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真菌果胶酶的研究进展


  收稿日期:2006-09-22
  作者简介:黄娟(1981-),女,湖南益阳人,武汉科技大学中南分校生命科学学院教师。
  (武汉科技大学中南分校 生命科学院,湖北 武汉 430223)
  摘要:果胶酶作为植物病原真菌的重要致病因素之一,近年来研究进展较为迅速。本文阐述了果胶酶的分类、结构、功能、表达、以及基因调控,同时对果胶酶在植物病程中的作用也进行了介绍。
  关键词:果胶酶;表达;基因调控
  中图分类号:Q55 文献标识码:A
  
  自1966年Bateman和Millar研究了果胶酶在植物细胞壁降解中的作用[3,4],迄今对果胶酶在各方面的研究进展十分迅速[4]。许多学者利用层析,电泳,放射免疫化学等现代科技手段对果胶酶的生物化学进行了广泛的研究,明确了一些病原菌果胶酶的氨基酸组成,分子量,同工酶数量及酶动力学[1,2,3,5],在遗传学方面,某些果胶酶的编码基因已得到克隆,通过质粒建立了相应的克隆基因库,研究了某些果胶酶编码基因的同源性[4]。在植物病理学方面,为了探索果胶酶在植物病程中的作用,从生理及超微结构上研究了罹病组织内果胶酶的活性;许多学者探讨了在寄主和寄生物自然变异条件下罹病组织内病菌致病性和果胶酶活性之间的相互关系,利用果胶酶进行了病害症状复制,并对果胶酶缺陷型突变株致病性表现型进行了系统的观察、分析,初步证实了高度纯化的果胶酶可以浸解植物细胞壁,病原菌果胶酶的产生及调控与植物发病并非是简单的相互关系。
  
  一、果胶酶的分类及酶的动力学研究
  
  (一)果胶酶的种类
  根据酶所催化的反应类型,果胶酶分为水解酶和转消裂解酶两大类。果胶水解酶类已知有6种,如内聚半乳糖醛酸酶(endo-PG),果胶甲酯酶(PME或PE);转消裂解酶类已知有4种,如内果胶甲基转消酶(endoPMTE)或果胶裂解酶(PNL)、内聚半乳糖醛酸转消酶(endoPGTE)或果胶酸裂解酶(PL)。果胶酶一般都有两种形式endo-和exo-,endo-的形式比exo-的形式更有效,因为endo-形式的酶可以以随机方式作用于底物的a-1,4糖苷键的任何部位,生成各种寡聚体的混合物,而exo-形式的酶仅作用于非还原性末端糖苷键,生成定量的二聚体,所以在罹病植物中endo-形式的果胶酶多于exo-形式。
  1.多聚半乳糖醛酸酶(PG)
  曲霉菌PG最初(1990)从商品的黑曲霉(A.niger)果胶酶分离到5种endoPG 1种exoPG。主要的endoPG为endoPGⅠ和endoPGⅡ,分子量分别为55kDa和38kDa,两者的等电点、比活、对寡聚底物的作用方式及氨基酸组成全然不同。另外3种endoPG即endoPGⅢA,endoPGⅢB和endoPGⅢC的生理活性与endoPGⅠ极相似。其后从黑曲霉基因组文库分离出几个基因,编码的endoPGE分子量35.6kDa,pI=3.6,最适pH=3.8。endoPGE与endoPGC的AA序列同源性最高,有77.6%相同,与endoPGⅠ和endoPGⅡ的同源性较差,分别为57.6%和54.3%相同[6]。米曲霉(A.oryzae)有2种PG,分子量分别为41kDa和39kDa,最适pH为5.0,最适温度分别为45℃和55℃[7]。黄曲霉(A.flavus)两个PG基因即pecA和pecB,前体蛋白预期分子量分别为37.6kDa和38kDa[8]。其它曲霉菌,如 A.ustus的endoPG分子量为36kDa,pI=8.3。A.parasiticus的endoPG基因pecA用黑曲霉pgaⅡ做探针分离到,与其它真菌的PG基因极相似。A.tubigensis的endoPG基因pgaⅡ与 A.niger的pgaⅡ基因的核苷酸序列有83%相同,前体蛋白AA序列94%相同。
  灰霉菌(Botrytiscinerea)PG最初从在苹果果胶上培养的灰霉菌分离得到5种PG同工酶(Ⅰ—Ⅴ),4个酸性,1个碱性,pI分别为9.3、4.9、4.6、3.7、2.7,其中以PGⅢ比活最高,PGⅠ为内切酶,另4种为外切酶。后来从灰霉菌引起的苹果腐败组织中分离到1种exoPG,表观分子量为45kDa,pI=4.6,与此菌在液培时产生的同工酶的pI、最适pH和作用方式相似。另用A.niger的pgaⅡ基因做探针从灰霉菌分离到6个endoPG的编码基因,这6个基因编码的endoPG前体的氨基酸序列有34—73%相同,可分到3个单源(monophyletic)组中[9]。
  镰孢菌(Fusariumspp.)的PG番茄尖镰孢(Fusariumoxysporumf.sp.lycopersici)一种主要胞外endoPG前体蛋白分子量41.1kDa,成熟蛋白推算分子量为35.5kDa,pI=6.2,与F.moniliforme的PG,C.carbonum的PGN1,A.niger的PG,A.oryzae的PG,和S.sclerotiorum的PG1分别有82.9%、29%、27.6%、14.2%和26.9%同源性[10]。
  番茄根腐尖镰孢(F.oxysporumf.sp.radicis.lyc-opersici)在降解果胶时先产生endoPG,以后以exoPG为主。exoPG与其它真菌的endoPG相似程度高[11]。串珠镰孢(F.moniliforme)也有一种endoPG。
  其它真菌的PG菜豆炭疽病菌(Clletotrichumlindermuthianum)已有2个endoPG基因被克隆,其中pg1编码主要的endoPG,这个基因在病菌腐生时和在侵染植物时都表达。在菜豆坏死组织中检测到,与细胞壁大量降解有关,RT-PCR表明在侵染的死体营养阶段开始时pg1表达。pg2与pg1AA序列有61%相同,与其它真菌的endoPG有37%-59%相同[12]。
  核盘菌(Sclerotinia sclertiorum)的endoPG有多种等电点不同的同工酶,其中pg1是一种中性蛋白,endoPG2和endoPG3的等电点分别为4.8和4.9,分子量相似,氨基酸组成上仅在天冬氨酸,天冬酰胺组成上不同,与PG1氨基酸序列分别有90%和89%相同。用PG3制备的抗体与PG2有交互反应,但不与黑曲霉PG反应。endoPG由多基因家族编码,7个基因构成这个家族的2个亚家族。比较这个基因家族的3个成员的编码区的核苷酸序列,发现差异很小[13]。北方核盘菌(S.borealis)有1种特殊的喜冷endoPG,分子量为40kDa,等电点为7.5,最适pH为4.5,适温为40—50℃,在5℃仍有30%的活性,60℃时活性弱[14]。
  玉米圆斑病菌(Coboluscarbonum)的1个endoPG基因pgn1和1个exoPG基因pgx1已分离到,pgx1产物PGX1前体推算分子量为48kDa,与A.tubingensis的exoPG有61%氨基酸相同。Pgx1突变菌系在果胶上生长慢,对玉米仍致病,pgn1/pgx1双突变菌系尽管PG活性只及野生型1%,但仍对玉米致病[15]。青霉菌P.oxalicum有2种PG,PGⅠ不太稳定,为外切酶,PGⅡ为内切酶,活性强,4小时内可浸解和杀死木薯组织,在病程中似起主要作用。P.janthnillum和P.griseoroseum各有1种PG[16]。啤酒酵母(Scchato mycescerevisiae)CECT1389菌系一种endoPG表观分子量39kDa,最适pH为5.5,最适温度为45℃。啤酒酵母PG与其它真菌的PG有54%同源。与植物和细菌的PG只有24%同源。每个单倍体只有1个单基因拷贝[17]。
  

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