現(xiàn)代植病新概念和新理論

現(xiàn)代植病新概念和新理論

(一)植物病原學的發(fā)展1.植物病的不能再染植物而使植物發(fā)揮檢測作用在植物病理學中，疾病是首先發(fā)展的。在百余年前,還不清楚植物為何生病的年代,研究的對象都是真菌,而植物病理學形成一門學科,是從真菌病害出發(fā)的,例如Tillet(1714—1791)和(1755—1819)研究黑粉菌。如所周知,把真菌學轉向病理學研究的是由A.DeBary(1831—1888)研究小麥桿銹菌的寄生性和馬鈴薯疫病菌的生活史開始的,最早的病原學實際上是真菌學。人類了解到細菌可以感染人和家畜生病以后20年,才開始有人證實細菌也能感染植物而使植物生病,這將歸功于T.J.Burrill在1878年發(fā)見梨火疫病是由細菌所致.而1883—84之間J.H.Wakker也報告風信子的黃化病是由細菌所致。這些是現(xiàn)代植物病原細菌學(Phytobacteriology)的開端。線蟲的研究是比較早的,1866年在歐洲就有A.Schneider等發(fā)表各種《線蟲志》,而涉及到植物線蟲病的則有N.A.Cobb(1914年起),T.Goodey(1923年起)和G.Steiner(1924年起)等的研究工作。原來在植物病原學中占較不重要的地位,而在60年代以后很快就發(fā)展成為植物病原線蟲學(Phytonematology)。植物病毒是認識和發(fā)展得較晚的一種病原。雖然早在1869到1906年之間,有德國人AdolfMayer(1886),俄國人D.Ivanowski(1892)和荷蘭人M.W.Beijerinck(1898)都證實了一種顯微鏡視外的傳染物能使植物生病;但病原物的本質等到1935年W.M.Stanley以及1937年F.C.Bawden和N.W.Pirie搞清楚病毒的組成是核酸和核蛋白,并于1939年Kausche等用電子顯微鏡攝出了第一張植物病毒粒體的照片之后,逐使其后的三十余年間能形成一門現(xiàn)代的植物病毒學(Phytovirology)。在此基礎上,由土居養(yǎng)二(1967)證實了類菌原體和1972年由T.O.Diener證實了類病毒的存在,從而把一些類似病毒病的病原物區(qū)分開來了。以前一直沒有被人重視的原生動物(植原蟲)病原也受到了注意。2.關于非侵蝕性病害的三不管領域植物病理;學工作者并非不知道有許多病害是由環(huán)境條件和生理因素所造成,德國P.Sorauer等在1908年寫的《植物病害匯編》和在美國由F.D.Heald寫的《植物病害匯編》(1926年出版,1933年再版)中,把非侵染性病害寫得很詳細,但是不知為了什么,過去一直沒有把這些植病原因放在植病工作者的研究范圍之內,而是很客氣地讓給植物生理學或土壤肥料學家去處理。實際上,非侵染性病害成為一個三不管的領域。植物生理學家對光合作用、呼吸作用和溫濕度對植物生長發(fā)育的影響等很感興趣,但對這些因素直接或間接誘發(fā)病害,則很少有人過問。直到1976年才由許多植病、生理和生化工作者編寫出了一部《植病生理學》;但這部書并不是非侵染性病理學,而是許多侵染性病害的生理學。土壤肥料學家對于缺素診斷是注意的,不過只滿足于土質的改進和最適肥料配方的研制,也很少深入研究缺素的病理解剖和細胞病理問題。至于空氣污染和農藥中毒是比較新的問題,由誰來結合污染病理和中毒病理加以研究,似乎也沒有劃定界線。我認為植物生理病害和污染病害應該屬于植物病理學的范疇以內。(二)入侵和疾病過程的生物化學1.真菌細胞的實生植物是一種雙胞侵染的意思是病原物接觸寄主植物的表皮,如果植物表皮細胞的分子和病原物孢子或菌絲之間有親和性,那么分子之間的鍵就互相勾結而產(chǎn)生粘著力,從而得以有一個力的據(jù)點,使芽管以機械力或同時再用酶的消解作用,鍥入表皮。有時則在芽管的頂端產(chǎn)生一個壓力胞,再以同樣的方式鍥入。大多數(shù)真菌的線蟲在侵入表皮時,分泌的是角質酶(Chtinases)和纖維素酶(Cellulases),當進入細胞后,則產(chǎn)生多種蛋白酶(Proteinase)。細菌只能從氣孔或傷口等侵入,首先要消解中膠層,因此常分泌果膠酶(Pectinases)。病毒、類病毒和類細菌是都能進入寄主細胞的,至少病毒和類病毒本身不帶有分解細胞微結構的酶,但是能夠刺激或誘導細胞產(chǎn)生某些酶用于保衛(wèi)反應,而促使細胞的生理紊亂甚至枯死,或導致生長素的失去平衡,從而生長畸形。許多木材腐朽菌都能在侵染中分泌角質酶,木質酶和纖維素酶。2.處理對原生質的毒副反應這里指的毒素是由病原物在培養(yǎng)基中或在寄主細胞內產(chǎn)生的物質,它們可以對發(fā)病和癥狀表現(xiàn)起一定的作用。這類毒素的產(chǎn)生是由病原物的基因控制的,不同于寄主在保衛(wèi)反映中產(chǎn)生的植物保衛(wèi)素(Phytoaleyin)。這類毒素常常作用于原生質而發(fā)生壞死,或者作用于原生質膜,干擾了正常的滲透作用。近年來開始研究這種與發(fā)病有關的毒素,數(shù)量還不多,有一些著名的如導致燕麥葉斑的維多利素(Helminthosporiumavenae產(chǎn)生的Victorin),使水稻產(chǎn)生黃化,條斑和矮化的稻瘟素(Pyriculariaoryzae產(chǎn)生Pyricularin即α-picolinicacid吡啶-2-羥酸),使煙草產(chǎn)生野火病壞死斑的煙草毒素(Pseudomonastabaci產(chǎn)生Tabatoxin),此外鐮刀菌(Fusariumspp,)能產(chǎn)生多種毒素,其中有鐮刀菌素(Fusarin)、鐮刀菌酸(Fusaricacid)和番茄萎蔫素(Lycomarasmin)。這些都有導致番茄萎蔫的作用。3.植物病害癥狀中的酶學機制這類物質既可能由病原物如真菌、細菌、類細菌和線蟲在侵染過程中分泌出來,也可能受到如病毒或類病毒之類的病原物對細胞的刺激或誘導而失去原有的平衡,或激發(fā)出一種新的生長物質。如所周知,激素往往和改變細胞的體積、形態(tài)和分裂速度有關,因此具有改變生長的量和質的作用。在真菌方面,疫菌、黑粉菌和銹菌都能分泌吲哚-3-乙酸(IAA),使植物組織局部腫大。裸菌方面如根腫菌(Plasmodiophhora)能分泌生長素誘致根部的腫大。細菌方面如根癌菌(Agrobacteriumtumefacien)的激素誘發(fā)腫瘤。水稻的惡苗病菌(Gibberellafujikuroi)能分泌赤霉素(Gibberellin),使稻苗徒長。有些線蟲在特定的情況下,也能分泌此類生長物質,使受侵植株看起來好象長得高大些。胞裂素(Cytokinins)是植物激素之一,可以刺激植物細胞的分裂和分化。例如扁化棒桿細菌(Corynebacteriumfasciens)產(chǎn)生胞裂素誘致豌豆等的叢枝癥。植物所含胞裂素的水平往往和它們抗病毒性有關。例如番茄抗TMV品種的胞裂素水平很高,而感病品種則較低。如果用83-增抗劑處理,則低胞裂素水平可以提高到接近抗病品種。生長物質對植物病害癥狀表現(xiàn)的關系非常密切。植物的超高激素水平(Hyperauxiny)可以由于IAA-氧化酶的被抑制而發(fā)生。這種酶是調節(jié)植物正常激素水平的要素,缺少它,就會發(fā)生生理的擾亂,從而發(fā)病。例如番茄被黃萎病菌(Verticilliumalbotrnm)寄生后的發(fā)病以及咖啡樹疫病被黃臍菇(Omphaliaflavida)寄生而發(fā)病。這些都是由于病原物分泌了分解生長素的酶后,才發(fā)病的。4.葡萄糖tolachaid多數(shù)病原物有可能產(chǎn)生多糖類物質。這類物質容易形成輸導系統(tǒng)中的栓塞物,從而阻塞輸導系統(tǒng)而發(fā)生萎蔫。(三)抗病性疾病的機制1.感病性和耐病性最高的植物抗病性是免于受侵的,也不受環(huán)境的影響,在任何情況下都能抵抗病原物的侵染,因此稱作免疫(Immune),其次是抗病(Resistant)。這個詞的范圍很廣,可以高到接近免疫,低到接近感病,而且所謂抗病性是受環(huán)境影響的。所以有許多因素可以左右抗病性的表達。病原物的生理小種和營養(yǎng)條件都是重要因素。有一些低度抗病的品種往往在不良的栽培管理之下,表現(xiàn)出感病性來。至于感病(Susceptible)應該是對病原物的侵入毫無抵抗能力。然而人們往往把感病程度區(qū)分為高、中、低。這就說明中低度的感病性中,還包含著某種程度的抗性。因此感病這個詞的含義和抵抗有重復,是不明確的。至于耐病性(Tolerance)又如何解釋?這應該指那些受到侵然后病原物依然能發(fā)展,但是它的致病影響較弱或不很顯著。高度的耐病就發(fā)展成為隱癥。這在植物病毒病中有許多所謂潛病毒就屬于此類。2.細菌、真菌的感染a.病原物之能侵入植物體,象真菌和線蟲那樣可以直接鍥入表皮細胞。鍥入足一種機械力。因此必須有一個著力點。所以首先就要將菌體或孢子黏附在表皮細胞之上。這種黏附力的產(chǎn)生是由于菌體和植物表皮的分子之間具有親和力,從而能展開它們之間的分子鍵相結合。由此孢子得以產(chǎn)生芽管和侵入鍥,用機械力插入細胞壁。有時也分泌角質酶和纖維素酶使角質消解和細胞壁軟化,以幫助侵入。有些細菌和真菌只能通過氣孔或傷口侵入,至于病毒則只能憑微傷侵入。至于蟲傳,至少由蟲來造成傷口是不可缺少的一環(huán)。線蟲的侵入植物很特別,他們一方面用口器的機械力結合酶作用插入組織,同時用蟲體的螺旋運動前進。植物的第一道防線主要是角質層和表皮細胞壁的結構,例如很厚的角質層不易突破,多毛的表皮結構往往不易被菌體所附著,因此減少了受侵的機緣(Chance)。植物具有抗蚜蟲能力的品種往往不易受蚜傳病毒的侵襲。b.限制已侵染病原物的擴展病原物已經(jīng)侵入之后,真菌的進展依靠生長勢和不斷的分泌酶來開路。細菌則完全依靠酶和菌落的擴大從細胞間隙或沿著輸導系統(tǒng)進展。病毒則經(jīng)過增殖,通過胞間連絲而擴展。在此過程中,細胞往往能分泌愈傷素,從而生成木栓層來阻遏他們的前進。這種機制對傷口侵入的細菌特別明顯。此外,在病毒侵入細胞中以后,細胞產(chǎn)生過敏性反應,形成壞死枯斑,以阻遏病毒前進,稱為過敏性抗病性(Hypersensitiveresistance)。細菌和真菌也有這種情況。不過,他們主要是產(chǎn)生多種酶來抑制病原物的生長,使侵入的真菌被限制在局部的范圍以內,不能繼續(xù)擴展。c.減低有毒物質的毒性作用這類抗病機制是由細胞的抗性基因控制的。當細胞受到病原物產(chǎn)生的毒素作用刺激時,便有可能通過基因的作用,產(chǎn)生脫毒素來消除毒素的中毒作用(Detoxication)。d.抑制病原物的生長發(fā)育或消滅其侵入的菌體在受到侵染的刺激時,抗病品種產(chǎn)生各種制菌酶,來抑制病原物的生長發(fā)育,或使他們停留在不能成熟而產(chǎn)生后代的狀態(tài)。細胞中產(chǎn)生的各種蛋白酶、纖維素酶和幾丁質酶等是用來破壞病原物細胞壁的形成和消解原生質的。這些都是高度抗病機制的表現(xiàn)。3.微生物細胞的誘導表達a.植物的結構抗性和化學抗性(或稱為形態(tài)抗性和生理抗性)都是由單對基因或多對基因控制的。1973—1974年,英國的P.R.Day提出了抗病性和致病力的基因對基因概念,即所謂gene—for—geneConcept。他認為:寄主如果對病原物的某個株系具有極強的抗性,那么必然是由一些強抗基因所控制,而相應的病原物則是由極弱的致病基因所控制。反之也是如此。如果侵入的是另一個株系,那么對抗的不是原來的一組基因而是另一組基因。這種概念是依據(jù)植物的垂直抗性學說而演化出來的。但是很難用以解釋水平抗性。毫無疑問,發(fā)病是侵染和抗侵染交鋒的結果。至于病毒和類病毒則往往要借寄主細胞的能量及物質來增殖自己。他們的致病作用大多是由病毒核酸接觸了細胞核酸后,誘導產(chǎn)生了有害物質而發(fā)生的。b.植物的DNA首先轉錄出mRNA,然后進入聚核糖體(Polyribosomes),通過組成氨基酸而組裝成蛋白。如果這些蛋白是由抗病基因控制的,那么它們就參與細胞的生物化學反應,由此再產(chǎn)生出對病原物有抵抗作用的化合物。這類抗性物質的種類和抗性的強弱決定了植物抗病性的程度。c.結構基因(StructuralGenes)前面談到DNA中的抗性基因控制蛋白的合成。這些結構基因的功能是：它們首先轉錄出訊息RMA(mRNA)和轉錄RNA(tRNA)。由此來控制合成蛋白的速度和它們的特性。另一類稱作操縱基因或操縱子(Operon),它們只是在DNA的某一位點上的一個或一團基因,在起動轉錄,并合成某些抗性化合物,例如殺菌酚和脫毒素等等。抗性基因也可能是隱潛的,它們的抗性物質必須在內外因素的刺激或誘導下才能表達出來。這些接受刺激或誘導的基因一般是操縱子。除此而外,當基因在表達過程中或者在參與細胞的生物化學反應的過程中,也可能用內外因素加以改變。4.實現(xiàn)植物的抗病性基因工程無非是將有抗性的或能導致抗性的基因組或段移植到一個優(yōu)質豐產(chǎn)的作物品種中去,從而能保持原有的優(yōu)質豐產(chǎn),而又獲得了抗病性。對高等植物來說,從無數(shù)的基因組團中要能找出這樣的基因小段,并用內切酶切割下來,轉移到植物細胞的特定部位,例如染色體上,或停留在細胞中的某些微器官內,并能隨著細胞的分裂而分裂,說來容易,實行起來卻存在著一系列的問題。即使能把這段基因移植到某個染色體上,人們也如何能保證這段外來染色體在表達過程中不干擾別的原有基因的表達?對于植物病毒病來說,利用衣殼蛋白RNA的cDNA轉移到植物細胞中去,或利用衛(wèi)星病毒RNA的cDNA轉移到植物細胞中去,都有可能產(chǎn)生對其相應的病毒具有抗性。這種工程在國內已有初步成功的先例。今后的工作只是如何使其轉基因植株的抗性能穩(wěn)定下來,并能在大田中發(fā)生若干的抗病作用。此外還要顧到抗性的廣譜問題。因此工作并非到此為止。對于真菌和細菌病害來說,情況就復雜得多了。上面談到高等植物基因的個別移植是非常困難的,但是把一些微生物的制菌酶的基因轉移到植物細胞中去的可能就大得多了。這種制菌酶在抑菌作用上往往是廣譜性的。因此,一旦成功,它的作用就無可限量。關于這一課題,我們還正在開始摸索。除此以外,我一直主張采用誘導抗性的方法以激發(fā)潛在抗性的表達,或者在某些感病叢因或弱抗基因在表達過程中加以轉變。人們知道氨氮肥料可以使抗稻瘟病的水稻變得感病,而硝氮的作用則相反。因此目前的問題是要找到有內吸性的誘導物質,從而把不抗病的優(yōu)良品種誘導出一定水平的抗病性或耐病性。目前我們研制的83-增抗劑對茄科植物的病毒包括TMV和CMV等能起到的作用如下:(1)體外抑制侵染,包括蚜傳；(2)體內有半鈍化作用和一定期間的停止擴展作用；(3)能激發(fā)出植物的某種迄今未知的生長物質,從而使煙草生長得更好,品質更優(yōu)。83-增抗劑不過是這類工作的一個開端,要找出一個新的誘導劑并不容易,因此今后這方面有大量的工作可做。(四)生態(tài)預防與控制1.葉圍和根圍對土壤微生物的影響a.我國數(shù)千年來,農民對于栽培管理的經(jīng)驗是最好的、最樸素的生態(tài)防治。五十年代我曾總結了徐水農民使用高垅栽菜以防治大白菜的軟腐病。實際上,這就是生態(tài)防治的一種方式,因為高垅改變了白菜基部的環(huán)境條件,使傷口不接觸水而易于愈傷,從而阻止了細菌的侵入。我相信在廣大農民中蘊藏著很多生態(tài)防治的經(jīng)驗,有待我們去總結。b.現(xiàn)代的微觀生態(tài)學(Microecology)植物的葉圍和根圍都有無數(shù)共處的相生、相克的微生物。它們之間在長期共存的情況下,早已形成了一個微生物的平衡。任何外入的客體微生物,如果要能定居在這個范圍中,首先要受到相生相克規(guī)律的考驗,否則會被消滅掉。植病工作者都曾體會過,土壤接種病原物,用消毒土容易成功,而用不消毒土則常常失敗。人們也可以用加入特種營養(yǎng)物質來促進某些有益微生物的猛增,從而抑制了一些有害微生物的活動,例如在植物根圍加入泥炭或胡敏酸可以促進枯草桿菌的大量繁殖,從而抑制了一些土壤病原菌生活活動。c.植物病害地理學(Plhytopathogeography)。這是近年發(fā)展起來的一門學科,主要是研究為什么有些病原物只能限制在某些地理環(huán)境中發(fā)展為害。如果把它們帶到另一個不同的地理環(huán)境中去,它們就不能發(fā)展,甚至逐漸消亡。這種研究要經(jīng)過多年的調查和試驗,而且要有廣大地域性的資料。如果要完成一部世界性的《植病地理學》,也只能由全世界的植病工作者組織起來后才能達到目的,而且非有幾十年的時間是無法完成的。如果有了這種資料,那么任何國家要確定植物檢疫對象就有了可靠的依據(jù)。2.在細胞、菌株和真菌中的應用a.抗病育種:這是生物防治中最基本的、最重要的一環(huán),而且已經(jīng)起到了巨大的作用。但是育種工作者和生物工程工作者已經(jīng)認為是它們的專利,因此不預備在這里詳細討論。b.交互保護(CrossProtection)(1)這種作用在微生物界中到處都有,并不限于病毒。當然,最初注意到的是病毒弱株系能保護強株系,但也不是所有的株系都是如此。目前傾向于用病毒的衣殼蛋白和衛(wèi)星病毒的轉基因植株來發(fā)展抗病性。(2)在細菌中,往往用非寄生株系來對抗寄生株系,例如梨火疫病(Erwiniaamyl-ovora)就是如此;又如放射農桿菌(Agrobacteriumradioacter)可以用來對抗根癌細菌(Agrobacteriumtumefaciens),此外根癌細菌的株系之間也有交互保護作用。(3)在真菌中也有此現(xiàn)象,甚至還有人工免疫作用,例如瓜類的幼苗接種炭疽菌(Coletotrichumlagenaria)后,如果不死,那么到成株期便對炭疽菌有抗病性。此外在土壤中,非寄生性的菌株往往能對抗寄生性的菌株,例如許多鐮刀菌(Fusariumspp.)中就有此現(xiàn)象。3.細菌和真菌的從體制內吸收微生物寄生在真菌體內,使其逐漸喪失其寄生能力和繁殖能力,稱之謂超寄生性(Hyperparasitism)。有些細菌如枯草桿菌就能寄生于Pyhium,Fusarium,HHelminthossporium等真菌的體內,使他們喪失侵染能力。噬菌體(Bacteriophage)對植物病原細菌雖然有噬菌作用,但在防病效果上是不顯著的。食線蟲菌(Nematophagusfungi),如果能在土壤中大量繁殖,那么在防治根線蟲病方面可能起到一定的作用。4.土居真菌的影響菌根有外生、內生和內外兼生三大類。由于真菌和植物的根結成了共生體,從而保護了植物根部不受土居真菌的侵染,其中包括Pythium,Phytophthora,Fusarium和Rhizoctonia等。由于菌根還影響到植物的生長發(fā)育,因此也必然會影響到它們的抗病能力。這方面的研究資料還太少。5.殘留物質對土壤微生物的作用前茬作物遺留