膜平行排列并且在一个两极面模式中：离吸器近的小泡不是颗粒状的

21、而离吸器远的则是颗粒状的并且表面粘附很多的核糖体。那些没有被侵入的叶肉细胞通常含有颗粒状的内质网，这种围绕着吸器的内质网小泡的容量与外吸器母体有相同的密度。这一发现表明内质网衍生出的物质会被释放到外吸器基质(EHM)中。,另一个寄生真菌侵染的特征是真菌吸器与宿主细胞核之间的亲密关系，在吸器的分离程序中，分离甚至都不能破坏这种关系，一些分离出的吸器仍然粘附着宿主的细胞核。在宿主细胞核中染色体间的区域密度与吸器的增长有关联，并且与细胞核中的RNA同时增加，吸器的侵入也引起了宿主细胞的重组。一个没有被侵染的叶肉细胞含有一个被细胞质外层所围绕的中心大液泡。相反，在侵染的宿主细胞中细胞质含有内质网，线粒

22、体，叶绿体和别的细胞器，它们都向吸器移动并且围绕着它。,宿主的一些黏附在外吸器膜（EM）上的细胞器也会被改变：叶绿体的高级结构就会被打乱，并且大量的片层（类囊体）结构就会减少。这些发现都表明宿主的光合产物都被释放到外吸器基质中。在吸器侵染的最后阶段，内膜系统的这种改变会更加显著，并且结果导致宿主细胞器的降解。例如，在叶绿体上脂肪粒体积会不断地增加。,有趣的是，吸器诱导的宿主细胞器超微结构的改变与那些正常的细胞器在衰老过程中所表现出来的特征很相似。这就表明那些在吸器周围的细胞器在经受过早的衰老。在吸器成熟的过程中，紧紧地被膜包装的复合体在宿主的细胞质中围绕着吸器，它是由平行方向的无颗粒的管状的内

23、质网小泡组成，这些小泡与内质网和高尔基体的膜有关联，这种现象是在锈病和绒毛的霉菌（白粉病）的吸器周围被发现但在没有侵染的细胞中却没有发现。,（2.10 A）通过吸器颈和身体进入到小麦叶肉细胞的部分也就是P.graminis H M C(吸器母细胞)的部分。宿主的细胞器：内质网，多聚核糖体，高尔基体和微体都集中围绕着吸器。（2.10B）在电镜下不透明的吸器身体被薄的明亮的外层吸器的基质和不透明的外吸器膜所围绕。叶绿体和线粒体紧紧地黏附在外吸器膜的表面。与叶绿体相邻的外吸器基质中含有许多的液泡。,吸器的形成是寄生真菌与宿主植物相互作用关系的标志之一，并且在病原菌的营养吸收中扮演着重要角色。正常吸器

24、的生长是病原菌建立寄生关系的必要条件，是吸器和宿主植物之间建立活体营养寄生关系重要目标的信号之一。例如，关于单胞锈菌属病原菌最近的研究表明，锈菌的转移蛋白1（Uf-RTP1p）和它的同系物Us-RTP1p在外层吸器基质和没有被侵染的植物细胞中都有发现。这些蛋白质从吸器中被运输到侵染的植物细胞中并且能运输到细胞质和细胞核内。Uf-RTP1p在宿主细胞质和细胞核中的浓度会增加吸器的成熟。对RTP1p的定位表明它可能在维护寄生关系中扮演一个重要的角色。,另外，一些己糖运输物HXT1和公认的氨基酸运输物都在锈菌和粉状霉菌的吸器中被发现，并且会被高度表达。但是在侵染结构和菌丝细胞这样的早起结构中却没有检

25、测到，HXT1位于吸器的等离子膜上并且它有对底物D-葡萄糖和D-果糖的特异性。从它的位置及它是进行生化反应的必要条件可以看出，从植物质外体分离的吸器的器官是为从宿主植物上夺取营养服务，并且能使寄生的真菌与在自然条件下的宿主植物器官产生竞争。,胼胝体聚集物是受到伤害的高等植物和受到其他各种类型侵染时植物的一种非特异性反应。这种多聚糖胼胝体在电子显微镜下是透明的。大多数透明的胼胝体都会聚集在新陈代谢旺盛的吸器周围，这些吸器含有这种多聚糖，并且这种多聚糖是吸器的主要组成成分。这种胼胝体包含乳状突起，颈圈和套装（包装物），这些都会在一个收缩入鞘的原生质膜表面形成，并且作为对入侵病原菌的非特异性反应的一

26、个部分。在病原菌试图侵染的叶片表面上会出现这种乳突状的胼胝体分布在侵染点的周围。,这种乳状突起用1%的苯胺着成蓝色后在紫外光下照射会发出荧光。图（2.11）展现了这种乳状突起在thlaspeos锈菌侵染时在拟南芥的叶片上的形成。遏蓝菜柄锈菌锈菌的担孢子形成芽管和小的附着胞。巨大的乳状突起聚集在真菌的侵染点。我们会看见这种胼胝体沉积物的白色条带，它在宿主植物细胞壁内作为宿主植物对病原菌侵染的一种回应。锈孢子会在拟南芥植物的叶片上萌发，产生附着胞。附着胞侵染钉的侵染会诱导产生出乳状突起。,在这种寄生关系中，很多孢子会进入植物的组织器官并且会引起真菌的复制克隆以及新孢子的形成和萌发。而在一些没有这种

27、寄生关系的真菌中，大多数孢子不能进入到植物细胞内。在这种情况下，侵染钉的生长就会被植物做出的回应（胼胝体分泌物，含有Si成分的物质，木质素和细胞壁的前体细胞）而终止。病原菌和宿主没有这种相容寄生关系的结果就是在病原菌试图侵染时胼胝体直接形成（2.11A和2.11B）。在不兼容结合体中，试图侵染场所中仅有一小部分显示吸器形成。,这些被侵染的细胞中，大多数被侵染的细胞都会遭受像细胞死亡这样的过敏反应，该反应在整个细胞处于荧光下时可被观察到。如果这些胼胝体沉积物形成，那么它们就会围绕这些刚形成的吸器周围。之后，这些纤维素微纤维就会在侵染钉和吸器的周围出现。这些新形成的胞壁物质就会围绕着侵染钉和吸器周

28、围来阻止植物的代谢物在宿主植物和病原物之间交换流动，通常胞壁物质仅出现在代谢低和坏死的吸器周围。,我们不会看到在真菌吸器和宿主细胞质中细胞之间的任何联系。植物和病原菌之间共质体联系的缺乏表明了病原菌吸收的大部分宿主溶解物都要穿过外层吸器基质通过非质体的运输。宿主和真菌的膜沿着颈带或者吸器的轴环的这种紧密联系看似是阻止宿主的营养从外层吸器基质中向质外体中释放，因此只能迫使通过外层吸器膜来对宿主营养物质的摄入。换句话说，这个颈带的形成更可能是导致吸器在外吸器膜上发展成一些特异性运输蛋白的膜，能够调节吸器上营养物的进入和进出。,菌丝细胞是直接从宿主细胞中获取一些营养物质并没有通过吸器的通道来获取营养

29、。但是一些糖的流动（从植物体向锈菌和粉状霉菌中流动）很大一部分要通过吸器中的设备。真菌关于营养物质吸收的这部分基因的特异性表达就是吸器。例如，从广泛的大豆叶片中所分离的U.fabae吸器，在植物体中表达诱导PIGs即（不会有芽管，附着包，泡囊或者HMC的表达）基因存在的差异。,PIGs cdna基因的序列分析表明了基因在编码有关氨基酸运输，硫胺素的生物合成，短链脱氢酶，金属硫蛋白，细胞色素P-450单氧酶和肽基-脯氨酸异构酶相关蛋白上存在相似性。粉状霉菌，锈菌和病毒的侵染会导致非原生质体单糖类的水平增加，这种单糖类的增加会导致细胞壁转化酶变得活跃，这种酶能促进蔗糖分解成葡萄糖和果糖。病原菌这种

30、胞壁转化酶的特异性诱导在被感染马铃薯Y病毒的烟草叶片上报道，这种病毒能侵染拟南芥造成其叶片出现白色泡状锈菌并且也能诱导Atfruct1这种胞壁转化酶。,粉状霉菌侵染拟南芥的叶片也会产生这样一个关于糖运输蛋白（AtSTP4）增长的结果。报道者发现含有AtSTP4融合了（GUS）启动子的基因会显示该启动子主要活跃在地下组织部分像根和一些非叶片上。然而，粉状霉菌侵染后在成熟的侵染叶片上会诱导启动子的活性并且会在六天的实验观察中发现该启动子的活性会一直增加。这些表达模型的改变表明病原菌会扮演一个额外的地下部分组织与植物的地下部分竞争的结果，这样会导致宿主植物吸收，再分配会发生相当大的改变。,腐生菌的侵

31、染,植物病原菌的很大一部分都是腐生真菌和细菌，腐生菌主要是通过在表皮角质层小的伤口或者破裂来侵入到植物体内或者直接通过气孔。与寄生菌相比它们繁殖体的萌发和穿透则需要更多的营养，它们通过过滤植物周围组织来获取所需要提供的营养。因此成功的腐生菌的侵染很大程度上依赖于侵染机构的条件。例如，开始衰老的器官与嫩的或成熟的没有损伤的组织相比更容易被感染，因此，植物组织器官对于腐生菌侵染的易感性在单独的宿主植物上从一个器官到另一个器官是会发生很大的变化。,为了吸取宿主植物的营养，腐生菌增加了植物膜的通透性并且产生出大量的活性酶来破坏宿主的抵抗。不像寄生菌那样，腐生菌在某种条件下侵染前后能够杀死宿主细胞。腐生

32、菌怎样破坏胞壁的障碍引起了学者很大的兴趣。因为腐生菌通常有很低的纤维素活性，因此植物组织的纤维素微纤维任然完好无损。相反，在植物胞壁上的果胶似乎作为了真菌首先降解的靶子，并且因此大量关于腐生病原菌的研究焦点都集中在果胶的结构特征上。果胶酶降解中间层，初生和次生壁的果胶，并且为其他的像纤维素酶，蛋白酶，和磷脂酶创建通道。,腐生真菌的侵染,腐生真菌通常生活在植物的残骸中并且当条件适宜病原菌时会引起侵染。如果当在接种体上的孢子达到很高的浓度就会形成自我约束，一些寄生菌则不会萌发，而腐生菌则能很好的萌发并且能在很高的孢子浓度的情况下很快的侵入到植物组织内部。在一个侵染的叶片上灰霉病的分生孢子的浓度关于

33、病变的形成有协同效应（成正比）。因此，关于一些豆类病变的量直接与接种体上孢子浓度成正比，并且低孢子浓度能够引起小的不扩散的病变而高浓度则会使病变迅速的扩散。,我们对一些常规机制的理解和腐生菌特异毒性的理解都滞后于我们对于其他病原菌毒性的理解。腐生菌在毒性机制上存在多样性，包括一些对植物抗微生物化合物（植保素和预制化合物）的脱毒和细胞壁的分泌物降解酶，毒素，肽和小分子蛋白质。一些分泌酶也是真菌的次级代谢产物，例如一些真菌毒素，这对于腐生菌作为特异性和非特异性来说是特别重要的。在腐生真菌的基因组序列中这些大量的次级代谢物的基因表达被反应出来，例如葡萄孢属，镰孢菌，旋孢腔菌属和稻瘟菌。,灰质葡萄孢属

34、是一种典型的兼性腐生真菌,在许多植物种类中它是灰霉病的病原菌。在1888年，Marshall Ward证明了植物细胞的衰竭要先于葡萄胞菌的侵入。我们现在知道真菌毒性的复合物在葡萄胞菌的致病性中扮演着相当重要的角色，因此在寄生关系建立之前不得不杀死宿主的细胞。特别是，它能引起拟南芥的细胞的侵染位点膜结构的质壁分离和改变，这种变化不是由生长的菌丝所引起的。当菌丝仍然在叶片上时病原菌也能诱导细胞发生质壁分离。局部的质壁分离会改变宿主的膜结构并且之后被侵入的细胞衰弱和坏死会在用绿色荧光蛋白标记的拟南芥细胞中的内质网，线粒体和细胞质中表现特别明显。,葡萄胞菌侵入到宿主植物的组织内部之前菌丝的生长要滞后于

35、拟南芥膜结构的改变。这些标记的条带清楚的显示了葡萄胞菌的菌丝侵入到宿主细胞内导致植物原生质膜，内质网，线粒体，叶绿体，细胞核和细胞壁的破坏。（图2.12）显示了初期的和晚期的葡萄胞菌在拟南芥的叶片上的侵染区域。真菌的果胶溶酶引起周围拟南芥叶肉细胞的质壁分离：植物的细胞质与细胞壁分离并且会集中到细胞的中央。,2.12.electron micrographs of initial and advanced B.cinerea colonization of Arabidopsis leaves,腐生病原菌通常在侵染的早期阶段会分泌一些降解细胞壁的酶（CWDE s）。因为菌丝的侵染能够引起表皮细胞

36、的外层胞壁肿大，而这种胞壁降解酶的产生被认为有助于真菌侵染一些在表皮细胞外层带有蜡状物和角质层覆盖物的胞壁。腐生病原菌果胶溶解酶的分泌在侵染入口和传播过程中有着深远的影响。这些果胶溶解酶能先于病原菌的扩散并且引起中间层的降解，因此使植物细胞一个一个的分离。（图2.12和2.13）拟南芥的叶肉细胞被生长的菌丝所浸软。（图2.13）.,2.1 3.tissue degradation in Arabidopsis leaves colonized by B.cinerea.,在葡萄胞菌孢子萌发的过程中果胶酶的活动程度和在曲霉菌孢子萌发过程中果胶酶的活性很相似。曲霉菌是真菌果胶酶生产最高者之一，并且

37、它是应用在生物技术中的果胶酶的重要来源。在葡萄胞菌和曲霉菌孢子的萌发中果胶酶的活性要明显高于在它们的菌丝体中。在葡萄胞菌分泌的降解细胞壁的酶中，带有基本等电点的内切多聚半乳糖醛酸酶是首先分泌酶之一，这种酶的活性能在外层侵染区域表示为主要探测的蛋白酶原而其他的内切多聚半乳糖醛酸酶仅仅能在病变中心被探测到。,因为内切多聚半乳糖醛酸酶显示了浸解和杀死的活动，所以植物细胞的死亡或许并不仅仅是浸解的结果。葡萄胞菌的菌丝降解中间层因此能增长细胞的空间（图2.12A）。在这些侵染位点真菌菌丝的生长能迅速利用植物的营养，以至于植物细胞看起来仅仅是叶肉壁和植物细胞质剩余的部分。,正如上面所讨论的，在建立侵染时期

38、，成功的促进和抑制病原菌的侵染很大程度上取决于宿主和病原菌发生侵染关系的接触面。一个活跃的植物细胞能对病原菌的侵入做出抵抗的反应。植物细胞缓慢和消极的反应则能导致病原菌有效地侵入。基因芯片技术的分析揭示了在侵染位点周围大量的拟南芥基因表达的差异。,这些基因很多的编码MAP激酶，WRKY转录因子和致病性相关蛋白都会在病变处被诱导，但是在远一些的叶片上则不会表达或者表达水平低。这些蛋白表明了具有防卫作用。总体全面的转录分析，特异性信使RNA的测量水平以及转入嵌合体GUS启动子融合物的转基因植物的测光密度计分析都能显示出与致病相关基因的诱导，例如在侵染位点周围PR1，BGL2，PR5,PGIP2，G

39、ST1和PDF1.2要高于离病变远点的组织。,图2.14表明了仅仅在葡萄胞菌侵染病变的周围PR1的诱导，而GST1在病变处和离病变处远点的叶片上都能被诱导。这些结果表明了大多数防御反应的活动都会发生在细胞的侵染位点周围，并且其主要的角色就是牵制病原菌的侵染体系。这种在离病变处远的叶片上相关基因的低水平表达可能是限制二次侵染。这种在宿主和病原菌之间接触面的植物细胞的凋亡和坏死会刺激葡萄胞菌的生长和发展。这种决定抵抗和感病的场所经常发生在侵染前线，这个侵染前线是一个非常小的区域这个区域被称为宿主和病原菌的直接关系区。,腐生细菌的侵染,许多致病性的细菌都是腐生的。它们通常通过气孔或伤口进入到宿主组织

40、当中。这张电子显微照片显示了假单胞菌属绿脓杆菌的在拟南芥LL-O的叶片上叶表皮细胞气孔处的堆积物。图2.15,在侵染到植物组织之后，细菌会集中在气孔下腔凹处和细胞间的空隙中。在侵染的早起阶段，除了气孔下腔凹处的细胞和受伤细胞表现出质壁分离外大部分细胞都是完整无损的，这些存在问题的细胞的细胞器会被分解。图2.16 就是假单胞菌属绿脓杆菌在拟南芥表皮细胞的堆积，并且通过气孔侵入到气孔下腔。细菌细胞会黏附在植物表面的气孔上也会黏附在叶肉细胞壁和表皮的细胞壁内部巨大的气孔下腔上。,在侵染后期，细菌会在细胞的空隙中增值并且沿着叶片由上往下传播。实际上很多表皮细胞都会由于中间层的破坏而被分离开来，并且随后

41、细胞间的空隙会增加相反的细胞的体积会减小。叶肉细胞的收缩大多数可能是宿主细胞内的营养物质被增值的细菌所吸收的结果。,细菌的侵染会对宿主的细胞壁和细胞质和细胞器以及一些位点和组织有很大的影响。宿主细胞破坏的第一个表现就是在与细菌的接触面轻微的质壁分离和细胞膜结构收缩（叶绿体，内质网，和高尔基体）。细菌的增值会导致宿主细胞器的重分布，变化以及之后的破解。在之后的侵染过程中，外层叶绿体膜会变得肿胀，并且他们的基质类囊体和宿主线粒体嵴也会被破坏。另外它们之间的骨架会被破解，并且细胞器包括叶绿体在细胞中会被重新分布。宿主的原生质膜会变成波浪形。植物的细胞壁会由于细菌果胶溶解酶的降解变薄而且高度盘旋。,侵

42、染的拟南芥的叶片在冻结断裂处的显微照片，表明了当假单胞菌属绿脓杆菌寄生在拟南芥细胞空隙中时它们会使自己垂直的黏附在植物的细胞壁上图2.17和2.18.我们可以看见在各种胞壁侵染时期，薄壁组织高度盘旋的细胞的表面上的细菌细胞（图2.17）。通常在假单胞菌属绿脓杆菌侵染的拟南芥组织中胞壁的高度盘旋和膜的波浪变化表明了细胞壁很容易受到所有细菌水解酶不同程度的有效降解。此外，我们还能看到在植物细胞中有一个类似假单胞菌属绿脓杆菌直径大小的洞。图2.17我们推测这些洞好像是细菌粘附或侵染的结果，并且好像仅仅在高度盘旋的细胞壁上形成这种外观，因此这些洞标志着细胞壁基质的降解。,相反的，这种高度毒性的假单胞菌

43、属绿脓杆菌PA14，和P.syringae py.maculicola的细菌的细胞纵向粘附在植物组织的细胞壁上，并且不会显示任何的盘旋装，波浪状和洞的特征。除了这三个，还有一些关于细菌的粘附物的资料。人类这种假单胞菌属绿脓杆菌A549菌株也有这种纵向黏附在人类呼吸系统表皮细胞上的能力，这表明假单胞菌属绿脓杆菌能够利用相同的方式黏附在人类和植物的组织当中，并且他们形成洞或许是为了很容易获取宿主的营养。,在叶片系统性细菌侵染期时，大部分泡状的薄壁组织细胞都会被大量的细菌细胞所侵染。图2.18显示了被假单胞菌属绿脓杆菌PA14侵染的拟南芥叶肉细胞之间的结构。侵染的拟南芥叶片会在液氮下冷冻并且在电子显

44、微镜下进行研究。这些显微照片都显示了细菌纵向的粘附在植物细胞表面的内外，并且破坏细胞质，使其浓缩到细胞的中央部分，图2.18。,这些综合性假单胞菌属绿脓杆菌的侵染所导致的结果就是细菌的破坏会沿着拟南芥的叶脉由上往下发展，会从薄壁组织细胞蔓延到下一个组织细胞。假单胞菌属绿脓杆菌在薄壁组织细胞中是为了获取薄壁组织细胞所接收到的来自于韧皮部导管中的光合产物，而其他的腐生细菌会在木质部中被探测到，在哪它们能穿行到很远的距离。宿主细胞的分解是假单胞菌属绿脓杆菌和其他许多细菌侵染的最后一步。,结论,真菌，细菌和病毒这些病原菌会很大程度上影响植物的细胞结构和超微结构。植物病原微生物的多样性能够分成腐生和寄生

45、两个主要类群，尽管有许多病原菌已被分成了半寄生和半腐生的中间体，但是主要的还是这两类。,寄生菌侵染新陈代谢旺盛的年轻的植物细胞。它们会有一个持续相互作用的阶段，在这个阶段它们不会破坏植物的结构直到大量的孢子形成时破坏才会发生。在它们的寄生阶段，寄生菌甚至能在侵染的细胞中刺激新的宿主结构的形成，例如一些新的膜的复合体，高尔基体和两级分化的内质网小泡会形成。这些都是为了研究植物生物合成的机制，主要是通过诱导侵染的细胞与植物生长点竞争的手段和通过刺激开花同化的手段所产生的植物生物合成机制。,相反的，腐生菌则会利用那些老的植物的新陈代谢或者开始衰老的活跃的分解代谢的途径。带有果胶溶酶和蛋白水解酶的腐生菌能够增加膜的通透性，并且能够刺激自我分解。宿主自身的酶机制会向着自己改变，会提炼的单糖，氨基酸，和维生素。这些物质会经过被破坏的高度通透性的细胞膜进入到质外体中。在哪生长迅速的腐生菌会得以利用。在这个过程中植物的组织会被破坏。,