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Analysis of regulatory relationship between stringent response related gene spoTXcc and T3SS genes in Xanthomonas campestris pv. campestris

十字花科黑腐病菌应急反应相关基因spoTXcc对T3SS基因调控作用的分析



全 文 :植物病理学报
ACTA PHYTOPATHOLOGICA SINICA  46(1): 27 ̄36(2016)
收稿日期: 2014 ̄12 ̄06ꎻ 修回日期: 2015 ̄11 ̄14
基金项目: 国家“973”计划项目(2011CB100701)ꎻ公益性行业(农业)科研专项(201303015)
通讯作者: 何勇强ꎬ教授ꎬ主要从事分子植物病理学研究ꎻTel: +86 ̄0771 ̄3237896ꎬE ̄mail: yqhe@gxu.edu.cn
第一作者: 刘国芳ꎬ女ꎬ山西人ꎬ博士研究生ꎬ主要从事分子植物病理学研究ꎻE ̄mail: lgf8411@126.comꎮ
doi:10.13926 / j.cnki.apps.2016.01.004
十字花科黑腐病菌应急反应相关基因 spoTXcc对
T3SS基因调控作用的分析
刘国芳1ꎬ 苏辉昭2ꎬ 刘 伟3ꎬ 牛祥娜2ꎬ 玉延华2ꎬ 姜 伟2ꎬ 何勇强1ꎬ2∗
( 1广西大学农学院ꎬ南宁 530004 ꎻ 2广西大学生命科学与技术学院ꎬ南宁 530004ꎻ
3通化师范学院生命科学学院ꎬ通化 134002)
摘要:通过反向遗传学方法和半定量 RT ̄PCR 方法ꎬ研究了十字花科黑腐病菌中被注释的应急反应相关基因 spoTXcc与 III
型分泌系统(T3SS)基因的调控关系ꎮ 基于自杀质粒 pK18mob 同源整合方法构建了十字花科黑腐病菌 spoTXcc基因
(XC_0956)的非极性整合突变体ꎬ检测了突变体的多种表型ꎬ发现 spoTXcc突变体延迟了在非寄主植物辣椒 ECW ̄10R 上引
发的过敏反应(HR)ꎮ 利用 GUS(β ̄葡糖苷酸酶)活性检测、原位组织染色和半定量 RT ̄PCR 的方法ꎬ发现 T3SS 相关基因
在 spoTXcc基因的非极性整合突变体中表达量降低ꎬ表明十字花科黑腐病菌中被注释的应急反应相关基因 spoTXcc显著正调
控 T3SS相关基因的表达ꎮ
关键词:十字花科黑腐病菌ꎻ spoTXcc基因ꎻ 过敏反应(HR)ꎻ T3SSꎻ 调控
Analysis of regulatory relationship between stringent response related gene spoTXcc
and T3SS genes in Xanthomonas campestris pv. campestris   LIU Guo ̄fang1ꎬ SU
Hui ̄zhao2ꎬ LIU Wei3ꎬ NIU Xiang ̄na2ꎬ YU Yan ̄hua2ꎬ JIANG Wei2ꎬ HE Yong ̄qiang1ꎬ2   ( 1 College of
Agronomyꎬ Guangxi Universityꎬ Nanning 530004ꎬ Chinaꎻ 2College of Life Science and Technologyꎬ Guangxi Universityꎬ
Nanning 530004ꎬ Chinaꎻ 3College of Life Scienceꎬ Tonghua Normal Universityꎬ Tonghua 134002ꎬ China)
Abstract: The regulatory relationship between the stringent response related gene spoTXcc and type III secretion
system (T3SS) related genes in the bacterial phytopathogen Xanthomonas campestris pv. campestris was investi ̄
gated by using reversed genetics method and semi ̄quantitative RT ̄PCR. A non ̄polar mutant of spoTXcc (XC_
0956) was generated by suicide plasmid pK18mob mediated homologous integration and various phenotypes of
the mutant were studied. It was found that the spoTXccmutant delayed the induction of hypersensitive response on
the non ̄host plant pepper ECW ̄10R. The expression of T3SS genes were down ̄regulated in spoTXcc gene mutant
detected by GUS activity testsꎬ semi ̄quantitative RT ̄PCR and staining of tissue methodsꎬ indicating that the
stringent response related gene spoTXcc positively regulated the T3SS related genes in X. campestris pv. campestris.
Key words: Xanthomonas campestris pv. campestrisꎻ spoTXcc geneꎻ hypersensitive response (HR)ꎻ T3SSꎻ
regulation
中图分类号: S435. 111. 47          文献标识码: A          文章编号: 0412 ̄0914(2016)01 ̄0027 ̄10
    细菌经常面临各种极端环境ꎬ营养物质对细菌
的生长和生存就是一个主要的环境因子ꎬ而为了适
应营养物质匮乏的环境ꎬ细菌在长期的进化过程中
形成了复杂的调控机制ꎮ 在营养物质匮乏的环境

 
植物病理学报 46卷
中ꎬ细菌会快速调节细胞生理生化的改变ꎬ如激活
或者抑制基因的表达、蛋白的翻译和一些酶的酶活
力ꎬ这个调控过程被称为应急反应[1]ꎮ 细菌的应
急反应是由胞内 2 个信号分子 ppGpp 和 pppGpp
引起的ꎬ通常统称为(p) ppGpp[2]ꎮ (p) ppGpp 在
应急反应中与细菌的多种生理变化相关ꎬ包括
DNA的转录、复制、蛋白质的翻译、病原菌的致病
力、细菌的繁殖以及潜伏等[3]ꎮ 革兰氏阴性细菌
中(p)ppGpp是由 RelA( relaxed)和 SpoT 2个酶合
成的ꎬRelA 在氨基酸饥饿时合成 ( p) ppGppꎬ而
SpoT是一个双功能酶ꎬ它具有较强的( p) ppGpp
水解酶活性和较弱的(p)ppGpp 合成酶活性ꎬSpoT
在碳源、磷酸、铁离子[4~6]或者脂肪酸[7]缺乏的环
境中可以合成应急因子(p)ppGppꎮ
    十字花科黑腐病菌(Xanthomonas campestris
pv. campestrisꎬ Xcc)能够在世界范围内引起十字
花科植物的黑腐病[8]ꎬ是研究病原菌与植物互作
机理的模式微生物之一ꎮ 目前已完成多个 Xcc 菌
株的全基因组序列测定ꎬ许多与致病相关的基因得
到鉴定[9~11]ꎮ T3SS是 Xcc 的一个重要致病系统ꎬ
由 hrp / hrc基因簇的基因编码[12~14]ꎬ能将效应物蛋
白转运至植物细胞内ꎮ 效应物蛋白具有双重功能ꎬ
在没有相应的抗病基因的寄主植物上ꎬ效应物蛋白
是致病因子ꎻ在有相对应的 R 基因的寄主植物上ꎬ
效应物蛋白(如ꎬAvr 蛋白)表现为无毒活性ꎬ其被
R基因识别后ꎬ引起寄主植物细胞的程序性死亡ꎬ
表现为寄主的 HR 反应ꎬ也是植物的一种“免疫反
应” [15~17]ꎮ
    通过生物信息学分析及同源序列比对ꎬ发现十
字花科黑腐病菌 Xcc 8004 菌株全基因组中存在
spoT同源基因ꎬ本文称之为 spoTXccꎬ基因 ID为 XC
_0956ꎮ 试验发现 Xcc 8004 中的 spoTXcc基因突变
后ꎬ延迟了该菌在非寄主植物辣椒 ECW ̄10R 上引
发的 HR反应ꎬ推断 spoTXcc基因可能与 T3SS 相关
基因存在调控关系ꎮ 经过 GUS 活性检测、原位组
织染色和半定量 RT ̄PCR的方法ꎬ发现在基本培养
基 MMX 和植物体内ꎬT3SS 相关基因 hrp 基因在
spoTXcc基因非极性整合突变体中的表达量降低ꎮ
这是十字花科黑腐病菌中首次关于应急反应相关
基因 spoTXcc正调控 T3SS 相关基因 hrp 基因表达
的报道ꎮ
1  材料与方法
1.1  菌株、质粒和培养条件
    所用的菌株、质粒见表 1ꎮ 大肠杆菌在 LB 培
养基中培养[18]ꎬ培养温度是 37℃ꎮ 十字花科黑腐
病菌在 NYGB 培养基[19] (5.0 g / L 多聚蛋白胨、
3.0 g / L酵母提取物、20.0 g / L甘油)和MMX培养
基[20](2.0 g / L (NH4) 2SO4、4.0 g / L K2HPO4、6.0
g / L KH2PO4、0.2 g / L MgSO4􀅰7H2O、1.0 g / L 柠
檬酸三钠、5. 0 g / L 葡萄糖)中培养ꎬ培养温度为
28℃ꎮ LA培养基为 LB培养基添加 1%(W/ V)琼
脂的固体培养基ꎬNYGA为 NYGB培养基添加 1%
(W/ V)琼脂的固体培养基ꎮ 抗生素的用量为:大
肠杆菌和十字花科黑腐病菌均为 50 μg / mL 利福
平(Rif)、25 μg / mL 卡那霉素(Km)、100 μg / mL
壮观霉素(Spc)ꎻ四环素(Tc)ꎬ大肠杆菌的用量为
15 μg / mLꎬ十字花科黑腐病菌的用量为 5 μg / mLꎮ
1.2  spoTXcc基因突变体、功能互补菌株的构建
1.2.1  spoTXcc基因突变体构建  按照 Windgassen
等[21]描述的方法构建 spoTXcc基因整合突变体ꎬ所
用引物见表 2ꎮ PCR 扩增目标基因 spoTXcc内部的
DNA片段ꎬ经过预先在引物中设计的 BamH I 和
Hind III双酶切后ꎬ按照转录方向连接在自杀质粒
载体 pK18mob 相应的酶切位点之间ꎬ用引物
0956nkF / 0956nkR进行 PCR 验证ꎬ并用酶切验证
的方法ꎬ挑取正确的重组质粒ꎬ送样测序ꎬ将测序正
确的重组质粒通过三亲本接合的方法导入野生型
菌株 Xcc 8004中ꎬ在含有相应抗生素 Rif和 Km的
NYGA平板上筛选发生同源单交换的三亲本接合
子ꎬ即非极性整合突变体ꎬ挑取阳性克隆用引物
pK18con / 0956conR进行 PCR验证ꎬ随机挑取一个
验证正确的阳性克隆进行下一步试验ꎬ并将验证正
确的突变体命名为 NK0956ꎮ
1.2. 2   功能互补菌株的构建   以 Xcc 8004 总
DNA为模板ꎬ通过 PCR 方法分别扩增目的基因
spoTXcc全基因序列的 DNA 片段(包括 spoTXcc基因
上游 DNA 片段约 260 bp)ꎬ测序正确后连接到
pLAFR3上ꎬ转化至大肠杆菌 JM109 中ꎬ在含有相
应浓度 Tc 的 LA 平板上ꎬ获得转化子ꎬ利用 PCR
验证和酶切验证的方法获得含有目的基因的重组
82

 
  1期 刘国芳ꎬ等:十字花科黑腐病菌应急反应相关基因 spoTXcc对 T3SS基因调控作用的分析
Table 1  The strains and plasmids used in this study
Strain and plasmid Characteristics Source
E. coli
JM109 RecA1ꎬendA1ꎬgyrA96ꎬthiꎬsupE44ꎬrelA1△
( lac ̄proAB) / F’[ traD36ꎬlacIqꎬlacZ△M15]
Laboratory collection
ED8767 RecAꎬmetꎬcontaining plasmid pRK2073ꎬSpcr Laboratory collection
Xcc
8004 Wild typeꎬRifr Laboratory collection
NK0956 As 8004ꎬ but spoT ∶ ∶ pK18mobꎬRifrꎬKmr This study
CNK0956 NK0956 harboring pL3spoTXccꎬRifrꎬKmrꎬTetr This study
8004 / pL6hrpAGUS 8004 harboring pL6hrpAGUSꎬ Rifrꎬ Tetr This study
8004 / pL6hrpBGUS 8004 harboring pL6hrpBGUSꎬ Rifrꎬ Tetr This study
8004 / pL6hrpCGUS 8004 harboring pL6hrpCGUSꎬ Rifrꎬ Tetr This study
8004 / pL6hrpDGUS 8004 harboring pL6hrpDGUSꎬ Rifrꎬ Tetr This study
8004 / pL6hrpEGUS 8004 harboring pL6hrpEGUSꎬ Rifrꎬ Tetr This study
8004 / pL6hrpFGUS 8004 harboring pL6hrpFGUSꎬ Rifrꎬ Tetr This study
8004 / pL6hrpGGUS 8004 harboring pL6hrpGGUSꎬ Rifrꎬ Tetr This study
8004 / pL6hrpXGUS 8004 harboring pL6hrpXGUSꎬ Rifrꎬ Tetr This study
NK0956 / pL6hrpAGUS NK0956 harboring pL6hrpAGUSꎬ Rifrꎬ Kmrꎬ Tetr This study
NK0956 / pL6hrpBGUS NK0956 harboring pL6hrpBGUSꎬ Rifrꎬ Kmrꎬ Tetr This study
NK0956 / pL6hrpCGUS NK0956 harboring pL6hrpCGUSꎬ Rifrꎬ Kmrꎬ Tetr This study
NK0956 / pL6hrpDGUS NK0956 harboring pL6hrpDGUSꎬ Rifrꎬ Kmrꎬ Tetr This study
NK0956 / pL6hrpEGUS NK0956 harboring pL6hrpEGUSꎬ Rifrꎬ Kmrꎬ Tetr This study
NK0956 / pL6hrpFGUS NK0956 harboring pL6hrpFGUSꎬ Rifrꎬ Kmrꎬ Tetr This study
NK0956 / pL6hrpGGUS NK0956 harboring pL6hrpGGUSꎬ Rifrꎬ Kmrꎬ Tetr This study
NK0956 / pL6hrpXGUS NK0956 harboring pL6hrpXGUSꎬ Rifrꎬ Kmrꎬ Tetr This study
Plasmids
pLAFR3 PK2 repliconꎻMob+ꎬTra-ꎻcontaining placꎬTetr Laboratory collection
pRK2073 Helper plasmidꎬTra+ꎬMob+ꎬColE1ꎬSpcr Laboratory collection
pK18mob Suicide plasmid in XanthomonasꎬKmr Laboratory collection
pNK0956 pK18mob containing a 597 bp DNA sequence of spoTXcc geneꎬKmr This study
pL3spoTXcc pLAFR3 containing the spoT gene(2591 bp)of XccꎬTetr This study
pL6hrpAGUS pLAFR6 containing an hrpA operon promoter ̄gusA fusion fragmentꎬ Tetr Laboratory collection
pL6hrpBGUS pLAFR6 containing an hrpB operon promoter ̄gusA fusion fragmentꎬ Tetr Laboratory collection
pL6hrpCGUS pLAFR6 containing an hrpC operon promoter ̄gusA fusion fragmentꎬ Tetr Laboratory collection
pL6hrpDGUS pLAFR6 containing an hrpD operon promoter ̄gusA fusion fragmentꎬ Tetr Laboratory collection
pL6hrpEGUS pLAFR6 containing an hrpE operon promoter ̄gusA fusion fragmentꎬ Tetr Laboratory collection
pL6hrpFGUS pLAFR6 containing an hrpF operon promoter ̄gusA fusion fragmentꎬ Tetr Laboratory collection
pL6hrpGGUS pLAFR6 containing an hrpG operon promoter ̄gusA fusion fragmentꎬ Tetr Laboratory collection
pL6hrpXGUS pLAFR6 containing an hrpX operon promoter ̄gusA fusion fragmentꎬ Tetr Laboratory collection
  Rifrꎬ Kmrꎬ Tetrꎬ and Spcr = resistance to rifampicinꎬ kanamycinꎬ tetracycline and spectinomycinꎬ respectively.
92

 
植物病理学报 46卷
Table 2  Primers used in this study
Primer name Sequence (5’ to 3’) Product length / bp
0956nkF / 0956nkR GGATCCGCCCTGGAGCATCTATT /
AAGCTTGCACCAGCTTCTTGTCCACG
597
pK18con / 0956conR GCCGATTCATTAATGCAGCTGGCAC /
AAGCTTGGTGCTCGAATCGGCATGTA
1 748
C0956F / C0956R GGATCCGACAACGCACTGATCGATGAAGT /
AAGCTTGGTGCTCGAATCGGCATGTA
2 591
16S rRNAF / 16S rRNAR CGTGCCTCAGTGTCAGTGTT / GTAAAGCGTGCGTAGGTGGT 195
hrpGRTF / hrpGRTR AAGAAACTGCGGCTGTGC / GGTGCGATTGACCGTATTG 144
hrpXRTF / hrpXRTR GAGACATCTTCGGCTTCGAC / GCCTGGCAATACTCGAACTC 204
hrpB6RTF / hrpB6RTR AAGCACAACGAGGTGGAGAC / AGCTGTTCCAGGATGGTGTC 159
hrpC1RTF / hrpC1RTR TCGACTTCACCACCAATACG / AAGGTGCCGATCAATCCTG 130
hrpFRTF / hrpFRTR TGCCCAAGGATCTAAACCAG / TGCTCATCGACTCTTTGTCG 156
 
质粒 pL3spoTXccꎮ 通过三亲本接合将 pL3spoTXcc
导入突变体 NK0956 中ꎬ在含有相应抗生素 Rif、
Km和 Tc的 NYGA平板上筛选三亲本接合子ꎬ选
取 6 ~ 8 个接合子ꎬ提取质粒ꎬ用引物 C0956F /
C0956R进行 PCR验证以及酶切电泳验证ꎬ随机挑
取一个验证正确的阳性克隆进行下一步试验ꎬ并将
验证正确的互补菌株命名为 CNK0956ꎮ
1.3  过敏反应(HR)检测
    过敏反应供试植物为近等基因系辣椒品种
ECW ̄10R(Capsicum annuum cv. ECW ̄10R)ꎬ非寄
主辣椒 ECW ̄10常用作 Xcc检测 HR反应的供试植
株[22]ꎮ 辣椒种植约 2~3个月至成株期后ꎬ选取六至
八叶龄的叶片作为供试植株ꎮ 取待测菌株过夜培养
物离心收集细菌ꎬ弃去上清ꎬ用移液器将残余的培养
基吸干净ꎬ用无菌水重悬菌体ꎬ将菌液稀释至 OD600
为 0.01ꎻ用针头轻轻使叶片背面破损ꎬ接着将手指垫
在叶片的另一面ꎬ用 1 mL无针头注射器在破口处压
渗菌液ꎬ将菌液压渗到辣椒叶片背面的叶肉中ꎬ形成
一个肉眼可见的浸润斑ꎬ并且有效控制压渗面积ꎮ
接种后将辣椒苗置于室温并用荧光灯光照ꎬ8 h后每
隔 1~2 h观察并拍照记录过敏反应结果ꎮ
    通过测电导率的方法量化过敏反应(HR) [22]ꎮ
将待测菌株的过夜培养菌液稀释至 OD600 = 0.01ꎬ
将菌液压渗至辣椒 ECW ̄10R 叶片背面的叶肉中ꎬ
接种后将辣椒苗放在室温并用荧光灯照耀ꎬ分别在
压渗后 8、16 和 24 h 取各菌株的压渗叶片放入超
纯水中ꎬ超声波除去气泡ꎬ测电导率ꎮ 以压渗
ddH2O叶片测得的电导率为负对照ꎬ观察并记录野
生型菌株和突变体菌株的电导率ꎮ
1.4  半定量RT ̄PCR(Semi ̄quantitative RT ̄PCR)
    采用 Promega 公司的 SV total RNA Isolation
System Kit提取 Xcc菌株的总 RNAꎬ经过消化去除
总 DNA后ꎬ用 Invertron公司的 RevertAidTM第一链
合成试剂盒将 RNA 反转录成 cDNAꎬ以 cDNA 为
模板ꎬ以 16S rRNA为内参基因校正待测样品模板
量一致ꎬ选择目的基因 ORF 内部 200 bp 左右的片
段为 PCR产物ꎬ同样条件下对目的基因进行常规
PCR扩增反应ꎮ 用琼脂糖凝胶电泳分析目的基因
表达量的差异ꎮ
1.5  GUS(β ̄葡糖苷酸酶)活性检测
1.5.1  标准曲线的绘制  配制不同浓度的对硝基
苯酚(p ̄Nitrophenol)ꎬ于 415 nm 波长处检测吸光
值ꎬ以浓度(mg / mL)做横坐标ꎬOD415做纵坐标ꎬ绘
制标准曲线ꎬ每个浓度做 3个重复ꎮ
    将待测菌株接种至含有适当浓度抗生素的
NYGB 培养基中培养过夜ꎬ调节各待测菌株浓度
OD600一致ꎬ按 10%的接菌量将各待测菌株转接至
MMX液体培养基中ꎬ28℃摇床培养 36 h 后ꎬ取 2
mL待测菌液到比色杯中ꎬ相应的液体培养基作为
空白对照ꎬ测 OD600值ꎻ取 1 mL 测过 OD600值的菌
液至 1.5 mL的 EP管ꎬ每管加入 40 μL 甲苯ꎬ振荡
7 minꎻ取出 125 μL振荡后的菌液至 1.5 mL 的 EP
管ꎬ加入 375 μL GUS 反应液ꎬ混匀ꎬ37℃水浴反应
10 minꎻ反应结束后加入 200 μL GUS 反应终止液ꎬ
混匀ꎬ12 000 rpmꎬ离心 5 minꎻ取 500 μL 上清液测
OD415值ꎬ对照是培养基加相应体积的各溶液ꎮ
03

 
  1期 刘国芳ꎬ等:十字花科黑腐病菌应急反应相关基因 spoTXcc对 T3SS基因调控作用的分析
1.5.2  酶活性定义  在 OD600为 1 时ꎬ每毫升菌液
每分钟水解对硝基苯酚葡糖苷酸ꎬ产生 1 mg 对硝
基苯酚的量为一个酶活性单位ꎮ 酶活性计算公式:
    β ̄葡糖苷酸酶活性 ( mg / min × OD600 ) =
(OD415-a)×0.5 / (b×10×0.125×OD600)
    其中ꎬa、b 是标准曲线中的系数ꎬ反应时间为
10 minꎬ酶反应体积为 0.5 mLꎬ反应菌液量是 0.125
mLꎬOD600是所测菌株的菌液在波长 600 nm 处测
定的光吸收值ꎮ 使用统计分析软件 SPSS 21.0(ht ̄
tp: / / spss.en.softonic.com / )进行 student’ s t test处
理ꎬ对比相应基因在 Xcc 8004 和 NK0956 之间的
表达差异ꎮ
1.6  原位组织染色
    所用的试验植株是满身红萝卜 ( Raphanus
sativus var. radiculus)ꎬ萝卜苗温室生长约 25 d 左
右达到 4~5叶期ꎬ即可用于试验ꎮ
    将 Xcc 待测菌株摇瓶过夜培养ꎬ调节菌液
OD600至 1.0ꎻ将调好浓度的菌液用剪叶法接种至寄
主植物满身红萝卜的叶片ꎬ接种后的寄主植物置温
度为 28℃ꎬ相对湿度为 70%ꎬ光照时间为 12 h / d的
温室中ꎬ分批诱导 5 d 和 7 dꎻ诱导后ꎬ从植株上回
收接种的叶片ꎬ将叶片浸泡于 200 mL GUS组织染
色缓冲液中ꎬ37℃培养箱放置 24 hꎻ用 70%乙醇
(或异丙醇)漂洗浸泡叶片数天ꎬ期间更换新的
70%乙醇以除去叶绿素ꎬ观察结果并照相ꎮ GUS
组织染色缓冲液[Na3 PO4( pH 7.0) 100 mmol / L、
Triton ̄X ̄100 0.1%、EDTA 10 mmol / L、X ̄gluc 0.5
mg / mL、二甲基亚砜 1%]ꎮ
2  结果与分析
2.1  spoTXcc基因的生物信息学分析
    根据 Xcc 8004 基因组注释[9]ꎬ基因 XC_0956
编码一个 pentaphosphate guanosine ̄3′ ̄pyrophos ̄
phohydrolase(SpoTXcc)ꎮ spoTXcc基因全长为 2 172
bpꎬ位于基因组的 1 151 146 bp ~ 1 148 975 bpꎬ转
录方向为反方向ꎮ 其编码蛋白包含 4个结构域ꎬ从
N端到 C 端分别是(p)ppGpp 水解酶结构域 HDꎬ
其负责将胞内(p)ppGpp水解为 GTP或者 GDP和
焦磷酸ꎻ(p) ppGpp 合成酶结构域 RelA_SpoTꎬ其
负责在应急环境中将胞内的 GTP 和 ATP 合成
(p)ppGppꎻC末端的 TGS和 ACT结构域主要是感
受外界信号的刺激ꎬ起调节酶活性的作用(图 1 ̄A)ꎻ
Fig. 1  The domain analysis and amino acid sequences comparison from Xanthomonas campestris
pv. campestris (SpoT ̄Xcc)ꎬ Vibrio cholerae (SpoT ̄V. cholerae) and Escherichia coli (SpoT ̄E. coli)
A: Domain analysis of SpoT ̄Xccꎬ SpoT ̄V. cholerae and SpoT ̄E. coli. HD: (p)ppGpp hydrolaseꎻ
RelA_SpoT: (p)ppGpp synthetaseꎻ TGS: Named after threoyl ̄tRNA synthetaseꎬ GTPases and SpoT proteinsꎻ
ACT:Nnamed after acetolactate synthetaseꎬ chorismate mutase and TyrR proteins.
B: HD_4 domain amino acids sequence comparison from HD_4 ̄E. coliꎬ HD_4 ̄V. cholerae and HD_4 ̄Xcc.
13

 
植物病理学报 46卷
氨基酸序列同源性分析发现ꎬXcc 8004 的 SpoTXcc
酶和大肠杆菌、霍乱弧菌 SpoT 酶的氨基酸序列的
相似性分别是 45.9%和 45.5%ꎬ其中 HD_4(水解
酶)结构域的相似性分别达到 66. 0%和 68. 0%
(图 1 ̄B)ꎮ
2.2  构建 spoTXcc基因突变体及功能互补菌株
    采用整合突变和三亲本接合的方法ꎬ构建了
spoTXcc基因的非极性整合突变体 NK0956ꎬ还构建
了突变体 NK0956 的功能互补菌株 CNK0956ꎬ具
体操作步骤见 1.2ꎮ
2.3   spoTXcc基因与 Xcc 在非寄主植物上产生
HR反应相关
    将 Xcc 8004、NK0956、CNK0956稀释至 OD600 =
0.01的菌液及无菌水压渗至辣椒 ECW ̄10R 叶片
上ꎬ8 h后ꎬ每隔 2 h记录一次观察结果ꎬ并进行电导
率测定ꎮ 结果发现ꎬ接种 8 h 后ꎬ野生型菌株 Xcc
8004和互补菌株 CNK0956的辣椒叶片接种部位出
现较弱的组织坏死ꎬ而突变体菌株 NK0956 的辣椒
叶片接种部位没有出现组织坏死(图 2 ̄A)ꎻ10 h后ꎬ
野生型菌株 Xcc 8004和互补菌株 CNK0956的辣椒
叶片接种部位出现明显的组织坏死ꎬ而突变体
NK0956的辣椒叶片接种部位出现较弱的组织坏死ꎻ
12 h后ꎬ野生型菌株 Xcc 8004、突变体菌株 NK0956
和互补菌株 CNK0956 的接种部位出现明显的组织
坏死ꎬ而接种无菌水的部位则无明显的变化(图 2 ̄
A)ꎮ 这一结果与电导率测定的结果(图 2 ̄B)一致ꎮ
对过敏反应(HR)的量化采用测电导率的方法[22]ꎮ
压渗有不同菌株的叶片、出现坏死斑较晚的叶片ꎬ其
电导率测出的值较低ꎬ相对应的菌株延迟或者减弱
了 HR反应的出现ꎮ 这些结果说明ꎬspoTXcc基因突
变后ꎬ延迟和减弱了 Xcc 在非寄主植物辣椒上 HR
反应的出现ꎬ互补菌株 CNK0956能恢复这一表型至
野生型菌株 Xcc 8004水平ꎮ 此外ꎬ还发现将 spoTXcc
基因突变后ꎬ突变体菌株 NK0956 在寄主植物上的
致病力降低(数据未显示)ꎮ
Fig. 2  Hypersensitive response(HR) assay of strains Xcc 8004ꎬNK0956 and CNK0956 on non ̄host plant
A: HR induced on non ̄host plant pepper leaves by X. campestris pv. campestrisꎻ
B: Electrolyte leakage from pepper leaves inoculated with X. campestris pv. campestris strains.
23

 
  1期 刘国芳ꎬ等:十字花科黑腐病菌应急反应相关基因 spoTXcc对 T3SS基因调控作用的分析
2.4   hrp 基因簇报告质粒在基本培养基中的
GUS活性及半定量 RT ̄PCR结果分析
    Xcc在非寄主植物上引起 HR反应受 hrp基因
簇调控ꎬ并且 hrp基因与 Xcc在寄主植物上的致病
性相关ꎬ而 hrp基因簇的表达又受到 2 个非常关键
的基因 hrpG 和 hrpX 调控ꎮ 为了进一步研究
spoTXcc基因突变体 HR 反应延迟和致病力降低是
否是因为影响了 hrp基因簇的表达ꎬ比较了 hrp 基
因在突变体和野生型菌株中的表达情况ꎮ 将 hr ̄
pG、hrpX、hrpA、hrpB、hrpC、hrpD、hrpE 和 hrpF 的
GUS报告质粒通过三亲本接合的方法分别导入到
野生型菌株 Xcc 8004 和 spoTXcc基因整合突变体
NK0956中ꎬ在MMX基本培养基中检测 GUS活性
表达ꎮ 统计学分析表明ꎬ报告质粒 pL6hrpGGUS
在野生型菌株 Xcc 8004 和突变体菌株 NK0956 中
的 GUS 活 性 没 有 明 显 差 异ꎬ 而 报 告 质 粒
pL6hrpXGUS、 pL6hrpBGUS、 pL6hrpCGUS、
pL6hrpFGUS 在突变体菌株 NK0956 背景下的
GUS活性极显著低于野生型菌株 Xcc 8004背景下
的 GUS 活性 ( P = 0. 01ꎬ t test)ꎻ pL6hrpAGUS、
pL6hrpDGUS、pL6hrpEGUS 在突变体 NK0956 背
景下的 GUS 活性显著低于野生型菌株 Xcc 8004
背景下的 GUS活性(P=0.05ꎬt test)(图 3 ̄A)ꎮ 半
定量 RT ̄PCR的结果(图 3 ̄B)与 GUS活性检测结
果基本一致ꎮ 这一结果说明 spoTXcc基因与 hrp 基
因簇的基因 hrpX、hrpA、hrpB、hrpC、hrpD、hrpE 和
hrpF呈正调控关系ꎬ而与 hrpG不存在明显的调控
关系ꎮ 这也说明 spoTXcc基因在MMX培养基中ꎬ可
能是通过调控 hrpX的表达来调控 hrp 基因簇其他
基因的表达ꎮ
2.5  spoTXcc基因在植物中正调控 hrp 基因簇基
因的表达
    为研究 spoTXcc基因是否在细菌侵染植物过程
中正调控 hrp基因簇基因的表达ꎬ以 hrpG、hrpX 和
hrpF作为 hrp 基因簇的代表ꎬ检测了报告质粒
pL6hrpGGUS、pL6hrpXGUS 和 pL6hrpFGUS 在植
物中 的 GUS 活 性 表 达ꎮ 将 含 有 报 告 质 粒
pL6hrpGGUS、pL6hrpXGUS 和 pL6hrpFGUS 的野
生型菌株 Xcc 8004和 spoTXcc基因整合突变体菌株
NK0956ꎬ接种至含有相应抗生素的 10 mL NYGB
培养基中ꎬ28℃、200 rpm 摇床培养过夜ꎬ调节待测
菌株的过夜培养物浓度 OD600 = 1.0ꎬ用剪叶接种的
方法将待测菌株接种至寄主植物满身红萝卜叶片
上ꎬ分批诱导 5 d和 7 dꎬ进行组织染色ꎮ 结果表明ꎬ
Fig. 3  The expression status of hrp genes in Xcc 8004 and the spoTXcc mutant
A: GUS activity of each hrp gene’s promoter and gusA transcriptional fusion plasmid in Xcc 8004 and NK0956.
B: The transcriptional levels of hrp genes in Xcc 8004 and NK0956 by Semi ̄quantitative RT ̄PCR. A paired student’s t test
was carried out by using SPSS to determine the gene expression differences between Xcc 8004 and NK0956.
33

 
植物病理学报 46卷
Fig. 4  spoTXcc gene positively affects the expression of hrp genes on host plant
Xcc strains 8004 / pL6hrpGGUSꎬ 8004 / pL6hrpXGUSꎬ 8004 / pL6hrpFGUSꎬ NK0956 / pL6hrpGGUSꎬ NK0956 / pL6hrpXGUS
and NK0956 / pL6hrpFGUS were cultured in NYGB medium overnight and resuspended in water to an optical density
at OD600 = 1.0 and then inoculated into the Chineses radish leaves by leaf clipping. At 5 days and 7 days postinoculationꎬ
the inoculated leaves were assayed. β ̄Glucuronidase (GUS) activity was measured using an in situ staining method.
A:The inoculated leaves of 5 days postinoculation. B:The inoculated leaves of 7 days postinoculation.
接种含有报告质粒 pL6hrpGGUS、pL6hrpXGUS 和
pL6hrpFGUS的野生型菌株 Xcc 8004 的叶片显示
深蓝色ꎬ 而接种含有报告质粒 pL6hrpGGUS、
pL6hrpXGUS 和 pL6hrpFGUS 的 突 变 体 菌 株
NK0956的叶片显示淡蓝色或无蓝色(图 4)ꎮ 这
些结果说明ꎬspoTXcc基因在植物体内正调控 hrp 基
因簇基因的表达ꎬspoTXcc基因可能是通过正向调控
hrpG的表达来调控 hrpX 的表达ꎬ进而调控 T3SS
其他 hrp基因的表达ꎮ
3  讨论
    十字花科黑腐病菌 Xcc 8004 全基因组中拥有
一个注释为与应急反应相关的基因 spoTXcc [9]ꎮ 本
研究通过构建 spoTXcc基因的非极性整合突变体对
该基因的功能进行了初步研究ꎬ试验结果表明
spoTXcc基因与 Xcc在非寄主植物辣椒 ECW ̄10R上
HR反应的产生相关ꎬ而 T3SS 的组分绝大多数是
由 hrp 基因编码的[23ꎬ 24]ꎬ受到 HrpG / HrpX 的调
控ꎬhrp 基因与病原菌在易感染植物上的致病、抗
性寄主植物和非寄主植物上的 HR 反应相关[25]ꎮ
为此ꎬ通过 GUS活性检测、原位组织染色和半定量
RT ̄PCR 的方法ꎬ研究了十字花科黑腐病菌 Xcc
8004中 spoTXcc基因与 hrp 基因(hrpG、hrpX、hrpA ̄
hrpF)的调控关系ꎮ 本研究发现ꎬ在基本培养基
MMX中的 GUS活性检测和半定量 RT ̄PCR 的结
果显示ꎬ hrpG 基因在 spoTXcc 基因整合突变体
NK0956中的表达与野生型菌株 Xcc 8004 中的表
达没有明显的差异ꎻ而 hrpX、 hrpA、 hrpB、 hrpC、
hrpD、hrpE和 hrpF基因在 spoTXcc基因整合突变体
NK0956 中的表达明显低于在野生型菌株 Xcc
43

 
  1期 刘国芳ꎬ等:十字花科黑腐病菌应急反应相关基因 spoTXcc对 T3SS基因调控作用的分析
8004背景中的表达ꎮ 原位组织染色的结果显示:
在植物体内ꎬhrpG、hrpX 和 hrpF 在 spoTXcc基因突
变体 NK0956背景中的表达明显低于野生型菌株
Xcc 8004背景中的表达ꎮ 本研究结果显示在十字
花科黑腐病菌中ꎬspoTXcc基因是在转录水平调控
T3SS相关基因ꎻ在基本培养基 MMX 中ꎬspoTXcc基
因是通过调控 hrpX的转录来调控其他 hrp 基因的
转录ꎬ而在植物体内ꎬspoTXcc基因是通过调控 hrpG
基因的转录来调控 hrpX 基因的转录ꎬ进而来调控
其它 hrp基因ꎮ 我们还发现ꎬspoTXcc基因在基本培
养基 MMX和植物体内对 T3SS 的调控模式有差
异ꎮ 虽然基本培养基 MMX 被用来模拟 Xcc 寄主
植物体内环境ꎬ但是植物体内的环境和细胞组成成
分比 MMX培养基复杂的多ꎬ推测可能由于植物体
内环境的复杂性造成 spoTXcc基因在基本培养基
MMX和植物体内对 T3SS相关基因 hrp 的调控模
式不同ꎬ其机制值得进一步深入研究ꎮ
    本研究对 Xcc 8004菌株的应急反应相关基因
spoTXcc做了功能分析ꎬ首次对黄单胞菌的 spoTXcc基
因与 T3SS相关基因的调控关系进行了报道ꎬ为黄
单胞菌属应急反应系统与致病系统关系的研究奠
定了一定的基础ꎮ
致谢: 本 研 究 由 国 家 “ 973 ” 计 划 项 目
(2011CB100701)和公益性行业(农业)科
研专项(201303015)提供资助ꎮ
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责任编辑:于金枝
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