真菌黑色素与致病的关系.docx

精品文档真菌黑色素与致病的关系-张传清(2011-04-10 14)摘要：黑色素是一类黑色的复杂的由环状亚单位（包括吲哚、酚和羟基萘酚等）形成的聚合物。许多真菌的细胞壁是黑色素化的，从而使得其孢子、营养菌丝和某些子实体变得不透明。细胞沉积的黑色素可保护其抵抗物理或化学的压力、排除毒素及限制某些代谢物质的渗透。黑色素化的细胞壁层是细胞与其环境间的一道屏障，黑色素化的细胞壁层的形成对病原物寄主间的互作也有深远的影响。在许多由产黑色素的真菌引起的植物和动物病害中，黑色素的生物合成是病原菌致病性和毒力的重要决定因子。目前已经发现了几种不同的作用机制将真菌黑色素和病害联系起来。一 什么是黑色素发霉面包上的小黑点是根霉或毛霉的某些种的孢子囊，而黑色就是由黑色素造成的。黑色素也可以在黑色酵母的细胞壁、真菌的菌丝、附着胞、担孢子、分生孢子和菌核中存在。黑色素不但使得真菌对环境压力具有抵抗作用并且也在真菌的致病过程中起作用。虽然黑色素的结构能被强氧化剂如H2O2破坏，有时也能被强碱降解；但黑色素不溶于沸水、热浓缩的矿物质酸和有机溶剂。有证据表明真菌中的黑色素与土壤中的腐殖酸相似，而后者是由植物木质素降解衍生而来的。Paim等（1990）认为真菌黑色素对土壤中的腐殖酸含量有显著影响。真菌至少合成两种类型的黑色素，但目前仍然未能清楚这类不定型的生物多聚物。黑色素除了能吸收可见光外，还能吸收?-射线、X-射线、紫外线和红外线而将能量转移到其分子结构中。从这种意义上说，黑色素比黑色更黑。黑色素也是声波的最有效的自然吸收者，但奇怪的是人的内耳中也有黑色素。当黑色素和蛋白质及其它化合物结合后，黑色素化的真菌就呈现橄榄色-绿色/黑色或深褐色/黑色的颜色。通过1，8-二羟基萘酚（1，8-DHN）双环结构的聚合作用形成的DHN-或称为聚酮黑色素是研究得最为深入的黑色素。DHN是黑色素生物合成途径中最后产生的单体，其合成是在聚乙酰合成酶催化下形成聚乙酰开始的。该酶将两个乙酸分子首尾连接起来，然后对其进行修饰和环化。真菌的聚乙酰合成酶和脊椎动物中的脂肪酸合成酶进化上相关。也发现聚乙酰合成酶在细菌和植物中存在，除了黑色素以外还催化产生黄曲霉毒素、花青苷、植保素及红霉素、四环素等物质。与其它的大多数真菌不同的是，新隐球酵母（Cryptococcus neoformans）通过和产生乌贼汁一样的途径形成多巴黑色素，从而使人们的肤色呈现某种程度的黑色。二 真菌为什么要合成黑色素真菌需要用相当多的代谢资源来形成黑色素，所以研究者倾向于认为黑色素的产生是有益的。实验表明黑色素使得黑化的细胞具有选择上的优势，黑色素在细胞和其周围不利的环境间形成了一道屏障，使得细胞能够抵抗物理或化学的压力、排除毒素及限制某些有用代谢物质的渗漏。和起屏障作用相一致的是真菌黑色素通常存在于细胞壁，但有时在其它位置也发现有黑色素。许多真菌也释放黑色素颗粒到液体培养基中。黑色素化的细胞往往对其它微生物的裂解具有极强的抗性。黑色酵母在高浓度的裂解酶存在时仍能在几天内保持其细胞的完整性；而其白化突变体（alb-）在几分钟内就会被裂解酶裂解。黑色素的这种屏障作用还能保护真菌免受杀菌剂和重金属的伤害。有报道说在切尔诺贝利的废墟上出现了越来越多的产黑色素的真菌和耐辐射的真菌（Zhdanova，1994）。因为与细胞壁结合的黑色素能使细胞免受可见光和紫外光的伤害，因此在岩石、叶表面及其它暴露位置产生黑色素的微生物数目要多。随着植株高度的增加和太阳辐射的增强，附生在植物表面的地衣会变得高度黑色素化，从而保护共生植物免受紫外线的伤害并降低植物叶绿体的光漂白（Hale，1983）。田间研究表明黑色地衣的菌体要比白色地衣菌体的温度高23，且这种差异在微风和碱性条件下会增大。当周围环境温度较低时，温暖的黑色菌体会促进生长。黑色素突变体比黑色素化的菌株对热更加敏感，表明了黑色素的另一个特性（Frederic等，1999）。目前还不知道黑色素热耐受性的机制，但可能是因为黑色素能吸收热能然后缓慢变冷的缘故。黑色素还能缓冲冷冻等物理伤害，轻度黑色素化的新隐球酵母比白化体对冻融造成的伤害更不敏感。这说明黑色素化的细胞壁能保护细胞不受细胞内和细胞外冰晶的伤害。但老的高度黑色素化的新隐球酵母比没有黑色素化的对冰的伤害更加敏感。色素的高度沉积会使细胞壁变的易碎，因此对冰的抵抗能力还不如更具有弹性的轻度黑色素化的结构。对真菌的存活和传播结构如孢子、菌核和地衣粉芽来说，对温度极限的抵抗是十分重要的。除了保护功能外，黑色素能帮助真菌吸收土壤和岩石中的矿物质（Banfield，1999）为真菌提供微量元素。虽然在实验室中单个真菌的黑色素表现出多种特性，但不可能在生态系统中去一一评估这些特性。黑色酵母对酶的裂解和紫外线都有很强的抵抗能力，但该菌最先分离自野鸭的肛门，这意味着对酶的裂解的抵抗能力比对紫外线的抵抗能力更加重要，但还没有肯定的证据。三 植物病害中的真菌黑色素在许多植物病害中，真菌合成DHN-黑色素从而对病原物-寄主互作产生影响（Henson等，1999）。黑色素化和致病力间最清楚的联系是病原菌穿透的早期事件，这一工作的模型是稻瘟病菌（Howard & Valent，1996）。孢子随风传播并附着在水稻叶片上，萌发产生芽管，芽管顶端膨大形成球形的被称为附着胞的结构；附着胞孔形成侵染丝穿透寄主表皮，随后菌丝在寄主体内的扩展会造成灾难性的后果。机械作用力（由附着胞的渗透压产生）驱动侵染丝穿透寄主角质层和细胞壁，但角质酶、纤维素酶和果胶酶的释放能降解叶片的某些组分会使得穿透过程更加容易。附着胞中产生的压力超过1000磅/英寸2，是在所有细胞中测量到的最高的压力。附着胞产生一种胶状的物质使得其能牢固地附着在寄主表面。这种物质的粘性必须足够的强以使附着胞能承受得住侵染丝穿透时的后座力，否则附着胞就会从叶片上掉下来而使侵入失败。黑色素沉积于附着胞壁的最内层，与质膜临近，但一环形被称为附着胞孔的由此产生侵入丝的区域是非黑色素化的。黑色素化的细胞最大的秘密就是黑色素的分布与附着胞功能间的关系。附着胞壁的黑色素层是维持强大的渗透压所必不可少的。附着胞压力是通过渗透作用形成的，甘油是其主要的渗透溶质（De Jong等, 1997）。对于真菌来说叶面环境是不适宜的，为了生存，它必须迅速积累高浓度的渗透质，直到能够穿透寄主角质层和细胞壁。黑色素化的细胞壁是甘油通过附着胞质膜的障碍，因此应该存在位于质膜上的转运蛋白能迅速将渗出的甘油运回原生质中（Money，1997）。白化突变体和三环唑处理过的附着胞都不能穿透完整的水稻叶片，二者的附着胞没有了黑色素就使得大量的甘油渗出附着胞，也就无法形成叶面穿透所需的压力。三环唑能抑制黑色素生物合成途径中的还原酶，当三环唑存在时，附着胞就会形成透明而不是黑色的附着胞壁。三环唑及其相关化合物往往被称为抗穿透剂，在阻止穿透的浓度下对菌丝生长没有影响。因此，当病原菌由已存在的伤口侵入时，三环唑对病害的发展没有影响。对于某些根部侵染的病原物，黑色素也是必须的。与附着胞不同的是，小麦全蚀病菌的附着枝是由营养菌丝发育而来。在小麦全蚀病菌中，附着枝的黑色素化和渗透压的形成是相联系的：野生型黑色素化的附着枝的渗透压可高达1.2MPa；而白化体的小于0.1MPa（Money 等，1998）。另外，黑色素化的附着枝的细胞壁比白化体的细胞壁具有更强的刚性和更弱的透性。研究者试图在小麦全蚀病菌的附着枝和其寄主间建立稻瘟病菌的附着胞和压力同样的关系，但除非已知附着枝的功能，否则不可能对其进行测试。与稻瘟病菌不同的是抑制黑色素的合成并不能影响小麦全蚀病菌对小麦的致病性，后者侵染植物不需要黑色素化的附着枝或菌丝。Frederick（1999）认为未黑色素化的菌丝能够分泌出裂解酶协助穿透，从而弥补了生物机械力上的不足。但有关小麦全蚀病菌的研究仍存在许多不确定的地方，Kelly等（1996）就报道黑色素是小麦全蚀病菌必不可少的致病性因子之一。Caesar-Ton That等（1995）发现铜制剂不能防治小麦全蚀病，因为铜能促进黑色素的产生且真菌每克菌丝中的DHN-黑色素能够结合3.5mg的铜。这与黑色素能结合土壤或寄主细胞内的有毒物质而保护寄主的作用是吻合的。与小麦全蚀病菌相同的是，弯孢霉(Curularia)的附着枝在其寄主根部也会发生黑色素化。可能的情况是侵染丝细胞壁内的黑色素能够缓冲由寄主所产生的温度升高的压力；另外，菌丝黑色素化能够“伪装”真菌激发寄主抗性的激发子，从而使得菌丝在寄主体内的扩展更加容易。与上述所讲的黑色素和土壤中的腐殖酸情况相类似的是，我们必须强调黑色素对于真菌在寄主体内生长的重要性。但是，植物木质素往往在侵染丝周围沉积，而木质素和黑色素都是能结合相类似的染料的多酚类化合物。因此，在细胞学上区分它们是非常困难的。在有些情况下，黑色素并不直接参与真菌的侵染过程，而是与其越冬存活相关的。许多真菌在侵染后期会产生高度黑色素化菌核。菌核在土壤中能抵抗多种压力，但若没有黑色素的保护，它会很快降解。黑色素使得菌核不能吸收外界的化合物，且能耐强酸强碱和有机溶剂。干的菌核在王水中加热到100或在热的强碱中都看不到对其结构的完整性和黑色素分布有什么影响。菌核也能抵抗许多降解其它细胞壁组分的酶类。虽然木质素降解酶-锰过氧化物酶可以“漂白”多巴黑色素和DHN-黑色素，但这种酶对菌核黑色素化的外皮没有明显的影响（Butler & Day，1998）。坚硬而耐受性强的菌核在农业上有重要的意义。核盘菌（Sclerotinia）能引起苜蓿、三叶草、莴苣、花生、绿豆、向日葵等多种植物的病害（Zhou & Boland，1998）。病害循环的后期就会形成菌核，菌核在土壤中可以一直存活到下一个生长季而侵染新的作物。土壤中的菌核随着连作会逐年增加，最终导致在该土壤中无法种植感病作物。黑色素也能促进其它一些不形成菌核的真菌的存活。例如，虽然玉米胡麻斑病菌（Cochliobolus heterophus）的非黑色素化突变体仍然对玉米有致病力，但在土壤中它们却处于竞争的劣势（Guillen，1994）。同样地，虽然小麦全蚀病菌的非黑色素化突变体在实验室中对水稻有致病力，但它们对紫外线、裂解酶类及抗生物质更加敏感。这些特性无疑会使得它们最终在自然界消亡（Frederic，1999）。 黑色素对于孢子和菌核存活的重要性很早就为人们所认识，但意识到黑色素在致病过程中起着直接而紧密的作用还是最近的事情。抑制黑色素的生物合成常常导致一些有趣的表型，但病原物为什么会因此而失去致病力还不太清楚。我们对稻瘟病菌黑色素在附着胞穿透过程中的作用了解的较多，但黑色素可能在稻瘟病菌-寄主互作过程中还起着其它的作用。最近，Araki和Kuruhasi（1999）报道新近开发的黑色素合成抑制剂Carpropamid能促进水稻受到稻瘟病菌侵染时植保素的产生。Carpropamid对植保素的影响可能（或没有）与病菌中的黑素原产生有直接的关系。黑色素既然能保护细胞壁聚合物不受裂解酶的降解，黑色素也应该可以将病原菌的激发子“伪装”起来，使植物和动物的防卫