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水稻遭受白叶枯病后,引起稻穗严重不结实,千粒重降低,米质粗脆,轻则减产10%-20%,严重时30%-50%,甚至颗粒无收。
Xoo在寄主水稻上寄生致病由一套“生态位专一特性”基因来决定,包括趋化因子、鞭毛编码基因、依赖Ⅱ型分泌系统胞外酶类、决定小种—品种专化性无毒基因和决定Xoo在非寄主植物上产生HR以及在寄主水稻上具有致病性基因等。
这些基因根据其在病程中作用差异分为毒力因子和致病性效应因子。
其中毒力因子基因改变对Xoo致病性影响很小或没有影响;
致病效应因子通过由hrp基因编码组成Ⅲ型泌出系统分泌进入水稻细胞中而导致寄主产生抗感病性,这些基因突变会引起Xoo致病性显著变化。
TAL效应子(TranscriptionactivatorLikeeffector)作为黄单胞杆菌蛋白类效应子之一,能够通过三型分泌系统(TypeIIIsecretionsystem,TTSS)进入植物细胞核,并和特定基因启动子DNA结合,类似于真核生物转录因子,启动植物基因表达,以控制植物生理生化进程。
病原菌通过进化产生一系列TAL效应子以利于在寄主上定殖和传播,而植物亦进化出一系列抗病策略以抑制该病原菌引起病害。
因此针对不同寄主植物基因型,TAL效应子既有可能是毒性因子,也有可能是无毒因子。
1、植物细菌病害三类主要致病基因
hrp是一个包含许多基因基因簇,是致病性决定因子,决定对寄主植物致病性和非寄主植物过敏反应。
其中编码Ⅲ型分泌通道基因是保守,调节基因和编码效应分子基因存在着不同程度变异,由Ⅲ型泌出通道分泌效应分子参和和寄主相互作用,而调节基因则决定hrp基因受寄主诱导特性;
avr基因(无毒基因)是和寄主抗病基因'
R'
特异互作基因,当这两个基因都显性表达时(R/A)表现为不亲和反应,已鉴定水稻白叶枯病菌无毒基因为avrBs3/PthA家族成员,国内外已鉴定了5个avrXa5、avrXa7、avrXa10、avrXa3、avrXa4。
dsp基因决定致病性,而和过敏反应无关,dsp基因是一个很广概念,其中可能包括不同类型和致病相关基因,国外报道从梨火疫病菌(E.amylovora)中克隆dspE基因在丁香假单保菌中可以起avrE功能,因此,dsp基因在不同病害系统中可能起到完全不同作用
2、植物病原细菌三型分泌系统
细菌Ⅲ型分泌系统是一步性分泌,是sec不依赖性。
所分泌效应蛋白不在胞浆间隙中停留,也不被切割,直接从胞质输送到细胞表面。
Ⅲ型分泌系统分泌信号长期以来被认为是位于分泌蛋白N端15-20个氨基酸,也不依赖于信号肽,而是通过其他途径,诸如mRNA5'
端、分泌蛋白N端、分泌前分泌蛋白和相应伴侣分子结合等情况。
其中和伴侣分子结合则是确保分泌前稳定性和有效分泌主要环节。
分泌系统需要激活信号才能启动分泌。
动物和植物细菌主要通过Ⅲ型分泌系统(T3SS)分泌各种效应因子,进入寄主细胞,有在寄主细胞内被各种特定蛋白(R蛋白)识别引起植物内部免疫防卫反应(Ralph,2009),有增加病原菌对植物致病力或者破坏植物内部免疫防卫反应,此系统是植物病原细菌致病机制研究焦点和热点。
通过X-ray结晶学分析,发现虽然细菌效应因子和已知寄主蛋白缺少同源序列,但是二者晶体结构很相似。
T3S由hrp(hypersensitiveresponseandpathogenicity)基因编码,hrp基因簇由20多个基因组成,其中大约有11个hrp基因在几乎所有细菌中是保守(定义为hrp基因),这些hrp基因主要功能是组装复杂纤毛(pilus)和分泌效应子蛋白(Chialetal.,2003)。
Ⅲ型分泌系统装置纤毛横跨细菌内外膜,直接将蛋白分泌到植物细胞内,所分泌Avr无毒蛋白和寄主植物抗性蛋白专一性识别,在抗病寄主和非寄主植物中诱导过敏性反应(hypersensitiveresponse,HR)。
T3S和细菌致病性关系最为密切,在细菌致病过程中起重要作用。
植物病原细菌hrp基因究竟是如何参和、介导植物病原细菌互作,现在还不是十分清楚,大致情形是:
植物通过细胞表面或亚细胞表面受体分子感应病原菌hrp基因调控信号,和经过HrpⅢ型分泌系统分泌病原菌效应蛋白(主要是harpin蛋白和Avr蛋白)结合,随后启动级联信号系统,引起受侵染抗病植物产生主动防御反应,活化防卫基因表达,最终表现对病原菌抗性;
或者通过Avr蛋白以及其他病原细菌毒力因子,识别感病寄主植物相应受体,活化信号传导链,使得病原细菌建立寄生和致病。
3、avr/pth家族基因结构和功能
avrBs3/PthA家族因存在于Xanthomonas属和Ralstoniasolanacear。
目前为止,Xanthomonas和Ralstoniasolanacearum已发现40多个avrBs3/PthA家族基因。
因有avrBs3/PthA家族基因具有致病性(pathogenicityPth)功能,因此这类基因统称为avrBs3/PthA家族(称avr/pth)。
Avr/pth家族蛋白具有80%~97%同源性,结构上具有以下共性:
(1)N端高度保守,T3SS(typeⅢsecretionsystem,T3SS)分泌信号存在其5′mRNA上;
(2)中间区域是几乎一样34个氨基酸重复单元重复,不同蛋白间差异主要在于重复单元重复数目上(0.5~33.5个);
(3)C端含有亮氨酸拉链结构(Leucinezipper,LZ)、核定位信号(Nuclearlocalizationsignals,NLSs)和酸性转录激活区域(Acidicactivationdomain,AD)
(4)每个重复单元第12和第13位氨基酸易发生变异。
34个氨基酸重复单元中第12和13位氨基酸变异并不是随机,具有一定规律性。
第12位在组氨酸(H)和天冬酰胺(A)之间变化,第13位在天冬氨酸(A)、异亮氨酸(I)、甘氨酸(G)和丝氨酸(S)
间变化。
按照“基因对基因”关系,水稻抗BBR基因和Xoo中相应avr/pth基因互作,则水稻产生过敏性反应(hypersensitiveresponse,HR)。
HR是抗病反应,是一种快速局部细胞死亡,并伴随着受侵染水稻组织中病菌生长受到抑制。
若水稻中没有avr/pth匹配R基因,则Xoo表现为毒性,即病菌能够危害水稻从而获得营养。
3.1无毒性功能
在Xoo-水稻互作体系中,目前鉴定Xoo小种超过30个,抗BBR基因占绝大部分,水稻抗BBR基因和Xoo中相应avr/pth基因互作,使水稻产生过敏性反应。
此外,avr/pth家族基因重复单元区域互置也可以改变无毒性功能。
3.2毒性功能
当水稻中缺乏和avr/pth匹配R基因时,无毒基因则表现为毒性功能,在水稻上毒性主要表现为水稻成株期病斑长短、病菌生长能力和苗期水浸症状等方面。
3.3植物先天免疫抑制因子功能
革兰氏阴性植物病原细菌激发非寄主植物产生HR,是植物先天免疫机制被激活结果,而决定HR激发功能是hrp基因簇编码harpin蛋白。
最近发现,avr/pth家族基因具有抑制植物先天免疫功能。
为了保证T3SS装置完整分泌功能,Fujikawa等,将丁香假单胞菌(Pseudomonassyringaepv.Syringae)完整hrp基因簇导入荧光假单胞菌55菌株中,重组荧光假单胞菌可在烟草上激发产生HR。
在此基础上,Fujikawa等又分别导入avr/pth家族成员ap11、avrXa7和avrXa10,重组荧光假单胞菌在烟草上激发HR能力被抑制。
这说明,avr/pth家族基因具有抑制植物先天免疫功能。
4、TAL效应子研究进展及特性
TAL效应子和寄主靶基因互作是一种新型蛋白-DNA结合方式,即2个特异氨基酸组合对应1个特异碱基。
第一个TAL效应子((AvrBs3)于1989年发现于辣椒斑点病细菌Xanthomonasscampestrispv.vesicatoria为感病基因如:
Os11N3、Os8N3、OsTFX1及OsHEN1等。
当前研究比较清楚TAL效应子都和靶基因启动子识别进而引起抗病或感病反应。
绝大多数TAL效应子对应寄主靶基因仍然未知。
研究最清楚avrBs3,其寄主靶基因为Bs3、UPA20等;
AvrBs3被注入到植物细胞核中,其中抗病基因Bs3启动子区存在能够特异性识别该无毒基因元件,受其诱导表达,产生抗性。
感病品种中受AvrBs3诱导UPA20等是感病相关基因,UPA20是一个转录因子,能够诱导下游基因UPA7表达,进而引起寄主细胞肥大,有利于病原菌侵染和定殖。
AvrBs4寄主靶基因是Bs4,和其他TAL效应子不同是,AvrBs4是在植物细胞质而不是细胞核中和Bs4识别并产生抗病。
其他研究比较明确主要为水稻白叶枯病细菌TAL效应子及其对应寄主靶基因,如avrXa3/Xa3、avrXa5/Xa5、avrXa7/Xa7和Os11N3、avrXa10/Xa10、avrXa23/Xa23、avrXa27/Xa27、pthXo1/Os8N3、pthXo3/Os11N3、pthXo6/OsTFX1、Tal9a/OsHEN1等。
抗白叶枯病基因Xa27能够专一性地受含无毒蛋白avrXa27菌诱导,引起植物抗病,而其等位基因xa27由于启动子区缺失和突变,不能受avrXa27诱导,进而发生感病。
PthXo1是一个毒性因子,它能够诱导水稻中感病基因Os8N3表达,引起植物感病,对该感病基因进行沉默可以使水稻对含PthXo1菌株产生抗性,Os8N3是MtN3家族中一员,对水稻花粉发育有促进作用,但是Os8N3生化功能还未知。
而隐性抗白叶枯病基因xa13是Os8N3基因启动子区发生了变化而不能够受PthXo1诱导表达。
当前研究比较清楚TAL效应子都和靶基因启动子识别进而引起抗病或感病反应,而仍然有许多TAL效应子和靶基因作用机制仍不明朗,需要进一步研究证实。
TAL效应子和寄主靶基因专一性识别,水稻抗白叶枯病基因Xa27专一性地受白叶枯病原菌中无毒蛋白AvrXa27诱导表达,感病基因Os8N3(Xa13)受TAL效应子PthXo1诱导,而当Os8N3启动子区发生突变,可以逃避PthXo1识别,xa13抗病基因便因此获得对白叶枯病抗性。
深入研究发现TAL效应子和寄主靶基因特异性识别发生在启动子区域。
AvrBs3和AvrBs3Δrep16分别特异地和Bs3及Bs3-E启动子区特定序列互作,Rö
mer等将这些识别序列称为UPT((UPregulatedbyTALeffectors)Box。
缺失突变分析和体外EMSA实验表明:
AvrBs3和AvrBs3Δrep16分别和UPTAvrBs3box和UPTAvrBs3Δrep16box专一性识别。
水稻抗白叶枯病基因Xa27受无毒蛋白AvrXa27诱导表达,序列分析发现,Xa27和其等位基因xa27编码区没有明显差异,只是在启动子区存在碱基缺失和变异。
对Xa27启动子进行分析,并将靠近TATAbox区突变位点相关片段导入到xa27启动子中,发现融合后xa27启动子能够受AvrXa27诱导,利用缺失突变及EMSA实验最终确定了最短UPTavrXa27box序列。
TAL效应子和寄主靶基因特异性识别发生在启动子区域。
,但TAL效应子不仅能够识别抗病基因启动子,它们靶基因还可能是感病相关基因。
受AvrBs3诱导Upa20基因能够引起植物生理状态上变化,例如细胞分裂以及细胞增大,以利于病原菌在寄主中定殖和生长。
受无毒因子诱导另外一些典型感病基因如Os8N3(Xa13)、OsTFX1以及Os11N3等分别受PthXo1、PthXo6及AvrXa7特异性诱导。
同样地,利用缺失突变及EMSA实验分析方法,相应UPTBox:
UPTPthXo1Box、UPTPthXo6Box以及UPTAvrXa7Box得到确认,根据UPTbox单个碱基突变分析表明,特定TAL效应子,专一性诱导特定UPTBox并识别相应UPTbox,这也是为什么许多R基因(Bs3、Xa27、Xa7、Xa10)仅受特定AvrBs3类无毒蛋白诱导原因,这从分子水平上验证了“基因对基因”学说。
5、讨论
研究探讨稻黄单胞菌白叶枯致病变种和寄主水稻互作机制,掌握其侵染水稻方式和途径,从而针对性从基因调节水平调控寄主植物,建立高效防御体系,增强抗病性,提高产量,具有十分重要意义。
目前为止,对植物病原细菌hrp基因究竟是如何参和、介导植物病原细菌互作,TAL效应子和靶基因作用机制等植物分子学知识尚不明确。
鉴于此,应以现有理论知识为依据大胆假设,并通过实验验证,积极探讨寻找答案。
【参考文献】
[1]储昭辉.水稻白叶枯病隐性抗病基因xa13分离和鉴定.华中农业大学博士论文,2005
[2]、杨万风,刘红霞,等.中国水稻白叶枯病菌毒性变异研究进展.植物病理学报.36(3):
244-248(2006)
[3]、王金生.水稻白叶枯病菌毒致病性及其变异机理研究.南京农业大学学报.2003
[4]、李玉蓉,邹丽芳,武晓敏,杨娟,陈功友.水稻黄单胞菌avrBs3/PthA家族基因研究进展.中国农业科学2007,40(10):
2193-2199
[5]、陈功友,邹丽芳,王邢平,向勇,王金生.水稻白叶枯病菌致病性分子遗传学基础.中国农业科学.2004,37(9):
1301-130
[6]、杨娟,许云鹤,邹丽芳,陈功友.白叶枯病菌xopXoo基因在致病性中作用.中国水稻科学(ChineseJRiceSci),2007,21(3):
242~246
[7]、李平,龙菊英,张燕,高学文,王金生.水稻黄单胞细菌无毒基因.南京农业大学学报2004,27(3):
119~124
[8]、刘全胜.水稻白叶枯病抗性基因研究进展.长江大学学报(自然科学版)2009年6月第6卷第2期:
农学
[9]、AlegriaMC,DocenaC,KhaterL,RamosCH,daSilvaAC,FarahCS.Newprotein-proteininteractionidentifiedfortheregulatoryandstructuralcomponentssubstratesofthetypeⅢsecretionsystemofthephytopathogenXanthomonasaxonopodispv.citri.JournalofBacteriology,2004,186:
6186-6197
[10]、JensBoch,HeidiScholze,SebastianSchornack,AngelikaL,SimoneH,SabineK,ThomasL,AnjaN,UllaBonas.BreakingtheCodeofDNABindingSpecificityofTAL-TypeIIIEffectors.Science,2009,326:
1509-1512
[11]、JorgeE,HansWolf-Watz.ProteindeliveryintoeukaryoticcellsbytypeⅢsecretionmachines.Nature,2006,444(30):
1038.
[12]、JinQ,HuW,BrownI,McGheeG,HartP,JonesAL,HeSY.VisualizationofsecretedHrpandAvrproteinsalongtheHrppilusduringtypeIIIsecretioninErwiniaamylovoraandPseudomonassyringae.Mol.Microbio.,2001,40,1129-1139.
[13]、ThomasL.MolecularsecretsofbacterialtypeⅢeffectorproteins.TrendsinPlantScience,2001,6(10):
497
[14]、ZhaoB,ArdalesEY,RaymundoA,BaiJ,TrickHN,LeachJE,HulbertSH.TheavrRxo1genefromthericepathogenXanthomonasoryzaepv.oryzicolaconfersanonhostdefensereactiononmaizewithresistancegeneRxo1.MolPlantMicrobeInteract,2004,17:
771–779
[15]、YangB,SugioA,WhiteFFAvoidanceofhostrecognitionbyalterationsintherepetitiveandC-terminalregionsofAvrXa7,atypeIIIeffectorofXanthomonasoryzaepv.oryzae.MolPlantMicrobeInteract,2005,18:
142–149
[16]、李岩强,王春连,赵开军等.病原菌TAL效应子和寄主靶基因相互识别分子密码.生物工程学报ChinJBiotech2011,August25;
27(8):
1132−1141
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