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贵州茶树4种常见真菌病害的发生规律及抗病机理研究进展

花匠小妙招
2024-11-08 14:04

中国是第一个种植茶树［Camellia sinensis (L.) O. Kuntze］的国家，早在公元三世纪，人们就将茶叶作为饮料饮用，如今茶叶作为最古老、流行的非酒精饮料，已融入世界各地人们的社交和生活[1]。茶树适宜的生长环境为温暖潮湿的亚热带地区，中国的气候十分适合茶树生长，据统计，截至2023年，中国的茶园面积和年产量分别占世界的60%和45%，稳居世界第一。贵州省位于中国西南的东南部，其高海拔、低纬度、寡日照的气候特征为茶树生长提供了有利条件，成为了世界茶树原产地和茶文化发祥地之一[2]。然而，特殊的气候也利于病原菌生长繁殖，导致茶叶的产量和质量受到严重影响[3]。当植物遭到病原体的胁迫时，会触发其先天免疫系统，激发免疫相关基因的表达以抵抗病原体的威胁，帮助植物抗病。本文对贵州茶树的4种常见真菌病害发生规律以及茶树抗病的分子免疫机理进行综述，以期为培育抗病性强的优质茶树品种以及新型茶树病害防治研究提供思路。

1. 贵州茶树4种常见真菌病害的发生规律

第三次全国国土调查主要数据表明，截至2019年，贵州省茶树种植面积位居全国第二，是我国茶树的主要种植省份之一。贵州属亚热带季风性湿润气候区，温差小、气候湿润、雨热同季、冬暖夏凉，虽利于茶树生长，却常遭到病原菌的危害。据统计，贵州茶园中现有茶树病害180余种，其中茶饼病、茶轮斑病、茶炭疽病、茶白星病等是贵州省茶树叶部常见真菌病害[4, 5]。

1.1 茶饼病的发生规律

茶饼病是由坏损外担菌（Exobasidium vexans Massee，Ｅ. vexans）引起的危害茶树嫰叶的真菌病害，除非洲和美洲外，其余茶树种植区域均有发生，是世界上重要的茶树病害之一[6]。茶饼病属低温高湿型病害，早期发病症状表现为半透明斑点，中后期形成凸起的子实体，表面粉末状，布满担子和孢子[7]。研究表明，Ｅ. vexans侵害茶树叶片后，菌丝在海绵组织中生长扩散，释放大量孢子，同时分泌致病因子，破坏叶片的细胞壁、细胞膜和线粒体，降低植株生理活性，致叶肉细胞死亡[8-10]。贵州高山和阴坡茶园的茶树叶片持嫩性好，因此茶饼病的发生率高，高发时期是5～6月和9～10月[11]，田间病害发生表现见图1[12]。此外，由于Ｅ. vexans具有依附寄主的特点，且仅在茶树中被发现，体外培养较困难，其致病机制还需进一步研究。

图 1 贵州茶园茶饼病的发生（湄潭茶园）

Figure 1. Occurrence of blister blight at Meitan Tea Garden in Guizhou

1.2 茶轮斑病的发生规律

茶轮斑病是由真菌引起的茶树病害，已发现有4个属的菌群可诱使茶轮斑病的发生[11]，其中子囊菌门（Ascomycota）拟盘多毛孢属（Pestalotiopsis）的Pestaiotiopsis theae （Sawada） Steyaert为中国和印度等茶区的优势菌种[13, 14]，主要发病部位是茶树新梢、成叶以及老叶的尖端和边缘[15]。茶轮斑病属高温高湿型病害，病斑呈黄至黑褐色圆形或不规则形，上生浓黑色墨汁状小粒点的子实体，沿轮纹排列，病斑中心、边缘或整个病斑表面均呈灰白色[16]。致病菌的孢子可随风和雨传播，在茶树新梢进行繁殖，且菌丝体或分生孢子可在叶片组织内越冬，温度适宜时大量繁殖，当茶树有伤口暴露时，更加利于病原菌进入茎和叶肉细胞[17]。在贵州省都匀市、湄潭县、惠水县以及石阡县等地茶区均有茶轮斑病的大面积发生，夏秋时期发病尤为严重[18-20]，田间病害发生见图2（石兴云摄）。引发茶轮斑病的致病菌种类较多，具有多样性，生物学特性差异大[21]，为此茶轮斑病的致病分子机制鲜有研究。

图 2 贵州茶园茶轮斑病的发生（都匀茶园）

Figure 2. Occurrence of gray blight at Duyun Tea Garden in Guizhou

1.3 茶炭疽病的发生规律

茶炭疽病是炭疽菌属（Colletotrichum）真菌引起的危害茶树成叶的病害，其致病性强、传播范围广，现世界上已报道的茶炭疽病病原菌种类已有10余种[22]，其中山茶刺盘孢（Colletotrichum camelliae, C. camelliae）是中国茶区的优势致病菌种[23]。茶炭疽病属高温高湿型病害，病原菌附着在茶树叶片背部毛绒处，从叶片气孔或伤口处侵入，发病初期，在叶边缘或叶尖呈浅绿色水浸状病斑，发病中期，病斑扩大且颜色转为黄褐色，发病后期，病斑变为灰白色，并散生出许多黑色小粒状子实体分生孢子盘[24]。炭疽菌有2种侵染方式，一种为菌丝侵入寄主细胞后，立即吸取叶肉细胞营养，并立即产生次级菌丝；另一种为菌丝侵入细胞后，先大范围侵染寄主细胞，再由密布的初级菌丝产生大量次级菌丝，危害寄主细胞（图3）[25]。贵州荫蔽多湿的环境易致茶炭疽病的发生，在6～9月和11～12月为发病高峰期[26]，田间病害发生见图4（李帅摄）。

图 3 茶炭疽菌2种侵染过程简易示意图

Figure 3. Schematic processes of two types of fungal anthracnose on tea plants

图 4 贵州茶园茶炭疽病的发生（晴隆茶园）

Figure 4. Occurrence of anthracnose at Qinglong Tea Garden in Guizhou

为探究茶炭疽病的致病机理，南京农业大学对C. camelliae的5个发育阶段，即孢子（Conidium，Con）、芽管（Germ tube，GT）、附着胞（Appressoria，App）、初级菌丝（Cellophane infection hyphae，CIH）以及次级菌丝（Infected leaves，IL）发育阶段的组织分别进行了转录组测序，发现App是侵染过程的关键阶段，C. camelliae通过附着茶树表面的附着胞的黑化作用产生巨大膨压而入侵表皮细胞以感染茶树，此时，附着胞黑化作用相关基因、环磷酸腺苷（cyclic AMP，cAMP）和丝裂原活化蛋白激酶（Mitogen-activated protein kinase，MAPK）信号通路相关基因以及细胞壁降解酶相关基因表达量显著上调，推测cAMP和MAPK信号通路上的相关基因在孢子附着于茶树表面的过程中起到关键作用，孢子附着后，便分泌细胞壁降解酶以降解茶树叶片细胞壁促进下一步侵染。此外，在GT阶段，差异表达基因富集于核糖体等遗传信息处理途径，说明C. camelliae在Con到App阶段，可能存在一些生理过程，为形成附着胞提供作用[27]。此外，在炭疽菌侵染植物过程中，还会释放效应蛋白和真菌毒素增强病原菌的致病性，调节和阻断植物信号转导，抑制其防御反应发生，促使茶树坏死[25]。

1.4 茶白星病的发生规律

茶白星病是高海拔茶园严重的真菌病害之一[28]。茶白星病的病原菌主要被划分为三个属，即痂囊腔属（Elsinoe）的E. leucospila Bitancoum Jinkins[29]、叶点霉属（Phyllosticta）的P. theaefolia Hara[30]、茎点霉属的Phoma sp.[31]，其中在田间起主要作用的致病菌为E. leucospila[29]。茶白星病属低温高湿型病害，发病的部位为叶片、茎干和花苞上，染病初期，叶片上出现褐色小点，随后逐渐扩大为圆形斑点，病斑中间凹陷呈灰白色，边缘隆起呈红褐色或黑色，染病后期，斑点逐渐扩大连成一片[32]。研究表明，其发生规律与茶轮斑病类似，即病原菌的菌丝体或分生孢子器在茶树叶片或茎干等组织中越冬，温度适宜时开始繁殖，使得茶树发病，并通过雨水、风等媒介进行传播[33]。贵州山区茶园是茶白星病的高发区域，许多茶园茶白星病连年发生[34]，田间病害发生见图5 [35]（图5A为李帅摄，图5B为张珍摄）。

图 5 贵州茶园白星病的发生（纳雍茶园和望谟茶园）

Figure 5. Occurrences of white star disease at Nayong Tea Garden (A) and Wangmo Tea Garden (B) in Guizhou

综上，本文列举出的贵州茶树的4种常见病害均为真菌性高湿型病害，且病原菌的适宜生长繁殖温度为15～30℃，贵州的气候条件十分适合其生长与传播，因此它们常年危害贵州茶园中的茶树。值得注意的是，导致茶轮斑病、茶炭疽病和茶白星病发生的病原菌种类多、来源复杂，且部分病原菌体外培养困难，因此对茶树病害发生的研究大部分仅局限于其宏观发生机制，而疾病发生时的内部分子机制研究较少，致病机理尚不清楚，可进一步利用分子手段阐明致病的关键基因以及相关分子水平的变化。

2. 茶树抗病的分子免疫机理

病原菌的侵染使得茶叶的产量和品质均受到严重影响，尤其以上列出的几种常见的茶树病害，在贵州茶园中常年爆发，严重危害茶树健康。选育抗病品种、改进种植与防治方式是目前解决该问题的有效途径，因此探究茶树抗性的分子机理，鉴定参与和调控植物免疫的关键基因，有利于将分子育种与传统育种方式相结合，培育出优良抗病品种，同时，以茶树免疫机理为基础，研发新型病虫害防控手段，也是提高茶叶产量和品质的有效途径。

2006年，Jones等[36]提出了“zigzag”植物免疫模型（图6），阐述了病原体与植物间互作的免疫机制，即当植物感知外界病原体后，位于细胞膜上的模式识别受体（Pattern-recognition receptors，PRRs）触发相关分子模式（Pathogen/Damage/Microbe/Herbivore-associated molecular patterns，PAMP/DAMP/MAMP/HAMPs），识别病原体并激活基础免疫反应即病原体相关分子模式触发免疫（PAMP-triggered immunity，PTI），这被称为植物免疫反应的第一道防线。此时，病原体分泌效应因子抑制PTI，以促进感染，导致效应触发敏感（Effector-triggered susceptibility，ETS），即植物的抗性基因（Resistance gene，R gene）被效应因子激活，诱导超敏反应（Hypersensitve reaction，HR）或程序性细胞死亡（Programmed cell death，PCD），同时，植物核苷酸结合富亮氨酸重复序列受体（Nucleotide-binding leucine-rich repeat receptors，NLRs）也会感知效应因子，以启动植物第二道免疫防线效应器触发免疫（Effector-triggered immunity，ETI），PTI和ETI便共同帮助植物抵御病原体的侵染。此外，有研究表明，植物体内的转录反应以及植物激素的变化也可诱导植物的防御反应[37]。

图 6 植物与病原菌互作的zigzag理论模型

Figure 6. Zigzag theoretical model of plant/pathogen interaction

2.1 PTI反应与茶树抗病

目前，植物PRRs的关键识别受体为受体激酶（Receptor-like kinases，RLKs）和受体蛋白（Receptor-like proteins，RLPs）。RLKs具有配体结合外结构域、单通道跨膜结构域和细胞内激酶结构域，而RLPs仅有配体结合外结构域和单通道跨膜结构域。RLKs通常作为免疫受体或共受体发挥作用，一旦被激活，它们可以通过磷酸化将信号传递给细胞质类受体激酶（Receptor-like cytoplasmic kinases，RLCKs），实现对下游信号途径的调控，帮助植物抵抗外界威胁[38]。Xia等[39]对茶树的基因组进行分析，鉴定出了与抗病相关的272个茶树RLK基因（CsRLK），这个数值相比马铃薯中261个、番茄中231个、拟南芥中224个以及可可中238个RLK基因均略大，一方面说明了CsRLK基因在茶树的防御反应中起到了重要作用，另一方面，证明了茶树基因组具有复杂性，同时CsRLK基因的功能具有多样性，至今，许多CsRLK基因的功能尚不明确。由此，CsRLK基因在茶树感染病原菌后的作用机制有待进一步研究，此外，茶树中RLCKs如何通过RLK感知外界刺激信号也尚不清楚，可见CsRLK在茶树抗病方面具有重要的研究价值和意义。

当PTI被激活后，植物会出现气孔关闭、胼胝体积累、病程相关蛋白（Pathogenesis-related protein，PR）表达量提高等现象，这些现象的产生伴随着植物体内活性氧（Reactive oxygen species，ROS）的产生、MAPKs通路、几丁质酶（Chitinase）合成通路以及Ca2+依赖蛋白激酶（Ca2+-dependent protein kinases，CDPKs）等信号通路的激活[40]。Wang等[41]发现在茶树感染炭疽病后，抗病品种中差异表达基因主要富集于HR和ROS代谢通路中，而感病品种中差异基因未富集此通路，说明当遭到病原体威胁时，茶树的超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）、过氧化物酶（Peroxidase，POD）、苯丙氨酸解氨酶（Phenylalanine ammonia lyase，PAL）等抗氧化酶活性会发生变化，相关基因的表达量也改变，这些物质含量和活性的变化均可帮助茶树抵御病原菌侵染。同时，MAPK信号通路中的丝裂原活化蛋白激酶激酶激酶基因（Mitogen activated protein kinase kinase kinase，MAPKKK/MEK）、丝裂原活化蛋白激酶激酶基因（Mitogen activated protein kinase kinase，MAPKK/MKK）和MAPK/MPK基因的表达量均发生变化，以参与植物的防御反应[42]。目前，茶树中已经发现5个CsMKK和16个CsMPK基因响应茶树的不同冷、干旱等非生物胁迫，由于MAPK级联相关基因编码了一套植物特异性的ROS清除酶系统，因此推测当茶树遭到病原菌侵染时，MAPK信号通路上的基因也起到了重要作用[43]。此外，孙云南等[44]研究发现，感染茶饼病的茶树叶片中Ca2+信号通路上环腺苷酸门通道（Cyclic nucleotide-gatedlon channels，CNGCs）、钙调蛋白（Calmodulin，CaM）、CDPK基因的表达量均显著上调，说明茶树感病后，细胞内产生钙信号参与调节介导茶树抗病基因的表达，以帮助茶树抗病。

2.2 ETI反应与茶树抗病

ETI反应中的R蛋白大部分是NLRs的免疫受体，NLRs可通过增加序列的多样性来识别不同的病原菌的效应蛋白，是植物抗病的关键特异性蛋白[45]。NLRs根据N端结构域的不同被分为两个亚类，一类为TNLs即N端具有Toll/interleukin-1 receptor（TIR）结构域，另一类为CNLs即N端具有Coiled-coil（CC）结构域[46]，除此之外，植物中还存在许多非典型的NLRs，如富含重复结构域或缺乏Leucine-rich repeats（LRR）、TIR/CC结构域。目前，在栽培茶树品种大叶茶（C. sinensis var. assamica，CSA）和小叶茶（C. sinensis var. sinensis，CSS）中分别鉴定出303和400个CsNLR基因，并且在两个茶树品种中的CNL的基因数量均为TNL基因的10～30倍，相比之下，茶树中NLR基因的数量远多于其他物种，如拟南芥和油菜中仅发现分别有167个和206个NLR基因[47]，这一结果说明了，在茶树中CNLs发挥了更重要的作用，推测其为激活茶树免疫系统的主要特异性受体，但由于NLR特异性识别病原菌的效应蛋白，而茶树中许多病原菌的效应蛋白以及致病机制尚未明确，因此茶树CsNLR基因的具体功能有待进一步研究。

2.3 茶树功能性基因与免疫反应

Wang等[48]和Jayaswall等[49]分别对感染茶炭疽病和茶饼病的茶树叶片进行转录组测序分析，发现除PTI和ETI免疫反应涉及的基因外，植物激素信号转导通路中生长素、水杨酸、茉莉酸和赤霉素等通路上基因的表达量均有显著上调，热休克蛋白（Heat shock proteins，HSPs）、转录因子（AP2/ERF、MYB、C2H2、MADS、bZIP、WRKY等基因家族）基因、几丁质酶基因、抗性基因（RPM1、RPS2、RPP13）等对病原菌均有响应，此外，与细胞壁相关的通路、单萜生物合成（Monoterpenoid biosynthesis）和双萜生物合成（Diterpenoid biosynthesis）等代谢通路中基因表达亦有变化，帮助增加细胞壁强度以抵御茶饼病病原菌的入侵，同时，叶片中产生大量的萜烯类生物活性分子抑菌物质，抑制病原菌繁殖。由此可见，虽病原菌不同，茶树的防御调节基因和途径是相似的，但目前的研究大多数仅在转录水平验证相关的响应基因，而基因的作用机制、免疫相关蛋白的变化、活性、修饰以及互作机理还需要进一步研究[40]。

3. 展望

贵州是中国茶树种植与生产的主要省份之一，其气候特点十分适宜茶树生长，但病害的发生严重影响茶叶的品质。因此，茶树抗病品种选育以及病害的防治十分重要，这便需要我们进一步探究茶树与病原体之间的分子互作机制。在以往的研究中，虽然通过转录组测序发现了一些参与茶树免疫反应的基因/基因家族，并通过实时荧光定量PCR验证了病原体诱导的表达模式，但这些基因的具体功能尚未完全阐明。一方面，由于茶树病原菌来源复杂，致病机理未完全弄清；另一方面，茶树遗传转化困难，茶树基因功能验证多数在拟南芥、烟草等模式植物体内完成，其功能尚未得到充分探索。因此，在后续对茶树病害的相关研究中，可致力于以下两个方面：（1）茶树病害的致病分子机制研究；（2）茶树简单、高效的遗传转化体系的建立，以完善茶树抗病基因功能的研究，为茶树的分子育种以及病虫害防治奠定理论基础。