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強表達的現象。植物和病原物的基因多數是組成性表達，但也有在互作中起重要作用的基因是誘導表達，其中包括病原物對寄主的誘導和寄主對病原物的誘導。誘導的發生是寄主與病原物信息交流的結果。
病原物基因的誘導表達
病原物中誘導表達的基因包括胞外降解酶基因，植物保衛素解毒基因、真菌中與生長發育有關的基因及與寄主抗病基因互作的無毒基因等。
胞外降解酶基因
胞外降解酶是植物病原真菌和細菌的重要致病因子，降解植物表面角質層和細胞壁。其中角質水解酶和果膠降解酶是受寄主誘導的。
角質水解酶的誘導
茄類鐮孢豌豆專化型的角質水解酶關系到真菌菌絲穿透植物角質層的能力。在培養基中加角質單體能加快該酶的積累。植物體內角質多體受真菌結構性表達的少量角質酶降解而釋放出角質單體，芽管受角質單體的誘導使產生的角質降解酶活性達到能穿透寄主的水平。在轉錄水平上已證明角質單體能誘導真菌核基因產生角質酶轉錄子（圖1）。
圖1 植物誘導真菌孢子角質酶基因表達示意圖（引自P.E.Kolattukudy，1991）
果膠酶的誘導
根據降解機制，果膠酶分為裂解酶和水解酶兩類。在多種植物病原真菌中，如蠶豆葡萄孢、灰葡萄孢和尖孢鐮孢番茄專化型中受誘導的多聚半乳糖醛酸酶。在胡蘿蔔軟腐歐文氏菌胡蘿蔔軟腐亞種和菊歐文氏菌中受誘導的是果膠裂解酶。誘導果膠酶的誘導物質是寄主植物細胞壁多糖的降解產物。對真菌胞壁降解酶的研究表明，在植物細胞壁降解過程中，由於不同階段出現的誘導物質不同，陸續誘導出的酶類也會有不同，這對病菌的成功侵染是有利的。因為，植物細胞的某些組分可以作為寄主防衛反應的激發子，在保證病菌侵入的前提下，對寄主細胞壁降解愈少愈好。
植物保衛素解毒基因
植物保衛素的合成與積累是壹種寄主防衛反應。對植物保衛素有代謝和解毒作用的酶有結構性和誘導性兩種。誘導性解毒酶受相應植物保衛素誘導，如豌豆素及其結構類似物對豌豆素解毒酶有誘導作用。豌豆素解毒酶是豌豆素脫甲基酶（簡稱PDA）。赤球叢殼菌產生的PDA對豌豆素的解毒作用是將其轉化為毒性較小的3，6-巳二羥-8，9-二甲撐二羥紫檀素。編碼PDA的基因已經克隆，豌豆素可以誘導其轉錄。用遺傳分析方法證明這壹病原真菌對豌豆素的脫甲基能力與致病性密切相關。
真菌生長發育有關基因
真菌生長發育受基因控制，對有些植物病原真菌來說，生活史的完成受寄主因素影響。
黑粉菌生長發育的誘導
花藥黑粉菌在寄主中產生菌絲，而在培養基上只形成酵母狀菌落。用寄主葉片的抽提物不僅能在培養基上誘導出菌絲，而且還促進交配過程中結合絲的生長和發育。在有些黑粉菌中，寄主葉片的水提取物對菌絲生長有誘導作用，而對孢子形成有抑制作用。非寄主植物的提取物壹般沒有這種誘導作用。用甲醇提取液研究的結果，無論是寄主或非寄主都是寄生階段的活性誘導物。麥瓶草和歐洲防風草中提取的生物活性物質鑒定為α-生育酚即維生素E。
疫黴遊動孢子發育過程的誘導
疫黴的遊動孢子與植物根表接觸後發生壹系列變化是受寄主誘導的，如從無壁的遊動孢子到有壁的休止孢，休止孢萌芽侵入寄主。根據樟疫黴和棕櫚疫黴中的研究，柑橘果膠、多聚半乳糖醛酸、藻酸鹽、半乳糖醛酸鹽都可以在體外誘導遊動孢子休止和發芽。半乳糖醛酸殘是誘導遊動孢子分化的活性組分，每毫升孢子懸浮液中加150微克多聚半乳糖醛酸5分鐘內就會使80%以上的遊動孢子進入休止狀態。在自然條件下，根上的粘膠物質是誘導樟疫黴寄生階段發育的天然誘導物。
病原物無毒基因
無毒基因是病原物中與寄主抗病基因互作並具有反向調節寄主範圍的作用。與病原細菌不同，從黃枝孢（番茄葉黴病菌）中克隆的無毒基因產物是誘導表達的。
寄主基因的誘導表達
在植物主動抗性中表達的基因多數屬於誘導表達的基因。
植保素合成重要酶基因
植物保衛素合成受到病菌侵染，病菌細胞壁中分離到的激發子和其他非生物因素誘導。
大豆素
是大豆接種植物病原菌如大雄疫黴大豆專化型後產生和積累的植物保衛素。mRNA的體外標記和體內翻譯研究證明，苯丙氨酸解氨酶（PAL）、4-香豆素輔酶A連接酶（4CL）和查爾酮合成酶（CHS）的合成速度首先呈現上升趨勢，而與大豆素生物合成速度無關的其他酶則沒有這種現象。在大豆幼莖試驗中，真菌的β-1，3葡聚糖激發子活性比植物低聚半乳糖醛酸激發子活性高1000倍。兩者混合使用有協同作用，可將β-葡聚糖活性提高50倍，β-1，3-葡聚糖只對苯丙氨酸解氨酶和4-香豆素輔酶A連接酶產生誘導效應，而低聚半乳糖醛酸對查爾酮合成酶也有誘導效應。
菜豆素
是菜豆接種菜豆炭疽菌後產生的，此外還有吉維酮（Kievitone）的植物保衛素。用真菌細胞中分離的β-1，3-葡聚糖作為激發子，處理5分鐘就出現苯丙烷生物合成酶，PAL和CHS基因的轉錄活性在3～4小時後達最大值。PAL和CHS是等位調節的，但是查爾酮異構酶（CHI）活性峰有時出現較晚。這些差別與菜豆品種有關。在豆刺盤孢培養液中還發現壹些具有激發子活性的物質僅誘導CHS而不誘導CHI。這說明CHI是由單基因控制的，而PAL和CHS則是多基因控制的。至少有3個結構基因與PAL合成有關，而CHS的合成則涉及到6個基因。這些基因在植物抗病性表達中是被分別誘導的。
蓖麻素
是蓖麻苗受匍枝根黴等誘導後產生的雙萜類植物保衛素。有兩種酶在侵染後活性組分增強，最後壹種酶即蓖麻素合成酶的mRNA在真菌激發子處理6小時後呈現上升趨勢。
呋喃香豆素
是歐芹細胞懸浮培養以大雄疫黴大豆專化型制備的激發子處理後產生的。該真菌並不是歐芹的致病菌，所以該激發子是非特異性的。處理材料的PAL，4CL的mRNA活性有明顯增強，同時有呋喃香豆素積累。在歐芹中有兩個4CL基因和2～3個PAL基因都及時受激發子和紫外線誘導。
細胞壁修飾中的基因
細胞壁修飾是壹種復雜的主動抗性過程，其中涉及多種化合物質的誘導積累。
富含羥脯氨酸糖蛋白（HRGPs）的誘導積累
HRGPs是多基因控制的。黃瓜抗病品種用瓜枝孢處理後12～18小時細胞壁中的HRGPs明顯增加，而感病品種直至18小時還不增加。用豆刺盤孢處理菜豆幼莖，然後以番茄HRGPs基因為探針檢測其同源mRNA，結果在抗病品種中同源mRNA早期就有增加，而感病品種要到病斑形成後才增加。由於脅迫因子不同，HRGPs基因的轉錄有不同類型，說明有不同信號傳遞系統控制該組基因不同成員的選擇活性。
胼胝質的誘導積累
受多種物理和化學脅迫因子誘導，也受真菌的侵染誘導，積累的胼胝質主要在植物細胞壁和乳突中，起侵入屏障的作用。在病毒病害局部病斑周圍胼胝質有阻止病毒擴層的作用。位於原生質中的β-1，3-葡聚糖合成酶不是基因誘導後的從頭表達，而是進入細胞鈣離子流的直接活化。
水解酶基因的誘導表達
主要有幾丁質酶和β-1，3-葡聚糖酶。
幾丁質酶
真菌、細菌、病毒侵染或以激發子處理都誘導植物細胞中幾丁質酶活性的增強。在此過程中乙烯被認為是誘導作用的第二信使。通過乙烯生物合成的抑制研究表明，不同種植物中對幾丁質酶的誘導存在著不同機制。菜豆幾丁質酶是多基因編碼的，其中至少有兩個受乙烯誘導表達。在菜豆和丁香假單胞致病變種互作中，無毒菌株接種後6小時就可檢查到mRNA，而毒性菌株要20小時，說明幾丁質酶是在不親和組合中特異性誘導的。
β-1，3-葡聚糖酶
乙烯處理菜豆和鐮刀菌處理歐芹都誘導該酶的產生。但在鐮刀菌處理豌豆時發現同時有幾丁質酶活性的增加。β-1，3-葡聚糖酶作用真菌細胞壁所釋放出具有激發子活性的β-1，3-葡聚糖。
蛋白酶抑制劑的誘導表達
蛋白酶抑制劑主要成分為多肽，在所有植物組織中都有，對昆蟲有抑殺作用。番茄受傷後出現兩種蛋白酶抑制劑，用豆刺盤孢激發子處理甜瓜也發現增加蛋白酶抑制劑的合成。
誘導機制
基因誘導表達是生物中普遍存在的現象。病原物基因的誘導機制和寄主基因的誘導機制不同。
病原物基因的誘導機制
在細菌中已明確是以雙組分調控機制完成的（見致病性相關基因）。
寄主基因的誘導機制
已發現兩種，即激發子和受體互作的機制與激發子和大面積原生質膜互作的機制（圖2）。
激發子和受體互作
是主動抗性反應中植物保衛素誘導合成的主要方式。激發子可以來源於病菌，也可以來源於寄主。成分有多糖、寡糖體、蛋白質、糖蛋白、脂肪酸。受體位於植物細胞膜上。關於激發子的結構和功能，從大雄疫黴大豆專化型細胞壁分離的葡聚糖激發子的分析表明，特殊分支的β-3，6-t聚葡糖苷是最小具有激發子活性的片段。植物細胞膜上的受體，壹般認為是跨膜蛋白，但具體性質尚未完全了解（見防衛反應基因）。
激發子與大面原生質膜互作
胼胝質激發子脫乙烯幾丁質等與原生質膜互作時是與磷脂端部基因結合或插在膜的脂相中。脫乙烯幾丁質、兩性黴素B和毛地黃皂苷等也壹樣激發香豆素的合成（見寄主—病原物互作）。
圖2 胼胝質和植物保衛素合成中信號傳遞途徑示意圖
ST：未知傳遞系統 GS：葡聚搪合成酶 R：受體 Cyt：細胞質 PK：蛋白激酶 PP：二磷酸糖苷
寄主基因誘導表達早期生理反應
通過對植物保衛素和胼胝質誘導合成的研究，發現早期***同的生理反應有Ca2＋吸收、外部堿化和K＋滲漏，還有膜蛋白的磷酸化反應。根據抑制物試驗和劑量反應研究，認為各種植物保衛素激發子的刺激都是通過蛋白磷酸化/去磷酸化過程來傳遞的，然後再迅速引起離子傳遞的改變。1990年美國狄克遜（R.A.Dixon）在討論脅迫信號傳遞機制中，認為除膜透性、離子流、鈣和蛋白質激酶所參與的作用外，還有活性氧或者氧化還原狀的混亂在起作用。棉花、大豆和煙草細胞以大理輪枝菌激發子處理，由於過氧化氫的迅速產生使膜勢敏感和pH敏感的染料螢光減弱。這種在5分鐘後就已發生的變化與60小時後誘導的植物保衛素的活性是相關的。過氧化氫壹方面在原位引發反應，另壹方面還參與防衛基因活化所誘導的反應。
參考書目
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.