----稻黄单胞菌白叶枯致病变种与寄主水稻互作机制

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 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(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 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 , can 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 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Ⅱ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(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Ⅲ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度的变异，由Ⅲ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Ⅲ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。

Ⅲ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Ⅲ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., 2003)。

Ⅲ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 Ⅲ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 Ⅲ 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（0.5～33.5 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。