稻黄单胞菌白叶枯致病变种与寄主水稻互作机制(共9页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上稻黄单胞菌白叶枯致病变种与寄主水稻互作机制研究进展Current Progress in the Research on the Interaction mechanism of Xanthomonas oryzae pv. oryzae with Rice 摘要：由稻黄单胞菌水稻致病变种（Xanthomonas oryzae pv. oryzae, Xoo）引起的水稻白叶枯病是目前水稻最严重的细菌性病害之一，对水稻生产具有极大威胁。Xoo主要以hrp基因簇编码的三型分泌系统将效应分子注入寄主细胞中，促使其产生抗感病性。TAL 效应子 (Transcription a

2、ctivator Like effector) 作为黄单胞杆菌的蛋白类效应子之一，能够通过三型分泌系统 (Type III secretion system，TTSS) 进入植物的细胞核，并与特定基因启动子DNA 结合，类似于真核生物转录因子，启动植物基因的表达，以控制植物的生理生化进程，进而引发抗感病性。 Abstract The Xanthomonas oryzae pv. Oryzae, Xoo cause of Rice Bacterial Blight is at present the most serious bacterial diseases of rice, one of

3、the great threat of rice production has Xoo mainly hrp gene encoding the third Type of the secretion system will effect into host cells of molecules, and urges the produce of feeling sick sexual .Transcription activator Like effector as one kind of Xanthomonas oryzae pv. Oryzae protein effectors , c

4、an through the Type III secretion system, TTSS into the nucleus of plants, and And with a particular gene promoter DNA union, similar to the eukaryotes transcription factors, start plant gene expression, to control the plant the physiological and biochemical process and trigger a feeling of disease

5、resistance.水稻是我国重要的粮食作物，种植面积约占粮食作物总面积的30，而总产占粮食总产的40。水稻白叶枯病( Bacterial Blight, BB )是水稻生产上危害最大的细菌性病害之一，它由革兰氏阴性菌黄单孢水稻变种( Xanthomonas oryzae pv. oryzae , Xoo) 所引起,，病菌通常从水孔或伤口侵入水稻,，进入寄主维管束， 沿维管束传播并在维管束中大量繁殖， 最后蔓延至整个植株，沿叶脉维管束产生灰白色病斑。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在寄主水稻上的寄

6、生致病由一套“生态位专一特性”的基因来决定，包括趋化因子、鞭毛编码基因、依赖型分泌系统的胞外酶类、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的基因等。这些基因根据其在病程中作用的差异分为毒力因子和致病性效应因子。其中毒力因子基因的的改变对Xoo致病性的影响很小或没有影响；致病效应因子通过由hrp基因编码组成的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，这些基因的突变会引起Xoo致病性的显著变化。TAL 效应子 (Transcription activator Like effector) 作为黄单胞杆菌的蛋白类效应子之一，能够通过三型分泌系统

7、 (Type III secretion system，TTSS) 进入植物的细胞核，并与特定基因启动子DNA 结合，类似于真核生物转录因子，启动植物基因的表达，以控制植物的生理生化进程。病原菌通过进化产生一系列的TAL效应子以利于在寄主上的定殖和传播，而植物亦进化出一系列的抗病策略以抑制该病原菌引起的病害。因此针对不同的寄主植物的基因型，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的基因簇，是致病性决定因子，决定对寄主植物的致病性和非寄主植物的过敏反应。其中编码型分泌通道的基因是保守的，调节基因和编码效应分子的基因存在着不同程

8、度的变异，由型泌出通道分泌的效应分子参与与寄主的相互作用，而调节基因则决定hrp基因受寄主诱导的特性；avr基因（无毒基因）是与寄主抗病基因R特异互作的基因，当这两个基因都显性表达时（R/A)表现为不亲和反应，已鉴定的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，而与过敏反应无关，dsp基因是一个很广的概念，其中可能包括不同类型与致病相关的基因，国外报道从梨火疫病菌（E.amylovora)中克隆的dspE基因在丁香假单保菌中可以起avrE的功能，因此，dsp基因在不同病害

9、系统中可能起到完全不同的作用 2、植物病原细菌的三型分泌系统细菌的型分泌系统是一步性分泌，是sec不依赖性的。所分泌的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。型分泌系统的分泌信号长期以来被认为是位于分泌蛋白的N 端的15-20 个氨基酸，也不依赖于信号肽，而是通过其他途径，诸如mRNA 的5 端、分泌蛋白的N 端、分泌前分泌蛋白与相应的伴侣分子结合等情况。其中与伴侣分子结合则是确保分泌前的稳定性和有效分泌的主要环节。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型分泌系统( T3SS) 分泌各种效应因子 ,进入寄主细胞，有的在寄主细胞内被各种特定的蛋白(R蛋

10、白)识别引起植物内部免疫防卫反应(Ralph,2009)，有的增加病原菌对植物的致病力或者破坏植物的内部免疫防卫反应 ，此系统是植物病原细菌致病机制研究的焦点和热点。通过X-ray结晶学分析，发现虽然细菌的效应因子与已知寄主蛋白缺少同源序列，但是二者的晶体结构很相似。T3S 由hrp( hypersensitiveresponse and pathogenicity) 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的( 定义为hrp基因) , 这些hrp基因的主要功能是组装复杂的纤毛( pilus) 和分泌效应子蛋白(Chial et al.,

11、2003)。型分泌系统装置的纤毛横跨细菌内外膜, 直接将蛋白分泌到植物细胞内, 所分泌的Avr 无毒蛋白与寄主植物抗性蛋白专一性的识别, 在抗病寄主和非寄主植物中诱导过敏性反应( hypersensitive response, HR)。T3S 与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基因究竟是如何参与、介导植物病原细菌互作,现在还不是十分清楚,大致的情形是:植物通过细胞表面或亚细胞表面的受体分子感应病原菌的hrp基因调控信号,与经过Hrp 型分泌系统分泌的病原菌效应蛋白(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

12、主动的防御反应,活化防卫基因的表达,最终表现对病原菌的抗性; 或者通过Avr蛋白以及其他病原细菌毒力因子,识别感病寄主植物的相应受体,活化信号传导链,使得病原细菌建立寄生和致病。 3、avr/pth 家族基因的结构与功能avrBs3/PthA 家族因存在于 Xanthomonas 属和 Ralstonia solanacear。目前为止，Xanthomonas和Ralstonia solanacearum已发现 40 多个 avrBs3/PthA 家族基因。因有avrBs3/PthA 家族的基因具有致病性（pathogenicityPth） 功能， 因此这类基因统称为avrBs3/PthA 家

13、族 （称 avr/pth）。 Avr/pth 家族蛋白具有 80%97%的同源性， 结构上具有以下共性：（1） N 端高度保守，T3SS（type secretion system，T3SS）分泌信号存在其5 mRNA上；（2） 中间区域是几乎一样的 34 个氨基酸重复单元的重复，不同蛋白间的差异主要在于重复单元的重复数目上（0.533.5 个）；（3） C 端含有亮氨酸拉链结构（Leucine zipper，LZ）、核定位信号（Nuclear localization signals，NLSs）和酸性转录激活区域（Acidic activation domain，AD）（4） 每个重复单元的

14、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的，具有一定的规律性。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 BB 的 R 基因与 Xoo 中相应的avr/pth 基因互作，则水稻产生过敏性反应（hypersensitive response，HR）。HR是抗病反应，是一种快速局部的细胞死亡，并伴随着受侵染水稻组织中病菌的生长受到抑制。若水稻中没有 avr/pth 匹配的 R 基因，则 Xoo 表现为毒性，即病菌能够危害水

15、稻从而获得营养。3.1无毒性功能 在Xoo水稻互作体系中，目前鉴定的 Xoo 小种超过30 个，抗 BB 的 R 基因占绝大部分，水稻抗 BB 的 R 基因与 Xoo 中相应的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的互置也可以改变无毒性功能。3.2毒性功能 当水稻中缺乏与 avr/pth 匹配的R 基因时， 无毒基因则表现为毒性功能，在水稻上的毒性主要表现为水稻成株期病斑的长短、病菌的生长能力和苗期的水浸症状等方面。3.3植物先天免疫抑制因子的功能 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的结果，而决定HR激发功能

16、的是 hrp 基因簇编码的 harpin 蛋白。最近发现，avr/pth家族基因具有抑制植物先天免疫的功能。为了保证 T3SS 装置的完整分泌功能，Fujikawa 等，将丁香假单胞菌（Pseudomonas syringae pv. Syringae）的完整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，重组的荧光假单胞菌在烟草上激发 HR的能力被抑制。这说明，avr/pth家族基因具有抑制植物先天免疫的功能。4、TAL 效应子的研究进展及特性

17、TAL 效应子与寄主靶基因的互作是一种新型的蛋白-DNA 结合方式，即2个特异的氨基酸组合对应1个特异的碱基。第一个TAL效应子（ (AvrBs3) 于1989年发现于辣椒斑点病细菌Xanthomonas scampestris pv. vesicatoria 的为感病基因如：Os11N3、Os8N3、OsTFX1 及OsHEN1 等。当前研究比较清楚的 TAL 效应子都与靶基因启动子识别进而引起抗病或感病反应。绝大多数的TAL效应子对应的寄主靶基因仍然未知。研究最清楚的avrBs3，其寄主靶基因为Bs3、UPA20 等；AvrBs3 被注入到植物的细胞核中，其中抗病基因Bs3启动子区存在能够

18、特异性识别该无毒基因的元件，受其诱导表达，产生抗性。感病品种中受AvrBs3 诱导的 UPA20 等是感病相关的基因，UPA20 是一个转录因子，能够诱导下游基因UPA7的表达，进而引起寄主细胞肥大，有利于病原菌的侵染和定殖。AvrBs4的寄主靶基因是Bs4，与其他 TAL 效应子不同的是，AvrBs4 是在植物细胞质而不是细胞核中与Bs4识别并产生抗病的。其他研究比较明确的主要为水稻白叶枯病细菌的TAL效应子及其对应的寄主靶基因，如avrXa3/Xa3、avrXa5/Xa5、avrXa7/Xa7 和 Os11N3、avrXa10/Xa10、 avrXa23/Xa23 、 avrXa27/Xa

19、27 、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菌的诱导，引起植物的抗病，而其等位基因xa27由于启动子区的缺失和突变，不能受avrXa27 的诱导，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的表达，引起植物感病，对该感病基因进行沉默可以使水稻对含PthXo1的菌株产生抗性，Os8N3是MtN3家族中的一员，对水稻的花粉发育有促进作用，但是Os8N3的生化功能还未知。而隐性抗白叶枯病基因xa13是Os8N3基因启动子区发生了

20、变化而不能够受 PthXo1 的诱导表达。当前研究比较清楚的 TAL 效应子都与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 效应子与靶基因的作用机制仍不明朗，需要进一步的研究证实。 TAL 效应子与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的诱导表达，感病基因Os8N3 (Xa13)受TAL效应子PthXo1的诱导，而当Os8N3启动子区发生突变，可以逃避 PthXo1 的识别，xa13 抗病基因便因此获得对白叶枯病的抗性。深入的研究发现TAL 效应子与寄主靶基因的特异性识别发生在启动子区域。AvrBs3 和AvrBs3

21、rep16 分别特异地与 Bs3及Bs3-E 的启动子区的特定序列互作，Rmer 等将这些识别序列称为 UPT(UP regulated by TAL effectors)Box。缺失突变分析和体外的EMSA实验表明：AvrBs3 和AvrBs3rep16 分别与 UPTAvrBs3 box 和 UPTAvrBs3rep16 box 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与其等位基因 xa27 的编码区没有明显的差异，只是在启动子区存在碱基的缺失和变异。对Xa27的启动子进行分析，并将靠近 TATA box 区的突变位点的相关片段导入到

22、xa27 的启动子中，发现融合后的xa27启动子能够受 AvrXa27 的诱导，利用缺失突变及 EMSA 实验最终确定了最短的 UPTavrXa27box序列。 TAL 效应子与寄主靶基因的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的启动子，它们的靶基因还可能是感病相关的基因。受AvrBs3诱导的Upa20基因能够引起植物生理状态上的变化，例如细胞分裂以及细胞增大，以利于病原菌在寄主中的定殖和生长。受无毒因子诱导的另外一些典型的感病基因如 Os8N3 (Xa13)、OsTFX1 以及 Os11N3 等分别受 PthXo1、PthXo6 及AvrXa7 的特异性诱导。同样

23、地，利用缺失突变及 EMSA 实验分析的方法，相应的 UPT Box：UPTPthXo1Box、UPTPthXo6Box 以及 UPTAvrXa7Box 得到确认，根据 UPT box 单个碱基的突变分析表明，特定的 TAL 效应子，专一性诱导特定的 UPT Box并识别相应的 UPT box，这也是为什么许多 R 基因 (Bs3、Xa27、Xa7、Xa10) 仅受特定的 AvrBs3 类无毒蛋白诱导的原因，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与寄主水稻互作机制，掌握其侵染水稻的方式和途径，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，

24、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基因究竟是如何参与、介导植物病原细菌互作，TAL 效应子与靶基因的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的分离与鉴定.华中农业大学博士论文，20052、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.20034、李玉蓉，邹丽芳，武晓敏，杨 娟，陈功友.水稻黄单胞菌avrBs

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