番茄细菌性斑点病菌无毒基因研究进展
2008/4/1 来源:植物保护 作者:张月娟 朱秀秀 陈 新 赵廷昌


  摘要 番茄细菌性斑点病是影响番茄产量和品质的重要病害,Pseudomonas syringae pv.tomato(Pst)为其病原菌,其与番茄的互作系统是研究植物抗感病机理的典型模式系统。Pst存在2种无毒基因:avrPto和avrPtoB,它们编码的蛋白质均能与番茄抗性基因P£0编码的serThr蛋白激酶互作,符合Flor“基因对基因”学说。AvrPto和AvrPtoB在表达Pto的抗性植物中,与Pto互作,表现无毒功能,引发植物防御反应;而在缺失Pto的感病植物中,它们具有毒性,促进细菌的生长。本文综述了番茄细菌性斑点病菌无毒基因avrPto及avrPtoB的结构特点及其功能,这有助于了解病原物与植物的互作机制,对认识植物的感病性、抗病性以及植物防御反应都具有重要意义。
  关键词 无毒基因; 抗病基因; 植物防御反应; 过敏性坏死反应
  中图分类号 S 436.412.1
  番茄是重要的经济作物,每年因病虫危害,造成其大量减产。番茄细菌性斑点病是危害番茄生产的重要病害之一,为一种世界性病害,主要危害番茄的叶、茎、花、叶柄和果实。自1933年首次报道以来,在全球26个国家均有发现,我国也于1998年发现。据报道,该病可造成5%~75%的产量损失。该病的病原菌是丁香假单胞番茄致病变种Pseudo—monas syringae pv.tomato(Pst)。
  Pst与番茄的互作系统是研究病原物与植物互作的典型模式系统,该系统的无毒基因(avirulencegene,avr)和抗病基因(resistence gene,R)符合Flor“基因对基因”学说。当病原物中存在无毒基因avrPto或avrPtoB,寄主中存在并表达相应抗病基因Pto时,无毒蛋白就会与抗病蛋白相识别,激活植物防御反应系统,引起过敏性坏死反应(hypersensi—tive reaction,HR),从而抑制细菌的生长。
  本文综述了番茄细菌性斑点病无毒基因avrPto及avrPtoB的结构特点及其功能,从无毒基因的角度阐述病原物与植物的互作机制,这对认识植物的感病性、抗病性以及植物防御反应都具有重要意义。
  
  1 病原菌Pseudomonas syringae pv. tomato
  
  Pseudomonas syringae是农业上重要的植物病原细菌,根据其宿主特异性,该菌可分为50多个致病变种Pst是其中的一个致病变种,该菌菌体短杆状,直或稍弯,单细胞,大小为(0.1~1)μm×(1.5~4)μm,革兰氏阴性,在含蔗糖的培养基上能产生绿色荧光,超过41℃不能生长。该菌株能够侵染番茄和拟南芥。
  Pseudomonas syringae pv.tomato DC3000是Pseudomonas syringae pv.tomato的模式种,2003年C.R.Buell等报道了它的全基因组序列,这是丁香假单胞菌属中第一个被完全测序的菌株,此工作的完成为研究Pst的致病机理奠定了基础。Pst存在2个小种:0号小种和1号小种,2个小种的区别在于它们对抗病番茄具有不同的毒力。在抗病番茄上接种Pst的0号小种,植物会产生HR反应;而在抗病番茄上接种1号小种,Pst大量增殖,引起感病反应。如果将O号小种或1号小种接种于不表达Pro的感病番茄植株上,它们都会引起番茄的感病反应。
  
  2 无毒基因简介
  
  植物机体内存在防御机制,当植物受到病原菌侵袭时,能够检测到病原菌,从而延迟或抑制疾病的发生。植物的防御反应包括两种:一种是基础防御反应,包括细胞壁的加厚,防御相关蛋白的表达等;另一种是依赖于抗性蛋白的HR反应,是指在抗病植物中存在抗病基因(R),其表达的抗病蛋白(R蛋白)能够识别病原菌Ⅲ型分泌系统(typeⅢse—cretion system,TTSS)的效应因子,与之互作,从而激活植物防御反应系统,引起过敏性坏死反应(HR),过敏性坏死反应的主要表现就是引起侵染位点的局部快速的程序性坏死反应(programed cell death,PCD),从而抑制侵染位点病原菌的生长和扩展。
  病原菌必须克服植物防御反应,从中获得营养得以增殖,才能够使植物发病。很多革兰氏阴性菌侵袭植物都需要TTSS,病原菌通过TTSS将效应蛋白注入植物体内,这些蛋白进入寄主细胞后,可以通过修饰或改变寄主的关键蛋白来促使植物发病。目前已鉴定了50多种可以进入寄主细胞的病原菌效应蛋白,这些效应蛋白进入寄主细胞后,修饰或改变寄主的关键蛋白以改变植物的生理状态,抑制植物防御反应,从而提高病原菌的生存适合度,最终导致其大量增殖,致使植物发病。TTSS中编码Ⅲ型泌出通道的hrp(HR and patho—genicity)和hrc(HR and conserved)基因、编码效应蛋白的avr(avirulence)和hop(Hrp—dependent out protein,依赖hrp的泌出蛋白)基因,均决定着植物病原细菌在寄主和非寄主植物上的反应。
  无毒基因是病原菌的遗传因子,其编码产物能够激发病原物与寄主特异性互作。病原物无毒基因与植物抗病基因产物之间相互作用导致产生的基因对基因抗性是植物抗病性的重要形式。无毒基因(avr)被认为是一类两性效应因子(bifunc—tional effector),在决定病原细菌的无毒性和致病性两方面均起作用:在含互补抗病基因植物中表现无毒效应,而在不含互补抗病基因植物中显示毒性效应。虽然大部分无毒蛋白的功能至今还不清楚,但已探清一些无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,将含有放射性标记的基因嵌入到NLS区,能定位到细胞核中。这就表明,定位于细胞核对于发挥无毒基因功能是必要的。
  Pst存在2种无毒基因:无毒基因avrPto和avrPtoB。这2种无毒基因均已克隆并获得全序列,1992年从Pst的O号小种中克隆到无毒基因avrP-to,2002年又克隆到了无毒基因avrPtoB。avrPto和avrPtoB序列一致性很低,分别编码具有18ku和59ku的蛋白质。关于它们的功能,2005年N.C.Lin等构建了DC3000△avrPto、△avrPtoB以及△avrPto△avrPtoB突变体,分别接种于感病番茄上,发现野生型DC3000引起的症状较单突变体的症状严重,单突变体的症状又较双突变体严重,而菌群数量没有差别。由此可见,avrPto和avrPtoB是Pseudomonas syringae pv.tomato DC3000上仅

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