稻黃單胞菌碳代謝在致病性中的作用研究進(jìn)展*

郭 威， 鄒麗芳， 陳功友

(1.浙江師范大學(xué) 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院,浙江 金華 321004；2.上海交通大學(xué) 農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，上海 200240)

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稻黃單胞菌碳代謝在致病性中的作用研究進(jìn)展*

郭 威1， 鄒麗芳2， 陳功友2

(1.浙江師范大學(xué) 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院,浙江 金華 321004；2.上海交通大學(xué) 農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，上海 200240)

碳代謝是稻黃單胞菌體內(nèi)最基本的代謝之一.碳源的獲取對于病原菌在寄主水稻體內(nèi)成功建立寄生關(guān)系和生長繁殖尤為重要.營養(yǎng)驅(qū)動是稻黃單胞菌與水稻互作的重要方面，并且與其他致病性決定因素，如Ⅲ型分泌系統(tǒng)(T3SS)等常相關(guān)聯(lián).為此，對稻黃單胞菌碳代謝的途徑與功能、碳代謝途徑中編碼催化酶基因的生物學(xué)特性，以及碳代謝與hrp(hypersensitive response and pathogenicity)系統(tǒng)、群體感應(yīng)(quorum sensing，QS)的關(guān)聯(lián)性等方面進(jìn)行了歸納，對利用碳代謝途徑防控水稻細(xì)菌病害的可能性進(jìn)行了展望.

水稻；稻黃單胞菌；碳代謝；生物學(xué)特性

水稻是我國第一大主糧作物，其產(chǎn)量約占全國糧食總產(chǎn)量的40%[1].水稻白葉枯病菌(Xanthomonasoryzaepv.oryzae)和水稻條斑病菌(Xanthomonasoryzaepv.oryzicola)是稻黃單胞菌種下的2個致病變種，可分別引起水稻白葉枯病(bacterial leaf blight，BLB)和水稻條斑病(bacterial leaf streak，BLS)，是水稻生產(chǎn)中最重要的2種細(xì)菌病害[1-2].水稻白葉枯病菌從水孔侵入，系統(tǒng)危害維管束組織，造成葉枯癥狀[3]；而水稻條斑病菌則從氣孔侵入，危害水稻薄壁細(xì)胞，受葉脈限制最終發(fā)展成條斑癥狀[4-5].2種病害分布很廣，亦可混合發(fā)生.由于雜交水稻的大面積推廣，且無持續(xù)遺傳的抗病基因，病害常年造成6%以上的減產(chǎn)，嚴(yán)重時可達(dá)到40%，嚴(yán)重制約著我國水稻的安全生產(chǎn)[2,6].

稻黃單胞菌利用Ⅲ型分泌系統(tǒng)(type Ⅲ secretion system，T3SS)將各類效應(yīng)蛋白注入寄主水稻細(xì)胞內(nèi)，從而使水稻產(chǎn)生抗(感)病性[2,7-9].病原菌從寄主水稻獲取營養(yǎng)、成功建立寄生關(guān)系是病害發(fā)生的基礎(chǔ)，其重要性超過病原菌利用T3SS向植物細(xì)胞內(nèi)注射效應(yīng)蛋白以調(diào)控寄主的抗/感病性[10-11].據(jù)預(yù)測，稻黃單胞菌中致病相關(guān)基因約250個，主要包括hrp(hypersensitive response and pathogenicity)[7-9]、效應(yīng)蛋白[6,12]、rpf(regulatory pathogenicity factors)[12-13]、胞外多糖(extracellar polysaccharide，EPS)生物合成基因[14]、胞外酶基因[15]及碳代謝基因[16]等.是否將碳代謝途徑中的編碼催化酶基因歸類為毒性基因，目前仍存在很大的爭議，但其的確是病原菌在寄主水稻上生長繁殖、致病性(pathogenicity)與全毒性(virulence)所需的.因此，闡明病原細(xì)菌碳源獲取與代謝的生物機(jī)制，對于深入理解病原細(xì)菌的致病機(jī)理具有重要的科學(xué)意義.鑒于碳代謝在水稻與稻黃單胞菌互作中的重要性，本文對碳代謝途徑在稻黃單胞菌中的功能作用及碳代謝途徑中編碼催化酶基因的生物學(xué)特性等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述.

1 稻黃單胞菌的碳代謝

在病原菌與寄主互作過程中，一個至關(guān)重要的方面就是病原菌在寄主植物體內(nèi)獲取營養(yǎng)的能力，因為營養(yǎng)的獲取影響著病原菌細(xì)胞的分裂與DNA復(fù)制[17].為了在寄主植物體內(nèi)存活和高效復(fù)制，并能達(dá)到克服寄主植物防御反應(yīng)所需的細(xì)胞密度，病原菌需要調(diào)節(jié)它們的新陳代謝，以最大限度地獲取所需的一切營養(yǎng)物質(zhì)，并積極適應(yīng)寄主體內(nèi)的環(huán)境條件(如pH、滲透壓等)[2,11,18].因而，病原菌要在寄主植物體內(nèi)成功建立寄生關(guān)系并成功侵染，必須確保能從寄主植物體內(nèi)不斷獲取營養(yǎng)來源,以維持其正常的生長與繁殖.

在所有的營養(yǎng)物質(zhì)中，碳源最為重要，不僅能為病原菌的生命活動提供能量來源，而且能為其生長提供物質(zhì)基礎(chǔ)(如碳架).其中，糖類是最優(yōu)先利用的碳源，其次是醇類、有機(jī)酸與脂類.在糖類中，單糖優(yōu)于雙糖與多糖，已糖優(yōu)于戊糖，果糖與葡萄糖優(yōu)于半乳糖與甘露糖.在植物細(xì)胞中，主要的碳源是蔗糖，然后依次是葡萄糖、果糖、二羧酸和蘋果酸[19].與其他異養(yǎng)細(xì)菌一樣，稻黃單胞菌利用糖酵解途徑(glycolytic pathway，EMP)、ED(Entner-Doudoroff)途徑、磷酸戊糖途徑(pentose phosphate pathway，PPP)和末端三羧酸(tricarboxylic acid，TCA)循環(huán)介導(dǎo)的氧化途徑來分解單糖(如葡萄糖)，生成CO2和H2O，同時產(chǎn)生能量(ATP/GTP)，用于滿足生長所需的能量和碳素分子(見圖1).當(dāng)寄主植物體內(nèi)己糖(六碳單糖)短缺時，病原細(xì)菌可以利用糖質(zhì)新生(gluconeogenesis)途徑將TCA循環(huán)中的產(chǎn)物、C2/C3非糖化合物合成為葡萄糖，進(jìn)行新一輪的碳代謝[2,10].在稻黃單胞菌中：ED途徑是葡萄糖進(jìn)行分解代謝的主要途徑；PPP所起的分解作用相對較小(約占8%～16%)；由于磷酸果糖激酶活性缺失，因而EMP在葡萄糖分解代謝中幾乎不起任何作用[16,20].

G-6-P:6-磷酸葡萄糖；G-1-P:1-磷酸葡萄糖；F-6-P:6-磷酸果糖；M-6-P:6-磷酸甘露糖；M-1-P:1-磷酸甘露糖；GDP-Man:鳥苷二磷酸甘露糖；6-PG:6-磷酸葡萄糖酸；FDP:1,6-二磷酸果糖；DHAP:磷酸二羥丙酮；GAP:3-磷酸甘油；1,3-PG:1,3-二磷酸甘油酸；3-PG:3-磷酸甘油酸；2-PG:2-磷酸甘油酸；PEP:磷酸烯醇式丙酮酸；UDP-Glu:尿苷二磷酸葡萄糖；UDP-AGlu:尿苷二磷酸葡萄糖酸；PPP:磷酸戊糖途徑；TCA:三羧酸循環(huán)；OM:外膜；IM:內(nèi)膜圖1 稻黃單胞菌碳代謝和胞外多糖合成途徑

碳水化合物代謝是一個極其復(fù)雜的過程，需要一系列代謝催化酶基因共同作用.水稻白葉枯病菌KACC10331[21],MAFF311018[22],PXO99A[23]和水稻條斑病菌BLS256[24]等菌株全基因組序列顯示，稻黃單胞菌擁有編碼參與碳代謝的所有催化酶基因.目前研究報道，部分催化酶基因參與稻黃單胞菌的全毒性，調(diào)控毒性因子(如胞外酶、EPS、游動性)的合成.其他碳代謝途徑中編碼催化酶基因是否也有類似的功能及其他生物學(xué)特性，仍需進(jìn)一步研究.

2 稻黃單胞菌碳代謝與生物學(xué)特性的關(guān)系

2.1 碳代謝途徑中編碼催化酶基因在細(xì)菌毒性方面的作用

為了全基因組范圍內(nèi)挖掘水稻條斑病菌(RS105菌株)的致病相關(guān)基因，文獻(xiàn)[5]構(gòu)建了一個Tn5轉(zhuǎn)座子插入突變體庫，從中鑒定出110個與致病性相關(guān)的候選基因，其中10個候選基因(如：Xoc_0592(isocitrate dehydrogenase，NADP-dependent，icdH)，Xoc_0442(glucose-6-phosphate 1-dehydrogenase，zwf)，Xoc_0872(phosphoenolpyruvate carboxylase，ppc)，Xoc_3327(glucose kinase)，Xoc_2261(phosphoenolpyruvate synthase，ppsA)[10]，Xoc_3589(phosphoglycerate kinase，pgk)，Xoc_3841(phosphohexose mutases，xanA)[25]，Xoc_2607(glucose-6-phosphate 1-dehydrogenase，zwf)[26]，Xoc_2172(glucose-6-phosphate-isomerase，pgi)和Xoc_3585(fructose-bisphosphate aldolase class-I，fbaB)[16])分別位于EMP，ED，PPP，TCA循環(huán)及糖異生途徑的不同位置，在碳水化合物代謝過程中起著重要的作用(見圖1).與野生型相比，除Xoc_3327的致病性差異不顯著外，其余9個碳代謝途徑中的編碼催化酶基因均顯著減弱在寄主水稻上的全毒性[5-6].Xoc_3327編碼葡萄糖激酶，在水稻條斑病菌全基因組中注釋有3個基因編碼葡萄糖激酶，而且同源性極高，Xoc_3327致病性不顯著或許是基因功能冗余的原因.文獻(xiàn)[4]也構(gòu)建了一個水稻條斑病菌(BLS303菌株)Tn5插入突變體庫，共鑒定出16個致病候選基因，其中3個位于碳代謝途徑上，分別是Xoc_3585，Xoc_3589和Xoc_3592(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase，gapA)，均顯著降低在寄主水稻上的全毒性.

有關(guān)水稻白葉枯病菌中碳代謝途徑中編碼催化酶基因的研究相對較少.據(jù)文獻(xiàn)[27]報道，編碼磷酸葡萄糖異構(gòu)酶(glucose-6-phosphate-isomerase，pgi)基因突變，顯著減弱病原菌在感病寄主水稻上的生長能力與全毒性，但仍能激發(fā)其在抗性水稻和番茄上的過敏性反應(yīng)(hypersensitive response，HR).α-酮戊二酸轉(zhuǎn)運蛋白(α-ketoglutarate transport protein，kgtP)也是水稻白葉枯病菌全毒性所需的，雖然kgtP不位于碳代謝途徑上，但與碳代謝有密切的聯(lián)系，它能把水稻細(xì)胞中TCA循環(huán)中間產(chǎn)物α-酮戊二酸轉(zhuǎn)運至病原菌胞內(nèi)，用于病原菌的生長與繁殖[3].已有的研究結(jié)果表明，碳代謝途徑中大部分編碼催化酶基因參與稻黃單胞菌的全毒性.

2.2 碳代謝途徑中編碼催化酶基因在細(xì)菌碳源利用上的作用

碳水化合物是病原菌賴以生長、繁殖及成功侵染的重要物質(zhì)與能量來源.植物細(xì)胞內(nèi)的多糖在水解酶作用下分解為單糖，在透性酶催化下進(jìn)入病原菌細(xì)胞內(nèi)，胞內(nèi)激酶使其磷酸化，然后進(jìn)入病原菌碳代謝途徑；或者，植物細(xì)胞內(nèi)的單糖直接在病原菌磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)(phosphotransferase system，PTS)作用下轉(zhuǎn)移到病原菌細(xì)胞內(nèi)并磷酸化，然后進(jìn)入碳代謝途徑[28].隨后，單糖在一系列碳代謝途徑催化酶基因的作用下氧化分解，生成CO2和H2O，為病原菌的一切生命活動提供腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)和還原力.

目前為止，有關(guān)稻黃單胞菌碳代謝途徑中編碼催化酶基因參與碳源利用的研究報道相對較少.例如：水稻條斑病菌fbaB編碼1，6-二磷酸果糖醛縮酶，可逆地催化1，6-二磷酸果糖生成磷酸二羥丙酮和3-磷酸甘油醛，參與功能性的糖異生途徑與糖酵解下游途徑，延遲果糖的利用，不能利用丙酮酸和蘋果酸[16]；另一基因zwf，編碼6-磷酸葡萄糖脫氫酶，催化6-磷酸葡萄糖生成6-磷酸葡萄糖酸，控制著PPP與ED途徑初始物6-磷酸葡萄糖的濃度，顯著削弱了病原菌獲取己糖(六碳單糖)的能力[26].水稻白葉枯病菌pgi編碼磷酸葡萄糖異構(gòu)酶，可逆地催化6-磷酸葡萄糖生成6-磷酸果糖，在糖代謝途徑中起重要作用，導(dǎo)致病原菌不能利用果糖與木糖，同時也削弱了其利用葡萄糖的能力[27].與水稻白葉枯病菌TCA循環(huán)相關(guān)聯(lián)的kgtP突變，嚴(yán)重削弱病菌對TCA中間產(chǎn)物α-酮戊二酸的利用[3].

在野油菜黃單胞菌(Xanthomonascampestrispv.campestris)中，XC_0972(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase，gapdH)[29]，XC_1976(glucose kinase)[28]，XC_1952(phosphoenolpyruvate synthase，ppsA)[10]均在PPP，ED途徑及糖異生途徑中起著重要的作用，嚴(yán)重制約著己糖的利用，而且不能利用丙酮酸.稻黃單胞菌中的這些及其他碳代謝途徑中編碼催化酶基因是否均影響碳水化合物的利用，仍需進(jìn)一步的驗證.

2.3 碳代謝對細(xì)菌胞外多糖合成能力的作用

胞外多糖(EPS)廣泛存在于植物病原黃單胞菌中，由多個“五糖單元”聚合而成[30].EPS是植物病原黃單胞菌重要的毒性因子，它通過抑制胼胝質(zhì)沉積[31]、促進(jìn)生物膜形成[32]等方式來抑制植物的防衛(wèi)反應(yīng)、增強(qiáng)病原菌對寄主的抗性，以提高寄主植物的易感病性；它還可以掩蔽病原菌以阻止寄主植物識別，從而定殖到寄主組織中.

EPS的生物合成是一個能量密集型的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，需要大量的碳素分子前體、ATP及還原力(NADPH)[33](見圖1).可利用的ATP是EPS生物合成的最大瓶頸，其重要性遠(yuǎn)超過碳素分子前體.碳源獲取的過程，也是病原細(xì)菌合成能量、提供其生長所需碳素分子的過程.黃單胞菌碳源分解代謝的途徑基本是一致的，6-磷酸葡萄糖是其分解代謝過程中的一個至關(guān)重要的結(jié)點，一部分用于合成EPS前體分子，另一部分則被氧化分解以提供細(xì)胞生命活動所需要的ATP.因此，EPS的生物合成與細(xì)胞生長會發(fā)生競爭[2,20,30,33](見圖1).在黃單胞菌中，由于磷酸果糖激酶活性缺失，6-磷酸葡萄糖主要通過ED途徑進(jìn)行分解代謝[29-30,33]，其中產(chǎn)物3-磷酸甘油醛經(jīng)由糖質(zhì)新生途徑進(jìn)行再循環(huán)，或經(jīng)由糖酵解下游途徑氧化生成丙酮酸.3-磷酸甘油醛碳源流的分布至今仍沒有可靠的定量數(shù)據(jù)，但其分布差異很可能影響EPS生物合成的產(chǎn)量[2,33].若3-磷酸甘油醛流向糖酵解下游途徑，將會產(chǎn)生更多的ATP，因而EPS產(chǎn)量最大化；若3-磷酸甘油醛經(jīng)糖質(zhì)新生途徑再循環(huán)，增加EPS生物合成過程中可利用的碳素分子，但減少糖酵解下游途徑中ATP的產(chǎn)生，凸顯能量的限制[2,33].

研究表明，在黃單胞菌中，ED途徑是碳源代謝、EPS生物合成的主要途徑，并且葡萄糖和蔗糖是EPS合成最優(yōu)先利用的碳源[16,20,28].位于水稻條斑病菌碳代謝途徑上游的xanA，負(fù)責(zé)1-磷酸葡萄糖與6-磷酸葡萄糖之間的相互轉(zhuǎn)換，可顯著地削弱病原菌EPS的生物合成[25].zwf是水稻條斑病菌ED代謝途徑的第一步限速酶基因，控制著胞內(nèi)6-磷酸葡萄糖的濃度，其突變嚴(yán)重削弱病原菌EPS的生物合成[26].除此之外，水稻條斑病菌fbaB突變也部分地削弱病原菌EPS生物合成的產(chǎn)量(僅果糖作為碳源)[16].在水稻白葉枯病菌中，PPP與ED初始途徑中的限速酶——6-磷酸葡萄糖脫氫酶(glucose 6-phosphate dehydrogenase，G6PD)失活，胞內(nèi)6-磷酸葡萄糖的質(zhì)量摩爾濃度從17.6 μmol/g增加到99.4 μmol/g(細(xì)胞干質(zhì))，EPS產(chǎn)量達(dá)到了2.23 g/L；然而，在含0.4%葡萄糖的培養(yǎng)基中，其EPS產(chǎn)量是野生型的52.9%[34].ED途徑中的磷酸葡萄糖酸脫水酶(phosphogluconate dehydratase，edd)基因缺失，胞內(nèi)6-磷酸葡萄糖的質(zhì)量摩爾濃度從0.05 mmol/g增加到1.17 mmol/g，同時也伴隨著EPS產(chǎn)量增加，達(dá)到2.55 g/L；而PPP中的6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶(6-phosphogluconate dehydrogenase，gndA)基因失活，不影響胞內(nèi)6-磷酸葡萄糖的濃度，也不改變病原菌EPS的產(chǎn)量[20].這些結(jié)果說明：6-磷酸葡萄糖的濃度與EPS的生物合成有正相關(guān)性；ED途徑是EPS生物合成的主要途徑，而PPP對EPS的生物合成則無足輕重.

2.4 碳代謝途徑中編碼催化酶基因?qū)?xì)菌游動性的影響

細(xì)菌游動性有利于病原菌在侵染過程中獲得更多更好的營養(yǎng)、避開不利環(huán)境及高效傳播和尋找寄主[25-26,35].在動物致病細(xì)菌中，游動性使得病原菌移向寄主或在寄主體內(nèi)的移動更為便利，從而具有更大的選擇優(yōu)勢.但是，對游動性在植物病原菌中的功能作用卻知之甚少.在Erwiniaamylovora,Pseudomonassyringae,Pseudomonasphaseolicola和Ralstoniasolanacearum中，研究認(rèn)為，在侵染和定殖的早期階段，游動性能增強(qiáng)病原菌的毒性[35].

目前，研究報道在野油菜黃單胞菌中，毒性基因rsmA，dsbB，pilZ和adk參與多種細(xì)胞進(jìn)程，包括游動性[35-38].在稻黃單胞菌中，tatC,flgD,flgE等毒性基因是病原菌游動性所需的[39-40].然而，有關(guān)碳代謝途徑中編碼催化酶基因參與病原菌游動性的研究還鮮有報道.在水稻條斑病菌中，zwf和xanA不僅都參與病原菌EPS的生物合成，而且還顯著減弱病原菌的游動性[25-26].目前的研究認(rèn)為，碳代謝途徑合成生物體所有生命活動所需的ATP，碳代謝途徑中催化酶基因突變造成碳源代謝途徑紊亂、ATP合成減少.ATP減少或許是游動性削弱的部分原因，因為所有活細(xì)胞需要ATP提供能量驅(qū)動生物體的多重需能活動，包括游動性.據(jù)推測，EPS與游動性之間有密切的關(guān)聯(lián)性.至于EPS如何影響游動性，有待進(jìn)一步的探索.

3 碳代謝與細(xì)菌致病性的關(guān)聯(lián)性

在寄主植物體內(nèi)，病原菌存活和高效復(fù)制需要特異的適應(yīng)能力.一些致病相關(guān)基因是病原菌適應(yīng)寄主體內(nèi)環(huán)境壓力所需的，其轉(zhuǎn)錄表達(dá)易受環(huán)境因子、植物源信號(如碳源)等的調(diào)節(jié).一些致病相關(guān)基因是病原菌應(yīng)答寄主體內(nèi)營養(yǎng)源變化所需的，用于調(diào)節(jié)自身的生理代謝以利于自身的致病性[2-3,16,41].例如，在黃單胞菌與假單胞菌中有專門負(fù)責(zé)應(yīng)答生理和環(huán)境變化控制致病因子合成的基因簇[41].

3.1 碳代謝途徑中編碼催化酶基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)模式

據(jù)報道，碳源能誘導(dǎo)或抑制植物病原細(xì)菌毒性相關(guān)基因的表達(dá)，而且部分研究表明自身底物能誘導(dǎo)相應(yīng)代謝或轉(zhuǎn)運基因的表達(dá)[3,41].在水稻條斑病菌中，蔗糖、葡萄糖、果糖、半乳糖與甘露糖能顯著誘導(dǎo)fbaB的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，而蘋果酸與丙酮酸則顯著抑制fbaB的轉(zhuǎn)錄表達(dá)[2,16].在水稻白葉枯病菌中，α-酮戊二酸顯著誘導(dǎo)kgtP的表達(dá)[3].為了探索不同碳源對碳代謝途徑基因轉(zhuǎn)錄的影響，利用real-time PCR分析了部分碳代謝途徑基因(如icdH,ppc,pgi,ppsA,zwf(Xoc_0442),zwf(Xoc_2607)[26],Xoc_3327,pgk和xanA[25])的轉(zhuǎn)錄表達(dá)模式，結(jié)果表明：己糖對大部分代謝基因有顯著的誘導(dǎo)作用；而蘋果酸和丙酮酸對部分代謝基因具有明顯的抑制作用，蘋果酸的抑制效果更為顯著.

3.2 碳代謝與hrp系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性

如同其他革蘭氏陰性植物病原細(xì)菌一樣，稻黃單胞菌擁有由27個hrp-hrc-hpa基因組成的hrp基因簇，編碼T3SS并將各類效應(yīng)蛋白注入植物細(xì)胞內(nèi)，從而決定著在非寄主煙草上激發(fā)過敏性反應(yīng)(HR)和在寄主水稻上的致病性[7-9].盡管不同的病原細(xì)菌引起不同的植物細(xì)菌病害，但他們的hrp基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)模式基本是一致的.營養(yǎng)貧乏或與植物互作時，hrp基因誘導(dǎo)表達(dá)；營養(yǎng)豐富時，hrp基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)則明顯受抑制[2,16,42].

由于黃單胞菌獲取碳源的能力不同，因而導(dǎo)致不同碳源對其hrp基因表達(dá)誘導(dǎo)能力的差異[2,43-44].研究表明，蔗糖幾乎能誘導(dǎo)所有植物黃單胞菌hrp基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)[44-45].肖友倫等[44]研究發(fā)現(xiàn)，蔗糖和木糖對稻黃單胞菌hrp基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)誘導(dǎo)效果均較好，其中木糖的誘導(dǎo)效果最好.在野油菜黃單胞菌中，植物提取液(分子量小于10 kDa；主要成分依次是蔗糖、葡萄糖、果糖和檸檬酸等)顯著抑制hrp基因簇的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，但誘導(dǎo)hrpG的轉(zhuǎn)錄表達(dá)[19].當(dāng)水稻條斑病菌與水稻懸浮細(xì)胞互作時，fbaB受HrpX和HrpG的負(fù)調(diào)控[16].類似的現(xiàn)象也存在于水稻條斑病菌xanA中[25].此外，還發(fā)現(xiàn)fbaB突變導(dǎo)致病原菌hrcC，hrpE和hrpD5表達(dá)上調(diào)，但卻抑制了hrpX和hrpG的表達(dá)[16].表明碳代謝途徑的改變或許導(dǎo)致代謝中間產(chǎn)物的改變或積累，從而對hrp的表達(dá)起一定的誘導(dǎo)或抑制作用.

根據(jù)目前的研究報道可知，革蘭氏陰性植物病原細(xì)菌的碳代謝與hrp系統(tǒng)之間有著密切的關(guān)聯(lián).然而，目前為止還沒有任何報道稱碳代謝途徑中編碼催化酶蛋白是通過T3SS外泌的.此外，是否T3SS外泌效應(yīng)蛋白具有利用植物碳源的能力，以及是否hrp調(diào)控因子對碳代謝途徑中編碼催化酶基因具有調(diào)控作用？目前仍知之甚少.

4 稻黃單胞菌碳代謝與群體感應(yīng)的關(guān)聯(lián)性

在黃單胞菌中，其菌種群數(shù)量具有明顯的群體感應(yīng)(quorum sensing，QS)特征.研究證明，由DSF(diffusible signal factor)家族信號介導(dǎo)的QS在稻黃單胞菌全毒性、EPS生物合成、生物膜形成及游動性等生物學(xué)特性方面有著重要的影響[13,46].DSF家族信號是一個復(fù)合的信號群體，由DSF，BDSF，CDSF和IDSF 4種信號組成，它們均是由黃單胞菌碳代謝途徑提供前體分子——乙酰輔酶A和氨基酸，然后經(jīng)由脂肪酸合成(fatty acid synthesis，F(xiàn)AS)延伸循環(huán)合成的[47].此外，研究表明，黃單胞菌生長所用的培養(yǎng)基成分也顯著影響著DSF家族信號合成的種類和比例[48].

全基因組芯片數(shù)據(jù)分析表明，野油菜黃單胞菌中有165個基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)受DSF家族信號的調(diào)控，包括參與TCA循環(huán)、脂肪酸代謝及琥珀酸代謝的脫氫酶[49-50].稻黃單胞菌中是否也存在諸多基因受DSF家族信號的調(diào)控，需要進(jìn)一步的探究.此外，在水稻條斑病菌中，pgi突變致使DSF家族信號介導(dǎo)的QS途徑中關(guān)鍵基因(如rpfF，rpfC，rpfG，clp)的表達(dá)發(fā)生改變，并且導(dǎo)致病原菌DSF家族信號分子合成量顯著減少(未發(fā)表).暗示：黃單胞菌碳代謝與其QS之間可能也存在著某種內(nèi)在聯(lián)系.

5 總結(jié)與展望

碳代謝是稻黃單胞菌體內(nèi)最基本的代謝之一，但對其在水稻與稻黃單胞菌互作方面的作用卻知之甚少.目前，有關(guān)稻黃單胞菌碳代謝的研究還相對較少，而且主要集中在碳源吸收利用的途徑、種類和效率，以及碳代謝途徑中編碼催化酶基因的生物學(xué)特性等方面.但是，對病原菌碳代謝在水稻細(xì)胞內(nèi)的適應(yīng)性、對水稻代謝的影響，以及水稻與稻黃單胞菌互作時基因表達(dá)的變化等方面仍知之甚少.所以，目前和未來的研究應(yīng)主要集中在：1)稻黃單胞菌以一種特異性的方式適應(yīng)水稻細(xì)胞內(nèi)的定殖環(huán)境，這種方式是毒性基因最佳表達(dá)所需的嗎？如果這種適應(yīng)性主要是受病原菌碳代謝能力所控制的，那么病原菌的碳代謝會發(fā)生怎樣的改變，會不會干擾寄主水稻細(xì)胞內(nèi)的代謝來滿足自身的需要？2)稻黃單胞菌的碳代謝是靈活易變的，不局限于某一優(yōu)選碳源；當(dāng)優(yōu)選碳源短缺時，便會轉(zhuǎn)向其他可選擇的次優(yōu)選碳源，這種靈活易變的機(jī)制是什么？3)稻黃單胞菌擁有新型的依賴DSF家族信號的QS特征，碳代謝途徑為其提供前體分子——乙酰輔酶A和氨基酸，其改變是否會影響病原菌感應(yīng)群體密度變化的能力，這種依賴DSF家族信號的QS特征又是如何調(diào)控稻黃單胞菌的碳代謝以適應(yīng)高群體密度環(huán)境的，其機(jī)理闡明能否為研發(fā)綠色環(huán)保防治措施提供新的思路？在這些領(lǐng)域廣泛的研究，無疑將促使對水稻與稻黃單胞菌互作分子機(jī)理更深入的了解，或許能為水稻細(xì)菌病害的生物防治開拓新的途徑.

[1]李爭，熊鸝，紀(jì)志遠(yuǎn)，等.白葉枯病菌和細(xì)菌性條斑病菌多樣性的TALE效應(yīng)蛋白調(diào)控水稻抗(感)病性機(jī)理與利用策略[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，46(14)：2894-2901.

[2]郭威.水稻條斑病菌致病相關(guān)基因的鑒定與功能研究[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2011.

[3]Guo Wei，Cai Lulu，Zou Huasong，et al.Ketoglutarate transport protein KgtP is secreted through the type Ⅲ secretion system and contributes to virulence inXanthomonasoryzaepv.oryzae[J].Applied and Environmental Microbiology，2012，78：5672-5681.

[4]Wang Li，Makino S，Subedee A，et al.Novel candidate virulence factors in rice pathogenXanthomonasoryzaepv.oryzicolaas revealed by mutational analysis[J].Applied and Environmental Microbiology，2007，73(24)：8023-8027.

[5]Zou Huasong，Yuan Liang，Guo Wei，et al.Construction of a Tn5-tagged mutant library ofXanthomonasoryzaepv.oryzicolaas an invaluable resource for functional genomics[J].Current Microbiology，2011，62(3)：908-916.

[6]Guo Wei，Cui Yiping，Li Yurong，et al.Identification of sevenXanthomonasoryzaepv.oryzicolagenes potentially involved in pathogenesis in rice[J].Microbiology，2012，158：505-518.

[7]Zou Lifang，Wang Xingping，Xiang Yong，et al.Elucidation of thehrpclusters ofXanthomonasoryzaepv.oryzicolathat control the hypersensitive response in nonhost tobacco and pathogenicity in susceptible host rice[J].Applied and Environmental Microbiology，2006，72：6212-6224.

[8]Li Yurong，Che Yizhou，Zou Huasong，et al.Hpa2 required by HrpF to translocateXanthomonasoryzaetranscriptional activator-like effectors into rice for pathogenicity[J].Applied and Environmental Microbiology，2011，77：3809-3818.

[9]Li Yurong，Zou Huasong，Che Yizhou，et al.A novel regulatory role of HrpD6 in regulatinghrp-hrc-hpagenes inXanthomonasoryzaepv.oryzicola[J].Molecular Plant-Microbe Interactions，2011，24：1086-1101.

[10]Tang Dongjie，He Yongqiang，F(xiàn)eng Jiaxun，et al.Xanthomonascampestrispv.campestrispossesses a single gluconeogenic pathway that is required for virulence[J].Journal of Bacteriology，2005，187：6231-6237.

[11]Tamir-Ariel D，Navon N，Burdman S.Identification of genes inXanthomonascampestrispv.vesicatoriainduced during its interaction with tomato[J].Journal of Bacteriology，2007，189：6359-6371.

[12]趙帥，張子宇，馮家勛.水稻黃單胞菌三型分泌系統(tǒng)效應(yīng)物的研究進(jìn)展[J].微生物學(xué)通報，2011，38(12)：1828-1842.

[13]Zhao Yancun，Qian Guoliang，Yin Fangqun，et al.Proteomic analysis of the regulatory function of DSF-dependent quorum sensing inXanthomonasoryzaepv.oryzicola[J].Microbial Pathogenesis，2011，50：48-55.

[14]Kim S Y，Kim J G，Lee B M，et al.Mutational analysis of thegumgene cluster required for xanthan biosynthesis inXanthomonasoryzaepv.oryzae[J].Biotechnology Letters，2009，31：265-270.

[15]Zou Huasong，Song Xue，Zou Lifang，et al.EcpA，an extracellular protease，is a specific virulence factor required byXanthomonasoryzaepv.oryzicolabut not byX.oryzaepv.oryzaein rice[J].Microbiology，2012，158：2372-2383.

[16]Guo Wei，Zou Lifang，Li Yurong，et al.Fructose-bisphophate aldolase exhibits functional roles between carbon metabolism and thehrpsystem in rice pathogenXanthomonasoryzaepv.oryzicola[J].PLoS ONE，2012，7(2)：e31855.

[17]Mellgren E M，Kloek A P，Kunkel B N.Mqo，a tricarboxylic acid cycle enzyme，is required for virulence ofPseudomonassyringaepv.tomatostrain DC3000 onArabidopsisthaliana[J].Journal of Bacteriology，2009，191：3132-3141.

[18]Eisenreich W，Dandekar T，Heesemann J，et al.Carbon metabolism of intracellular bacterial pathogens and possible links to virulence[J].Nature Reviews Microbiology，2010，8(6)：401-412.

[19]Watt T F，Vucur M，Baumgarth B，et al.Low molecular weight plant extract induces metabolic changes and the secretion of extracellular enzymes，but has a negative effect on the expression of the type-Ⅲ secretion system inXanthomonascampestrispv.campestris[J].Journal of Biotechnology，2009，140：59-67.

[20]Kim S Y，Lee B M，Cho J Y.Relationship between glucose catabolism and xanthan production inXanthomonasoryzaepv.oryzae[J].Biotechnology Letters，2010，32(4)：527-531.

[21]Lee B M，Park Y J，Park D S，et al.The genome sequence ofXanthomonasoryzaepathovaroryzaeKACC10331，the bacterial blight pathogen of rice[J].Nucleic Acids Research，2005，33：577-586.

[22]Ochiai H，Inoue Y，Takeya M，et al.Genome sequence ofXanthomonasoryzaepv. oryzae suggests contribution of large numbers of effector genes and insertion sequences to its race diversity[J].Japan Agricultural Research Quarterly，2005，39：275-287.

[23]Salzberg S L，Sommer D D，Schatz M C，et al.Genome sequence and rapid evolution of the rice pathogenXanthomonasoryzaepv.oryzaePXO99A[J].BMC Genomics，2008，9：204-221.

[24]Bogdanove A J，Koebnik R，Lu Hong，et al.Two new complete genome sequences offer insight into host and tissue specificity of plant pathogenicXanthomonasspp.[J].Journal of Bacteriology，2011，193(19)：5450-5464.

[25]Guo Wei，Chu Cong，Yang Xiaoxia，et al.Phosphohexose mutase ofXanthomonasoryzaepv.oryzicolais negatively regulated by HrpG and HrpX，and required for the full virulence in rice[J].European Journal of Plant Pathology，2014，140：353-364.

[26]Guo Wei，Zou Lifang，Cai Lulu，et al.Glucose-6-phosphate dehydrogenase is required for extracellular polysaccharide production，cell motility and the full virulence ofXanthomonasoryzaepv.oryzicola[J].Microbial Pathogenesis，2015，78：87-94.

[27]Tsuge S，Ochiai H，Inoue Y，et al.Involvement of phosphoglucose isomerase in pathogenicity ofXanthomonasoryzaepv.oryzae[J].Phytopathology，2004，94：478-483.

[28]Lu Guangtao，Yang Zhengjiu，Peng Fangyin，et al.The role of glucose kinase in carbohydrate utilization and extracellular polysaccharide production inXanthomonascampestrispathovarcampestris[J].Microbiology，2007，153：4284-4294.

[29]Lu Guangtao，Xie Jiari，Chen Lei，et al.Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase ofXanthomonascampestrispv.campestrisis required for extracellular polysaccharide production and full virulence[J].Microbiology，2009，155:1602-1612.

[30]譚旖寧，馬增鳳，陸光濤，等.野油菜黃單胞菌6-磷酸葡萄糖脫氫酶基因的初步分析[J].廣西農(nóng)業(yè)生物科學(xué)，2007，6(3)：190-195.

[31]Yun M H，Torres P S，Oirdi M E，et al.Xanthan induces plant susceptibility by suppressing callose deposition[J].Plant Physiology，2006，141：178-187.

[32]Dow J M，Crossman L，F(xiàn)indlay K，et al.Biofilm dispersal inXanthomonascampestrisis controlled by cell-cell signaling and is required for full virulence to plants[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2003，100：10995-11000.

[33]Letisse F，Chevallereau P，Simon J L，et al.The influence of metabolic network structures and energy requirements on xanthan gum yields[J].Journal of Biotechnology，2002，99：307-317.

[34]Jang S G，Lee B M，Cho J Y.Effect of modified glucose catabolism on xanthan production inXanthomonasoryzaepv.oryzae[J].Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology，2012，39:649-654.

[35]Lu Guangtao，Tang Yongqin，Li Caiyue，et al.An adenosine kinase exists inXanthomonascampestrispathovarcampestrisand is involved in extracellular polysaccharide production，cell motility，and virulence[J].Journal of Bacteriology，2009，191：3639-3648.

[36]Chao Naixia，Wei Ke，Chen Qi，et al.ThersmA-like genersmA(Xcc) ofXanthomonascampestrispv.campestrisis involved in the control of various cellular processes，including pathogenesis[J].Molecular Plant-Microbe Interactions，2008，21：411-423.

[37]Jiang Bole，Liu Jiao，Chen Lifeng，et al.DsbB is required for the pathogenesis process ofXanthomonascampestrispv.campestris[J].Molecular Plant-Microbe Interactions，2008，21：1036-1045.

[38]McCarthy Y，Ryan R P，O′Donovan K，et al.The role of PilZ domain proteins in the virulence ofXanthomonascampestrispathovarcampestris[J].Molecular Plant Pathology，2008，9：819-824.

[39]Chen Lei，Hu Baishi，Qian Guoliang，et al.Identification and molecular characterization of twin-arginine translocation system (Tat) inXanthomonasoryzaepv.oryzaestrain PXO99[J].Archives of Microbiology，2009，191(2)：163-170.

[40]殷芳群，趙延存，劉春暉，等.水稻細(xì)菌性條斑病菌中受DSF調(diào)控的鞭毛基因flgD、flgE的功能分析[J].微生物學(xué)報，2011，51(7)：891-897.

[41]Tamir-Ariel D，Rosenberg T，Burdman S.TheXanthomonascampestrispv.vesicatoriacitHgene is expressed early in the infection process of tomato and is positively regulated by the TctDE two-component regulatory system[J].Molecular Plant Pathology，2011，12：57-71.

[42]Li Yurong，Xiao Youlun，Zou Lifang，et al.Identification of HrpX regulon genes inXanthomonasoryzaepv.oryzicolausing a GFP visualization technique[J].Archives of Microbiology，2012，194(4)：281-291.

[43]Tang Xiaoyan，Xiao Yanmei，Zhou Jianmin.Regulation of the type Ⅲ secretion system in phytopathogenic bacteria[J].Molecular Plant-Microbe Interactions，2006，19(11)：1159-1166.

[44]肖友倫，李玉蓉，劉之洋，等.水稻條斑病菌hrp基因誘導(dǎo)表達(dá)系統(tǒng)的建立[J].微生物學(xué)報，2007，47(3)：396-401.

[45]Tsuge S，F(xiàn)urutani A，F(xiàn)ukunaka R，et al.Expression ofXanthomonasoryzaepv.oryzaehrpgenes in XOM2，a novel synthetic medium[J].Journal of General Plant Pathology，2002，68：363-370.

[46]孫蕾，吳茂森，陳華民，等.水稻白葉枯病菌Δrpfxoo基因缺失突變體DSF信號產(chǎn)生和毒性表達(dá)[J].微生物學(xué)報，2010，50(6)：717-723.

[47]Zhou Lian，Yu Yonghong，Chen Xiping，et al.The multiple DSF-family QS signals are synthesized from carbohydrate and branched-chain amino acids via the FAS elongation cycle[J].Scientific Reports，2015，DOI：10.1038/srep13294.

[48]He Yawen，Wu Ji′en，Cha J S，et al.Rice bacterial blight pathogenXanthomonasoryzaepv.oryzaeproduces multiple DSF-family signals in regulation of virulence factor production[J].BMC Microbiology，2010，10(1):1-9.

[49]He Yawen，Xu Min，Lin Kui，et al.Genome scale analysis of diffusible signal factor regulon inXanthomonascampestrispv.campestris：Identification of novel cell-cell communication dependent genes and functions[J].Molecular Microbiology，2006，59：610-622.

[50]He Yawen，Zhang Lianhui.Quorum sensing and virulence regulation inXanthomonascampestris[J].FEMS Microbiology Reviews，2008，32(5)：842-857.

(責(zé)任編輯 薛 榮)

A review of relationship between carbon metabolism and pathogenicity inXanthomonasoryzae

GUO Wei1, ZOU Lifang2, CHEN Gongyou2

(1.CollegeofChemistryandLifeSciences,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua321004,China; 2.CollegeofAgricultureandBiology,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China)

Carbon metabolism was one of the most basic metabolisms inXanthomonasoryzae. Carbohydrate nutrient acquisition was crucial for pathogen to establish a successful parasitism and to grow, reproduce in host rice. Nutrition drive was also a vital aspect of rice-Xanthomonasoryzaeinteraction, and often associated with other crucial pathogenicity determinants, such as type Ⅲ secretion system (T3SS). It was summed up the carbon metabolism pathways and functions ofXanthomonasoryzae, the biological properties of related-genes encoding catalytic enzyme in carbon metabolism pathways, the relevance of carbon metabolism with thehrp(hypersensitive response and pathogenicity) system and quorum sensing (QS). In addition, it was discussed the prospects that carbon metabolic pathway might be used as a way to control rice bacterial diseases.

rice;Xanthomonasoryzae; carbon metabolism; biological properties

10.16218/j.issn.1001-5051.2017.01.011

2016-02-29；

2016-05-31

國家自然科學(xué)基金青年項目(31301633)；浙江省教育廳科研項目(Y201328481)

郭 威(1983-)，男，河南信陽人，講師，博士.研究方向：分子植物病理學(xué).

S432.42

A

1001-5051(2017)01-0071-08