茎点霉属、球腔菌属、尾孢属等引起的作物、果树病害防治。随着DCFs使用时间的延长、施用量的加大,植物病原真菌对二甲酰亚胺类杀菌剂抗药性问题日益严重,其抗性产生机制、抗药性监测治理等研究受到广泛重视,日前已取得较大进展。但因二甲酰亚胺类杀菌剂的杀菌机制尚不清楚、大田抗药性的检测尚无有效的方法等原因,且抗药性的产生本身也很复杂,日前国内外对抗药性产生机制的研究仍处于探索阶段。大多数的研究是以突变体(特别是实验室诱变菌株)为研究材料,旨在比较突变株和野生型菌株在某些关键酶编码基因的差异性,并未能证实这些关键酶编码基因在抗药性产生中的作用机制。因而,进一步推断植物病原真菌二甲酰亚胺类杀菌剂抗性机制的研究有重要的理论意义和实践意义。
二甲酰亚胺类杀菌剂包括速克灵(procymidone),菌核净(dimethachlon)、扑海因(iprodione)和乙烯菌核利(vinclozolin),对防治B.cinerea引起的各科作物的灰霉病和Sclerotlnia spp引起的菌核病有特效(Brent,1995)。此外也常用于防治Alternaria,Dydimella,Helminthosporium monilinia,Phoma等属真菌引起的一些植物病害。由于B. cinerea和上述其它病原真菌在许多作物上对苯并咪唑类杀菌剂产生了抗药性,因此二甲酰亚胺类杀菌剂更加受到重视。
自合成二甲酰亚胺类杀菌剂以来,各国学者一直在探讨这类杀菌剂的作用机制,但最终的作用靶点至今仍无定论。二甲酰亚胺类杀菌剂对真菌的孢子萌发、菌丝生长都有抑制导致菌丝顶端产生不正常的分枝和肿胀。进一步的研究表明,这一类药剂会增加线粒体膜和内质网膜上的脂质过氧化反应,这种过氧化反应从多方面干扰膜上脂质的合成加入脂肪酸过氧化反应拮抗剂如C,能减轻二甲酰亚胺类杀菌剂对菌体生长的抑制和过氧化物的形成,表现为影响膜的渗透势发生变化,不过这种结果与药剂较窄的抗菌谱似乎不符,因此这类药剂是否对B.cinerea,Sclerotinia spp等有专化性的靶标位点蛋白质是很多专家感兴趣的问题。
二甲酰亚胺类杀菌剂自使用以来,首先用于防治B. cinerea引起的各类作物灰霉病,几年后出现抗性菌株。Latorre等报道,在防治葡萄灰霉病使用10~15年后,抗性菌株比例达4.9,但未有抗性引起防治失败的报道,认为田间有耐药性菌株存在,而抗性菌株的适合度有所下降,表现为更高的对渗透压敏感性,但仍具有致病性。因此认为这类药剂可在田间继续使用10~15年。刘波在大棚草莓连续9次喷洒速克灵防治草莓灰霉病,每次间隔10~15天,未发现速克灵抗性菌
株产生。这说明在田间B. cinerea难以产生抗性,一旦产生抗性,抗性菌株的适合度也有所下降,在较长时间内难以因抗性而引起防治失败。
在对植物病原真菌DCFs抗药性机制探求过程中,研究者一直试图通过比较抗性菌株和敏感菌株的特性,试图将抗药性与其它直观性状联系起来。
早在1982年Grindle M曾发现粗糙脉孢菌os-1型渗透压突变菌株对DCFs表现抗药性,据此他猜测渗透压调节途径和DCFs抗药性之间应存在一定的联系。之后,Pillonel C, et al. (1997)和Schumacher M M, et al.(1997)对粗糙脉孢菌渗透压突变株进行更深入研究,发现渗透压的敏感性和DCFs抗药性之间确实存在联系,并提出同源于酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)SLN1 蛋白的HK蛋白激酶(two-component histidine kinase)上游六个90个氨基酸的重复区域内突变的存在是导致植物病原真菌对DCFs 抗药性产生的原因。Ian B D, et al.(2004)对A. alternata 田间抗性菌株的抗性分子机理的研究中也证实了渗透压调节相关HK蛋白激酶突变导致抗药性的产生。此外Cui W, et al.(2002)发现N . crassa os-1型渗透压突变体对芳香烃类杀菌剂的抗药性与渗透压调节相关蛋白Hog1的os-2基因相关,而DCFs与芳香烃类杀菌剂存在交互抗药性。根据以上研究可以得出植物病原真菌对DCFs的抗药性与渗透压之间是相耦联的,抗药性的产生可能是信号传导途径中某些调控渗透压的基因发生了突变。
Orth A B, et al.(1995)以玉蜀黍黑粉病(U. maydis)乙菌核利高抗菌株VR43为研究材料,构建基因组文库,获得抗性相关基因adr-1,序列比对结果显示:adr-1基因与丝氨酸蛋白激酶的催化结构域同源性高,维持激酶活性所必须的氨基酸残基在adr-1基因编码的蛋白中均能找到;直接以adr-1基因转化野生型菌株,野生型菌株产生抗药性。虽然以突变株VR43得出的结论在普遍性方面仍有待进一步证实,但是抗性转化子的获得,证实了植物病原菌对DCFs抗药性是单基因控制(Faretra F, et al., 1991; Miller T K, et al.,2002),这在分子机制研究中是一个大的突破。
Cui Wei, et al.(2002)对灰霉病菌DCFs抗性菌株研究中发现抗性菌株与敏感菌株相比对渗透压更为敏感,对敏感菌株和抗性菌株的Bos-1基因进行分析,抗性菌株Bos-1基因表现为多样性的单氨基酸突变。结合突变子杂交分析,他们认为Bos-1基因编码一种组氨酸蛋白激酶,并提出组氨酸蛋白激酶是二甲酰亚胺
类杀菌剂的作用靶点。Bos-1基因是目前已知的灰霉病菌中唯一抗DCFs相关片断。Ian B D, et al.(2004)在链格孢对扑海因的抗药性研究过程中也发现HK基因N-末端氨基酸重复区位点的突变是抗药性产生的原因。之后,Ma Z H等从8个灰霉二甲酰亚胺类抗性菌株和6个敏感菌株中克隆了双组分蛋白激酶(Bos1)的全序列,氨基酸序列比较表明:2个抗性菌株在365位氨基酸发生点突变从异亮氨酸变为丝氨酸(I365S)或天冬酰胺(I365N),3个抗性菌株在369位从谷氨酰胺变为脯氨酸和在373位由天冬酰胺变为丝氨酸(Q369P),这三个突变都发生在90氨基酸重复序列。在抗性菌株65-E8的1040位发现了一个新的无效突变位点,并在黄瓜上接种实验证明,发生该位点突变的菌株没有致病力。将敏感菌株的Bos1基因转化到抗性菌株65-E8中,发现所有转化子对扑海因表现敏感并且对黄瓜有很好的致病力。虽然很多研究发现DCFs的抗药性与双组分蛋白激酶有关,但是双组分蛋白激酶突变位点的存在如何保护病原菌细胞免受DCFs的破坏仍然不是很清楚。
由于二甲酰亚胺类与芳烃类杀菌剂有交互抗性(Ochiai N,2002),Yan Zhang, et al. (2002)研究对芳烃类杀菌剂和DCFs有交互抗药性的粗糙脉孢菌Os-2突变菌株,通过亲缘杂交克隆了一个与Hog1高度同源的Os-2基因。将含Os-2基因全部编码区的片段导入酿酒酵母Hog1突变体,能使Os-2突变菌株回复渗透压敏感的表型。以来源于敏感菌的Os-2基因转化抗性菌株,抗性菌株获得敏感菌渗透压不敏感和抗药性敏感的表型。据此,他们提出产生一个有功能的os- 2蛋白对正常的渗透压反应和杀菌剂的敏感性是必需的,丝状真菌的渗透压调节途径是芳烃类杀菌剂的作用靶点。尽管对Os-2基因的改变如何引起的菌株抗DCFs水平的变化未报道,但证实了Os-2突变菌株对芳烃类杀菌剂和DCFs有交互抗药性。
甲氧基丙烯酸酯类杀菌剂主要作用于真菌的线粒体呼吸作用,破坏能量合成
从而抑制真菌生长或杀死真菌。药剂进入病菌细胞内,与线粒体上细胞色素b(cyt b)的Qo位点相结合,阻断细胞色素b和细胞色素c1之间的电子传递(通过阻断Ubiquinol的氧化),从而抑制线粒体的呼吸作用,破坏病菌的能量合成。由于缺乏能量供应,病菌孢子萌发、菌丝生长和孢子的形成都受到抑制。甲氧基丙烯酸酯类杀菌剂的活性来源于它们能键合在细胞色素b ( Cytb) 的还原型辅酶Q的氧
化位点(Qo位点) , 从而抑制线粒体的呼吸作用, 也因此称为Qo抑制剂。细胞色素b是细胞色素bc1复合物的一部分, 位于真菌和其他真核体的线粒体内膜, 一旦某个抑制剂与之键合,将阻止细胞色素b和c1之间的电子传递, 通过阻止三磷酸腺苷(ATP) 的产生, 从而干扰真菌体内的能量循环。在细胞色素bc1复合物的晶体结构得到解析后, 人们主要从基因的角度来研究各个甲氧基丙烯酸酯类化合物的具体作用位点。通过单点基因突变[10] 发现, 如果把病原体细胞的螺旋cd中143 位的甘氨酸突变为丙氨酸( 即突变体G143A), 则病原菌会对这类抑制剂产生很高的抗性。此抗性的产生可能是由于甘氨酸突变为丙氨酸后抑制剂与细胞色素b之间的位阻增加了。突变体G143A已在小麦白粉病菌、单囊壳白粉病菌、瓜类霜霉病菌、葡萄霜霉病菌、香蕉叶斑病菌和苹果黑星病菌的抗性菌株中被检测到。说明G143是大多数Qo抑制剂的一个结合位点。然而, G143A并不是存在于抗性菌株中的唯一突变体, 氨基酸129位的苯丙氨酸突变为亮氨酸( F129L) 、氨基酸275位的亮氨酸突变为苯丙氨酸( L275F) 和氨基酸275位的亮氨酸突变为丝氨酸( L275S) 等突变体也存在于不同的菌株中, 只是它们不如突变体G143A普遍。这些突变体使病原菌对抑制剂产生抗性原因可能是由于靶蛋白与抑制剂分子间的结合能增加所致。目前,大多数学者认为,许多病原真菌对甲氧基丙烯酸酯类杀菌剂的分子抗性机制是Cytb基因DNA序列上氨基酸143位发生点突变,由丙氨酸(GCT)取代甘氨酸(GGT)。氨基酸的改变使Cytb结构发生变化,药剂不再与其结合,药剂与靶标的亲和力下降。
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