植物病原细菌群体感应机制及其应用

２
２．１
０１．
细菌间群体感应系统的信号转导机制
革兰氏阳性菌的ＱＳ系统 革兰氏阳性细菌主要以ＡｌＰ为信号分子，所有的ＡＩＰ分子都是在细胞质中由前导肽切割、加工而成为
成熟的信号分子．ＡＩＰ分子的氨基酸残基一般为８～９ Ｃ端第５位是一个保守的半胱氨酸，它与Ｃ末端的氨 基酸残基以硫酯键相连，形成类酯．ＡＩＰ分子不能自由穿透细胞壁，需要ＡＢＣ转运系统（ＡＴＰ—Ｂｉｎｄｉｎｇ— ｃａｓｓｅｔｔｅ）或其它膜通道蛋白作用到达胞外行使功能．这种寡肽信号也随菌体密度的增加而增加，当到达临界 密度时，位于膜上的ＡｌＰ分子能与膜上的感应器作用．ＡＩＰ的感应器是一种双组分的蛋白激酶．当膜上激酶 与信号分子识别后，促进激酶中组氨酸残基磷酸化，经过天冬氨酸残基的传递，最终把磷酸基团传递给受体 蛋白，磷酸化后的受体蛋白能与ＤＮＡ特定靶位点结合，结果导致相应调控蛋白磷酸化，磷酸化后的调控蛋 白与ＤＮＡ的特定位点结合从而调控靶基因的表达．ＡｌＰ群体感应系统的特异性取决于蛋白激酶感应器对 ＡＩＰ分子结构差别的高度敏感性． ２．２革兰氏阴性菌的ＱＳ系统 革兰氏阴性菌中的ＱＳ系统主要Baidu NhomakorabeaＡＨＬ类信号分子及其受体蛋白组成．ＡＨＬ分子的典型特征是含有 高丝氨酸内酯环和一个酰胺链，高丝氨酸内酯环是这类化合物共有的特性，酰胺链中的碳原子数（从４到１８ 个，多为偶数，奇数中只有７）和第３位上取代基（氢、羟基、羰基）决定了该类信号分子对细菌的不同调控功 能［２¨．ＡＨＬ信号分子可自由穿透细胞壁与膜并在环境中累计，当达到一定密度阈值时，能与相应受体蛋白 的氨基端结合，形成特定的构象，使羧基端能与靶ＤＮＡ序列相结合，从而调控某些功能基因的表达．同时， ＡＨＬ分子与受体蛋白的复合体也对ＡＨＬ分子及受体蛋白本身的产生具有反馈调节效应．如在海洋细菌Ｖ
２０１０年１２月 第３１卷第６期
湛江师范学院学报
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＺＨＡＮＪ ＩＡＮＧ ＮＯＲＭＡＬ ＣＯＬＬＥＧＥ
Ｄｅｃ．，２０１０ Ｖ０１．３ｌ ＮＯ．６
植物病原细菌群体感应机制及其应用
欧阳乐军１”，黄真池１，沙月娥１”，曾富华１’孙，卢向阳２
（１．湛江师范学院生命科学与技术学院．广东湛江５２４０４８；２．湖南农业大学生物科学与技术学院。湖南长沙４１０１２８） 摘要：群体感应是细茵群体行为的一种调控机制．自然界中的很多细茸都有这种能力，即分泌一种或多种信 号分子，通过这些信号分子的密度来感知茵群密度．胡ｔ４ｔ－－系列相应靶基因的表达．目前．已在许多革兰氏阳性茵 和阴性茵中发现了群体感应系统．调控基因的表达．该文综述了细茵群体感应系统的研究进展及其应用． 关键词：群体感应；自体诱导物；细茵
ｉｂｒｉｏ
ｆｉｓｃｈｅｒｉ中，ＡＨＬ达到有效的阈值浓度时与受体ＬｕｘＩ蛋白结合形成的信号分子３一ＯＸＯ—Ｃ６一ＨＳＬ
和转录活性蛋白ＬｕｘＲ结合形成聚合物，该聚合物能够激活Ｖ．ｆ／ｓｃｈｅｒｉ的ｌｕｘ操纵子，从而控制某些特定 基因的表达心引．
３
植物病原细菌群体感应的利用
病原细菌对宿主植物的致病过程复杂多样，包括以下几个可能相互交叉的阶段：病菌对宿主的侵袭和定
ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）．
目前，植物病原细菌的群体猝灭主要通过以下３条途径［２６］：（１）阻断病原细菌ＱＳ信号分子的合成；（２） 利用病原菌信号分子的类似物与信号分子受体蛋白竞争性结合来阻断病原菌ＱＳ系统；（３）培育转基因植物 酶促降解ＱＳ信号分子．
３．１
阻断病原细菌ＱＳ信号分子的合成 由于许多植物病原细菌依赖信号分子介导的ＱＳ系统调控致病基因和毒性因子的表达，导致植物发生
１
细菌群体感应的信号分子
细菌的群体感应是由细菌自身合成并分泌到环境中去的一些特殊、微小、可扩散的有机化学分子介导
的，这些物质被称为自诱导物（ａｕｔｏｉｎｄｕｃｅｒ）或信号素（ｐｈｅｒｏｍｏｎｅ）［１¨．革兰氏阴性菌利用具有不同酰基侧链 的高丝氨酸内酯（ａｃｙｌ—ｈｏｍｏｓｅｒｉｎｅ ｌａｃｔｏｎｅ，ＡＨＬ）作为信号分子．此外，脂肪酸衍生物如３一羟基棕榈酸甲 酯（３一ｈｙｄｒｏｘｙｐａｌｍｉｔｉｃ ａｃｉｄ ｍｅｔｈｙｌ ｅｓｔｅｒ）以及一些顺式不饱和脂肪酸（ｃｉｓ—ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ ｆａｔｔｙ ａｃｉｄｓ）也可作 为信号分子．例如青枯菌（Ｒａｌｓｔｏｎｉａ ｓｏｌａｎａｃｅａｒｕｍ）产生的３一羟基棕榈酸甲酯，通过调控其表现性转换系统 Ｐｈｃ调节子的表达以适应青枯菌的密度效应及增殖［１ ５１．革兰氏阳性菌利用一些寡肽类（Ａｕｔｏｉｎｄｕｃｉｎｇ
植物抗病性．实验研究已表明这种方法可有效地减弱病原细菌的致病力，提高寄主植物的抗病性１２７－２８３．
Ｄｏｎｇ等（２０００）从Ｂａｃｉｌｌｕｓ ２４０８１菌株中克隆到了世界上第一个ＡＨＬ内酯酶（ａｃｙｌ－－ｈｏｍｏｓｅｒｉｎｅ
ｌａｃｔｏｎａｓｅ，
ＡＨＬ—ｌａｃｔｏｎａｓｅ）基因ａｉｉＡ，该酶通过水解ＡＨＬ的内酯键来钝化ＡＨＬ的活性．当植物中表达ＡＨＬ内酯 酶时，能够猝灭病原细菌群体感应的信号传导，增强了植物对病菌的的抗性（．２９－３０３．Ｌｉｎ等（２００３）从雷尔氏属 细菌（Ｒａｌｓｔｏｎｉａ）ＸＪｌ２Ｂ菌株中克隆到了一个酰基转移酶基因ａｉｉＤ，该酶通过水解ＡＨＬ酰胺键，具有钝化 ＡＨＬ信号分子的活性【３川．Ｐａｒｋ等［３２ｊ从链霉菌（Ｓｔｒｅｐｔｏｍｙｃｅｓ ｓｐ．）Ｍ６６４菌株中成功克隆了能产生降解 ＡＨＬ酶的基因ａｈｌＭ，当ＡｈｌＭ蛋白加入到铜绿假单胞菌的培养基中，能够减少病菌的ＡＨＬ积累和降低毒 性因子的产生．Ｃｈｅｎ（２００９）等ｂ３０从青枯菌ＧＭＩ 的研究表明能显著降低混合接种菌株的致病力． 我国科研工作者也开展了转ＡＨＬ内酯酶基因植物相关研究．张霞等［３ｑ将ａｉｉＡ基因转入到植物根际促 生细菌荧光假单胞菌Ｐ３０３中，构建成防治植物细菌和真菌病害的工程菌Ｐ３０３一ｓｓｌ０，该工程菌还对马铃薯 软腐病和大白菜软腐病都有一定的抑制作用．邱健等［３５］在大肠杆菌中表达并纯化了ＡｉｉＡ蛋白．试验结果显 示ＡｉｉＡ蛋白能够降解８种ＡＨＬ信号分子，并且可以显著降低胡萝卜软腐病菌胞外蛋白的产量．张争１３６３等 用ＰＣＲ扩增获得青枯菌ＧＭＩ
湛江师范学院学报（自然科学）
第３１卷
ＱＳ系统信号分子的酶，从而阻断病原细菌ＱＳ信号分子的合成．苏云金芽孢杆菌能产生的ＡＨ乙一ｆａｃｔｏ— ｎａｓｅ，这种酶可水解ＡＨＬ的内酯键，使病原菌的群体信号机制失活．
３．２
利用病原菌信号分子的类似物干扰病原细菌的群体感应 由于病原菌信号分子类似物能与信号分子受体蛋白形成的复合体，从而可以作为竞争物与受体蛋白结
殖、毒力因子的产生和作用于宿主、对宿主免疫和药物的抵抗［２３－２引．过去的研究发现丧失了产生信号分子的 菌株即丧失了致病性，通过外加信号分子又可恢复突变株的致病性，从而说明信号分子与病菌的致病性有直 接关系［２朝．在动植物病原菌中表达异源的ＡＨＬ内酯酶和ＡＨＬ酰胺酶均能显著减轻致病菌的致病力．在植 物中表达ＡＨＬ内酯酶基因能有效地消减细菌群体感应信号分子，瓦解了细胞密度依赖型细菌的侵染．许多 能够合成ＡＨＬ内酯酶的细菌如苏云金芽孢杆菌、荧光假单胞菌等或携带外源ＡＨＬ内酯酶基因的工程菌， 与致病菌欧文氏胡萝卜软腐病菌混合接种马铃薯，发病程度远比单独接种病原菌的减弱．因此，以病原细菌 ＱＳ系统尤其是ＱＳ信号分子为靶标，干扰和破坏病原细菌ＱＳ系统，可能会有效地减弱病原细菌的致病力． 据此，研究人员试图通过破坏ＡＨＩ。信号或干扰群体感应的通讯系统来破坏细菌的群体感应．这些方法被称 为群体猝灭（ｑｕｏｒｕｍ ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）、抗致病性（ａｎｔｉｐａｔｈｏｇｅｎｉｃ）或者信号干扰（ｓｉｇｎａｌ
合干扰病原细菌的群体感应．研究发现，细菌、植物和藻类等能够通过分泌细菌ＱＳ信号分子的类似物阻断 或干扰细菌ＱＳ系统．其中发现最早也是研究最广泛的是海洋红藻Ｄｅｌｉｓａ ｐｕｌｃｈｒａ产生的卤化呋喃，它的分 子结构与ＡＨＬ相似，可以和细菌的ＡＨＬ受体蛋白竞争性结合，并且促进这些受体分子的降解．也可采用生 防菌产生的信号分子的类似物，干扰或猝灭病菌的群体感应，提高植物的抗病性．特别是随着研究的深入，一 旦从高等植物中获得了信号分子阻遏物，就可以通过转基因的方式培育能产生病原菌信号分子的类似物的 植物，从而干扰病原细菌的群体感应以达到抗病的目的，而不用担心病原菌的抗性与生态安全性问题． ３．３培育转基因植物来酶促降解ＱＳ信号分子 根据植物对细菌ＱＳ系统的反应，培育产生ＡＨＬ降解酶的转基因植物，进而猝灭病菌的群体感应，提高
中图分类号：Ｑ９４５．８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６－－４７０２（２０１０）０６－－０１１８－－０５
一般认为细胞与细胞之间信息交流只在多细胞生物中发生，而作为单细胞生物的细菌不存在信息交流 的现象．２０世纪６０年代一种海洋费氏弧菌（Ｖｉｂｒｉｏ ｆｉｓｃｈｅｒｉ）的发光现象引起了科学家的兴趣，Ｎｅａｌｓｏｎ 等［１３在１９７０年首次报道了该菌茵体密度与生物发光呈正相关，该发光现象受细菌本身的群体感应调节系统 所控制．１９９４年，Ｆｕｑｕａ首先提出群体感应（ｑｕｏｒｕｍ ｓｅｎｓｉｎｇ，ＱＳ）的概念Ｌ２］，其定义是指在特定环境中，细菌 产生并向环境中释放特定的细胞外信号分子，随着个体密度的增大，信号分子积累到一定密度时，诱发细菌 产生独特的、多样的群体行为，这一现象称为细菌的群体感应［３叫］．现在发现许多细菌利用该系统调控体内 特定的功能，如根瘤菌与植物共生［５］、蓝细菌中异形胞的分化［６］、芽胞杆菌中感受态与芽胞的形成［７］、根癌农 杆菌中Ｔｉ质粒融合转移‘副、病原细菌胞外酶与毒素产生【。。、生物膜（Ｂｉｏｆｉｌｍ）形成［１引、色素产生［１１１、抗生素 形成ｎ引、菌体发光、细菌运动等多种功能都受到细菌群体感应的调节．到目前为止，群体感应主要有两类：种 内特异和种间特异，并且，科学研究证实，不管是革兰氏阳性细菌还是革兰氏阴性细菌都存在着群体感应现 象［１副．本文将综述细菌的ＱＳ系统研究进展及植物病原细菌ＱＳ的利用．
ｌ １
０００菌株中成功克隆了一个酰基转移酶基因，并对其功能
０００菌株的ｆｌｆｌＣ基因，将ａａｃ基因克隆到ｐＥＴ一５ａ原核表达载体上，在大肠
杆菌中表达出ＡＡＣ融合蛋白，将ＡＡＣ融合蛋白与胡萝卜软腐欧氏杆菌混合后，接种于马铃薯块茎，研究细 菌致病力的变化．结果发现能显著降低胡萝卜软腐欧氏杆菌的致病力．
４
细菌病害。因此，以病原细菌Ｑｓ系统尤其是ＱＳ信号分子为靶标，通过降解ＡＨＩ，信号分子或干扰病原细菌 ＱＳ系统可能会有效地减弱病原细菌的致病力．研究表明，土壤中发现芽胞杆菌、争论贪噬菌、青枯菌、根癌 农杆菌中能够产生ＡＨＬ信号分子降解酶，随着研究的深入也有可能从植物和微生物中发现降解多种细菌
万方数据
１２０
展
望
随着群体感应与微生物致病关系研究的不断深入，人们发现ＱＳ系统和植物细菌性病害有着密切的关 系，无论是在致病初期阶段的侵袭定殖还是毒力基因的表达，甚至在治疗过程中的病原菌耐药性的形成，都
往往受到ＱＳ系统的调节．这为人们提供了一条新的病原菌防控思路——从干扰群体感应通路入手预防和
基金资助项目（ＱＬ０９１３）．
作者简介：欧阳乐军（１９７６一）．男．湖南南县人．湛江师范学院生命科学与技术学院助理研究员．博士研究生，从事植物分子生
物学研究．
・
通讯作者．
万方数据
第６期
欧阳乐军等：植物病原细菌群体感应机制及其应用
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物．此外，也有报导称对苯二酚和（Ｓ）一３一ｈｙｄｒｏｘｙｔｒｉｄｅｃａｎ－－４一ｏｎｅ也是群体感应的信号分子‘１６－１朝．许多 植物病原细菌通过群体感应信号分子ＡＨＬ调控毒性基因的表达和毒性因子的产生‘１。－２
ｐｅｐ—
ｔｉｄｅ，简称ＡｌＰ）作为信号分子感知种内自身种群数量，协调多种基因的表达．还有一类信号分子是一种呋喃 硼酸二聚酯（自体诱导子～２，ａｕｔｏｉｎｄｕｃｅｒ－－２，简称ＡＩ一２），这种信号分子属于Ⅱ引哚及其衍生物的高级结构
收稿日期：２０ｌＯ—ｌｌ—０２
基金项目：广东省自然科学基金资助项目（１０１５２４０４８０１０００００５）；广东瘩科技攻关项目（２００６８２０１０１０１１）；湛江师范学院科研