談番茄細(xì)菌性斑點(diǎn)病菌無(wú)毒基因研究進(jìn)展

1、談番茄細(xì)菌性斑點(diǎn)病菌無(wú)毒基因研究進(jìn)展摘要： 番茄細(xì)菌性斑點(diǎn)病是影響番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的重要病害，Pseudomonas syringae pv.tomato(Pst)為其病原菌，其與番茄的互作系統(tǒng)是研究植物抗感病機(jī)理的典型模式系統(tǒng)。Pst存在2種無(wú)毒基因：avrPto和 avrPtoB，它們編碼的蛋白質(zhì)均能與番茄抗性基因P0編碼的serThr蛋白激酶互作，符合Flor“基因?qū)颉睂W(xué)說(shuō)。AvrPto和 AvrPtoB在表達(dá)Pto的抗性植物中，與Pto互作，表現(xiàn)無(wú)毒功能，引發(fā)植物防御反應(yīng)；而在缺失Pto的感病植物中，它們具有毒性，促進(jìn)細(xì)菌的生長(zhǎng)。本文綜述了番茄細(xì)菌性斑點(diǎn)病菌無(wú)毒基因avrPto及av

2、rPtoB的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其功能，這有助于了解病原物與植物的互作機(jī)制，對(duì)認(rèn)識(shí)植物的感病性、抗病性以及植物防御反應(yīng)都具有重要意義。 關(guān)鍵詞： 無(wú)毒基因； 抗病基因； 植物防御反應(yīng)； 過(guò)敏性壞死反應(yīng) 番茄是重要的經(jīng)濟(jì)作物，每年因病蟲(chóng)危害，造成其大量減產(chǎn)。番茄細(xì)菌性斑點(diǎn)病是危害番茄生產(chǎn)的重要病害之一，為一種世界性病害，主要危害番茄的葉、莖、花、葉柄和果實(shí)。自1933年首次報(bào)道以來(lái)，在全球26個(gè)國(guó)家均有發(fā)現(xiàn)，我國(guó)也于1998年發(fā)現(xiàn)。據(jù)報(bào)道，該病可造成575的產(chǎn)量損失。該病的病原菌是丁香假單胞番茄致病變種Pseudomonas syringae pv.tomato(Pst)。 Pst與番茄的互作系統(tǒng)是研究病

3、原物與植物互作的典型模式系統(tǒng)，該系統(tǒng)的無(wú)毒基因(avirulencegene，avr)和抗病基因(resistence gene，R)符合Flor“基因?qū)颉睂W(xué)說(shuō)。當(dāng)病原物中存在無(wú)毒基因avrPto或avrPtoB，寄主中存在并表達(dá)相應(yīng)抗病基因Pto時(shí)，無(wú)毒蛋白就會(huì)與抗病蛋白相識(shí)別，激活植物防御反應(yīng)系統(tǒng)，引起過(guò)敏性壞死反應(yīng)(hypersensitive reaction，HR)，從而抑制細(xì)菌的生長(zhǎng)。 本文綜述了番茄細(xì)菌性斑點(diǎn)病無(wú)毒基因avrPto及avrPtoB的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其功能，從無(wú)毒基因的角度闡述病原物與植物的互作機(jī)制，這對(duì)認(rèn)識(shí)植物的感病性、抗病性以及植物防御反應(yīng)都具有重要意義。 1 病

4、原菌Pseudomonas syringae pv. tomato Pseudomonas syringae是農(nóng)業(yè)上重要的植物病原細(xì)菌，根據(jù)其宿主特異性，該菌可分為50多個(gè)致病變種Pst是其中的一個(gè)致病變種，該菌菌體短桿狀，直或稍彎，單細(xì)胞，大小為(0.11)m(1.54)m，革蘭氏陰性，在含蔗糖的培養(yǎng)基上能產(chǎn)生綠色熒光，超過(guò)41不能生長(zhǎng)。該菌株能夠侵染番茄和擬南芥。 Pseudomonas syringae pv.tomato DC3000是Pseudomonas syringae pv.tomato的模式種，2003年C.R.Buell等報(bào)道了它的全基因組序列，這是丁香假單胞菌屬中第一個(gè)被

5、完全測(cè)序的菌株，此工作的完成為研究 Pst的致病機(jī)理奠定了基礎(chǔ)。Pst存在2個(gè)小種：0號(hào)小種和1號(hào)小種，2個(gè)小種的區(qū)別在于它們對(duì)抗病番茄具有不同的毒力。在抗病番茄上接種Pst的0號(hào)小種，植物會(huì)產(chǎn)生HR反應(yīng)；而在抗病番茄上接種1號(hào)小種，Pst大量增殖，引起感病反應(yīng)。如果將O號(hào)小種或1號(hào)小種接種于不表達(dá)Pro的感病番茄植株上，它們都會(huì)引起番茄的感病反應(yīng)。 2無(wú)毒基因簡(jiǎn)介 植物機(jī)體內(nèi)存在防御機(jī)制，當(dāng)植物受到病原菌侵襲時(shí)，能夠檢測(cè)到病原菌，從而延遲或抑制疾病的發(fā)生。植物的防御反應(yīng)包括兩種：一種是基礎(chǔ)防御反應(yīng)，包括細(xì)胞壁的加厚，防御相關(guān)蛋白的表達(dá)等；另一種是依賴于抗性蛋白的HR反應(yīng)，是指在抗病植物中存在

6、抗病基因(R)，其表達(dá)的抗病蛋白(R蛋白)能夠識(shí)別病原菌型分泌系統(tǒng)(typese cretion system，TTSS)的效應(yīng)因子，與之互作，從而激活植物防御反應(yīng)系統(tǒng)，引起過(guò)敏性壞死反應(yīng)(HR)，過(guò)敏性壞死反應(yīng)的主要表現(xiàn)就是引起侵染位點(diǎn)的局部快速的程序性壞死反應(yīng)(programed cell death，PCD)，從而抑制侵染位點(diǎn)病原菌的生長(zhǎng)和擴(kuò)展。 病原菌必須克服植物防御反應(yīng)，從中獲得營(yíng)養(yǎng)得以增殖，才能夠使植物發(fā)病。很多革蘭氏陰性菌侵襲植物都需要TTSS，病原菌通過(guò)TTSS將效應(yīng)蛋白注入植物體內(nèi)，這些蛋白進(jìn)入寄主細(xì)胞后，可以通過(guò)修飾或改變寄主的關(guān)鍵蛋白來(lái)促使植物發(fā)病。目前已鑒定了50多種可

7、以進(jìn)入寄主細(xì)胞的病原菌效應(yīng)蛋白，這些效應(yīng)蛋白進(jìn)入寄主細(xì)胞后，修飾或改變寄主的關(guān)鍵蛋白以改變植物的生理狀態(tài)，抑制植物防御反應(yīng)，從而提高病原菌的生存適合度，最終導(dǎo)致其大量增殖，致使植物發(fā)病。TTSS中編碼 型泌出通道的hrp(HR and pathogenicity)和hrc(HR and conserved)基因、編碼效應(yīng)蛋白的avr(avirulence)和hop(Hrpdependent out protein，依賴hrp的泌出蛋白)基因，均決定著植物病原細(xì)菌在寄主和非寄主植物上的反應(yīng)。 無(wú)毒基因是病原菌的遺傳因子，其編碼產(chǎn)物能夠激發(fā)病原物與寄主特異性互作。病原物無(wú)毒基因與植物抗病基因產(chǎn)物之

8、間相互作用導(dǎo)致產(chǎn)生的基因?qū)蚩剐允侵参锟共⌒缘闹匾问?。無(wú)毒基因 (avr)被認(rèn)為是一類兩性效應(yīng)因子(bifunctional effector)，在決定病原細(xì)菌的無(wú)毒性和致病性兩方面均起作用：在含互補(bǔ)抗病基因植物中表現(xiàn)無(wú)毒效應(yīng)，而在不含互補(bǔ)抗病基因植物中顯示毒性效應(yīng)。雖然大部分無(wú)毒蛋白的功能至今還不清楚，但已探清一些無(wú)毒蛋白的氨基酸序列和已知蛋白序列同源，如avrBs3、pthA以及avrb6都具有 NLS(nuclear localization signal)序列，將含有放射性標(biāo)記的基因嵌入到NLS區(qū)，能定位到細(xì)胞核中。這就表明，定位于細(xì)胞核對(duì)于發(fā)揮無(wú)毒基因功能是必要的。 Pst存在2

9、種無(wú)毒基因：無(wú)毒基因avrPto和avrPtoB。這2種無(wú)毒基因均已克隆并獲得全序列，1992年從Pst的O號(hào)小種中克隆到無(wú)毒基因 avrP-to，2002年又克隆到了無(wú)毒基因avrPtoB。avrPto和avrPtoB序列一致性很低，分別編碼具有18ku和59ku的蛋白質(zhì)。關(guān)于它們的功能，2005年N.C.Lin等構(gòu)建了DC3000avrPto、avrPtoB以及avrPtoavrPtoB突變體，分別接種于感病番茄上，發(fā)現(xiàn)野生型DC3000引起的癥狀較單突變體的癥狀嚴(yán)重，單突變體的癥狀又較雙突變體嚴(yán)重，而菌群數(shù)量沒(méi)有差別。由此可見(jiàn)，avrPto和 avrPtoB是Pseudomonas sy

10、ringae pv.tomato DC3000上僅有的無(wú)毒基因。 AvrPtoPto和AvrPtoBPto符合Flor“基因?qū)颉睂W(xué)說(shuō)。AvrPto和AvrPtoB通過(guò)TTSS進(jìn)入到植物體中，在缺失Pto的感病番茄中，它們是毒性因子，能夠促進(jìn)細(xì)菌的生長(zhǎng)；在表達(dá)Pto的抗病番茄中，它們作為無(wú)毒因子，能夠引起宿主的HR反應(yīng)。Pto存在于抗病番茄中，編碼一個(gè)絲氨酸一蘇氨酸(Ser-Thr)的蛋白激酶，它能特異性的識(shí)別avrPto或avrPtoB編碼的無(wú)毒蛋白，激活植物防御反應(yīng)系統(tǒng)，從而引發(fā)植物的抗病反應(yīng)。 3 無(wú)毒基因avrPto 31avrPto基因結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 無(wú)毒基因avrPto存在于Pst O

11、號(hào)小種中，于1992年首次分離。無(wú)毒基因avrPto編碼一個(gè)由164個(gè)氨基酸組成的18ku親水性蛋白質(zhì)，其N末端具有十四烷基結(jié)構(gòu)域和棕櫚酸鹽結(jié)構(gòu)域，這兩個(gè)結(jié)構(gòu)域能將蛋白定位并穩(wěn)定于植物細(xì)胞膜上。缺失N末端十四烷基結(jié)構(gòu)域的AvrPto突變體G2A，不能將AvrPto定位于植物細(xì)胞膜上，也不能與Pto互作，從而不能引起基于Pto介導(dǎo)的抗病反應(yīng)。因此，推測(cè)無(wú)毒蛋白AvrPto在Pst的細(xì)胞質(zhì)中合成，通過(guò)TTSS進(jìn)入到植物細(xì)胞中，在植物細(xì)胞膜上與Pto識(shí)別、互作、引起植物的抗病反應(yīng)。AvrPto和其他無(wú)毒蛋白一樣，在GenBank和EMBL中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)它的同源序列。 avrPto啟動(dòng)子上游具有hrp基因

12、簇，該基因簇位于-42至-34區(qū)域，能夠調(diào)節(jié)avrPto的表達(dá)，缺失突變-34區(qū)域能引起avrPto mRNA表達(dá)量急劇下降，因此該位點(diǎn)可能是轉(zhuǎn)錄因子的識(shí)別位點(diǎn)。-37至-31的核苷酸序列TGGAACC，除了存在于avrPto的上游以外，也存在于其他很多無(wú)毒基因的上游，例如，avrPph3、avrB、avrC、avrD、avrRpt2以及hrpAB、hrpF、hrpS。但是，還沒(méi)有直接的試驗(yàn)結(jié)果證明該位點(diǎn)是轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點(diǎn)。 分析AvrPtoPto互作的晶體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)AvrPtoPro的互作依賴于AvrPto的一端的螺旋束和GINP結(jié)構(gòu)域(Gly-Ile-Asn-Pro)，它們分別能夠與Pr

13、o蛋白激酶的P-1環(huán)和P+1環(huán)結(jié)合。 32avrPto的無(wú)毒功能 avrPto在表達(dá)Pto的抗病番茄上具有無(wú)毒功能，在缺失Pto的感病番茄上具有毒性功能。將Pst1號(hào)小種接種于表達(dá)Pto的抗病番茄中，引起寄主的HR反應(yīng)；將avrPto采用農(nóng)桿菌的方法轉(zhuǎn)化到表達(dá)Pto的Nicotiana tabacum和N.benthamiaria的葉片中，能夠引起煙草的HR反應(yīng)。說(shuō)明AvrPto是一個(gè)能夠單獨(dú)起作用無(wú)毒因子，番茄Pto基因家族的成員能夠直接或間接地識(shí)別它，引起抗病反應(yīng)。 1996年Tang等通過(guò)酵母雙雜交系統(tǒng)分析AvrPto和Pto是否能直接互作，結(jié)果表明，AvrPto能與Pto發(fā)生高度特異性

14、互作，而與Pto基因家族的其他成員不能互作。迄今為止，通過(guò)純化的蛋白還不能證明AvrPto和Pto能否在體外互作，因此還不能證明是否有其他宿主蛋白參與互作。后續(xù)的研究發(fā)現(xiàn)要激活植物抗性，除了需要AvrPto和Pto外，還需要富含亮氨酸重復(fù) (leucine-rich repeat，LRR)的Prf蛋白、Fbox蛋白SGTl以及HSP90。 為了研究AvrPto Pto互作機(jī)制，Shan等構(gòu)建了AvrPto的多個(gè)突變體，發(fā)現(xiàn)AvrPto的164個(gè)氨基酸并不都是與Pto互作所必需的。Lin等構(gòu)建重組 AvrPto蛋白，即第19個(gè)氨基酸包含十四烷基化結(jié)構(gòu)域和十六?；Y(jié)構(gòu)域和部分AvrPto蛋白(2

15、9133)組成融合蛋白，通過(guò)農(nóng)桿菌方法轉(zhuǎn)化到表達(dá)Pro基因的抗性番茄中，發(fā)現(xiàn)仍然能夠引起HR反應(yīng)；去掉N末端的30個(gè)氨基酸以及C末端的40個(gè)氨基酸也不影響AvrPto與Pto在酵母雙雜交系統(tǒng)中的互作，說(shuō)明AvrPto的N末端和C末端并不是AvrPtoPto互作所必需的；點(diǎn)突變AvrPto蛋白164個(gè)氨基酸中的60個(gè)不影響其與 Pto的互作。 一直以來(lái)，人們認(rèn)為AvrPto與Pro互作激活了Pto的激酶活性，然而，最近研究AvrPtoPto復(fù)合體的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，AvrPtoPto互作并沒(méi)有改變Pto激酶活性，而是激活了Prf的活性。在缺失AvrPto時(shí)，Pto激酶上的-1與P+1環(huán)能夠抑制 Pr

16、f活性，從而抑制其介導(dǎo)的抗性反應(yīng)；一旦AvrPto與Pto互作，Pro激酶上的1和P+1就會(huì)和AvrPto上的螺旋束以及GINP結(jié)構(gòu)域 (Gly-IleAsn-Pro)互作，從而改變了Pto與Prf原有的互作方式，激活Prf，引起Prf介導(dǎo)的抗病反應(yīng)。 研究還發(fā)現(xiàn)AvrPto有2個(gè)顯著的結(jié)構(gòu)域，其中由S94、I96和G99所編碼AvrPto的結(jié)構(gòu)域?qū)τ谧R(shí)別Pto蛋白中N145、P146、S147和S153編碼的結(jié)構(gòu)域很重要，它們可能參與AvrPtoPto互作。 33avrPto的其他功能 AvrPto除了能夠和Pto互作，引發(fā)Pto介導(dǎo)的抗病反應(yīng)之外，還能夠抑制番茄上非寄主病原菌引起的HR反應(yīng)。Pseudomonas syringae pv.tomatoTl是N.benthamiana的非寄主病原菌，它能夠在Nbentharniana上引起HR反應(yīng)。然而在此植株上如果同時(shí)接種 Pseudomonas syringae pv.tomato T1和P.s.pv.tomato DC3000時(shí)，這種壞死反應(yīng)就會(huì)被延遲；對(duì)AvrPto的突變體研究發(fā)現(xiàn)，AvrPto的某些結(jié)構(gòu)域?qū)τ谝种芇CD是必須的，如G2A，