全 文 :植物病理学报
ACTA PHYTOPATHOLOGICA SINICA 45(2): 130 ̄138(2015)
收稿日期: 2014 ̄04 ̄15ꎻ 修回日期: 2014 ̄12 ̄20
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(31371905)ꎻ 公益性行业(农业)科研专项(201303015 ̄02)
通讯作者: 邹丽芳ꎬ 副教授ꎬ 主要从事分子植物病理学研究ꎻ Tel: 021 ̄34205873ꎬ Fax: 021 ̄34205873ꎬ E ̄mail: zoulifang202018@sjtu. edu. cn
第一作者: 王淼啸ꎬ 男ꎬ 四川人ꎬ 本科生ꎬ 主要从事分子植物病理学研究ꎮ
doi:10.13926 / j.cnki.apps.2015.02.003
水稻白叶枯病菌 hrpG调控基因的鉴定
王淼啸ꎬ 刘之洋ꎬ 董启超ꎬ 邹丽芳∗ꎬ 陈功友
(上海交通大学农业与生物学院ꎬ上海 200240)
摘要:水稻白叶枯病菌(Xanthomonas oryzae pv. oryzaeꎬ Xoo)引起的白叶枯病(bacterial leaf blightꎬ BLB)是水稻上最严重的细
菌病害之一ꎮ Xoo与寄主水稻的互作依赖由 hrp 基因编码的 III 型分泌系统(Type III secretion systemꎬ T3SS)ꎬ将效应蛋白
(T3SS effectorsꎬ T3SEs)注射入水稻细胞ꎬ引起 BLB症状的扩展ꎮ HrpG是 hrp基因转录表达的主要调控因子ꎮ 为了鉴定未
知的 hrpG调控子ꎬ本研究在以 hrpG∷gusA为报道基因构建的转座子突变体库中ꎬ筛选获得 4个候选的 hrpG负调控子突变体
G24 ̄46、G48 ̄22、G19 ̄14和 G57 ̄41ꎮ GUS活性测定、荧光定量 PCR 以及烟草组织的 GUS 染色试验均显示ꎬ在这些突变体中
hrpG的表达显著增加ꎮ Southern杂交结果显示ꎬ突变体中转座子均为单一位点的插入ꎮ 插入位点分析结果显示ꎬ在 G24 ̄46、
G48 ̄22、G57 ̄41和 G19 ̄14中转座子分别插入在 minD、 pilA、metB和 wxoB基因中ꎮ 毒性测定结果显示ꎬ这 4个突变体在水稻
上的毒性显著降低ꎮ 这些 hrpG调控子基因的鉴定为进一步解析稻黄单胞菌 hrpG上游调控网络提供了新的科学线索ꎮ
关键词:水稻白叶枯病菌ꎻ hrpG基因ꎻ gusA基因ꎻ 基因调控ꎻ hrp基因
Identification of genes regulating hrpG expression in Xanthomonas oryzae pv.
oryzae WANG Miao ̄xiaoꎬ LIU Zhi ̄yangꎬ DONG Qi ̄chaoꎬ ZOU Li ̄fangꎬ CHEN Gong ̄you ( School of
Agriculture and Biologyꎬ Shanghai Jiao Tong Universityꎬ Shanghai 200240ꎬ China)
Abstract: Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo)ꎬ causes bacterial leaf blight (BLB) in rice (Oryza sativa)ꎬ
which is one of the most serious bacterial diseases in rice. The Xoo ̄rice pathosystem mainly depends on a type III
secretion system (T3SS) encoded by a hrp gene cluster to inject T3SS effectors (T3SEs) into rice cells for BLB
disease development. HrpG is a major regulator to control the expression of hrp genes. To determine unknown
regulators controlling the expression of hrpGꎬ four mutants G24 ̄46ꎬ G48 ̄22ꎬ G19 ̄14 and G57 ̄41 were screened
from a transposon ̄inserted library of Xoo by using a hrpG∷gusA fusion as a reporter. The results from GUS
activity assaysꎬ real ̄time quantitative PCR and an in situ GUS staining experiment demonstrated that the hrpG
expression in these four mutants was dramatically increased when compared to the wild ̄type strain. Southern
blotting and sequencing analysis showed that the single transposon was inserted in minDꎬ pilAꎬ metB and woxB
genesꎬ in the mutants G24 ̄46ꎬ G48 ̄22ꎬ G57 ̄41 and G19 ̄14ꎬ respectively. Virulence assays displayed that the
mutation in these four genes led the pathogen less virulent in rice compared to the wild ̄type. Thereforeꎬ identifi ̄
cation of these hrpG regulator genes would provide some new threads to elucidate the regulation network up ̄
stream the hrpG gene in X. oryzae.
Key words: Xanthomonas oryzae pv. oryzae ꎻ hrpG geneꎻ gusA geneꎻ gene regulationꎻ hrp gene
中图分类号: S432.42 文献标识码: A 文章编号: 0412 ̄0914(2015)02 ̄0130 ̄09
水稻白叶枯病菌 ( Xanthomonas oryzae pv.
oryzaeꎬ Xoo)ꎬ从水稻叶尖和叶缘的水孔或伤口处
侵染水稻ꎬ进入维管束进行繁殖扩展危害ꎬ形成典
型的白叶枯症状ꎬ产生水稻白叶枯病(bacterial leaf
2期 王淼啸ꎬ等:水稻白叶枯病菌 hrpG调控基因的鉴定
blightꎬ BLB)ꎮ BLB 是水稻上最严重的细菌病害
之一[1]ꎮ Xoo在与植物互作时主要依赖 III 型分泌
系统(Type III secretion systemꎬ T3SS)ꎬ将效应蛋
白(T3SS effectorsꎬ T3SEs)注入植物细胞中ꎬ从而
导致病原菌在非寄主和抗病寄主上产生过敏反应
(hypersensitive responseꎬ HR)ꎬ在感病寄主水稻上
具有致病性(pathogenicity) [2]ꎮ 形成 T3SS 装置的
蛋白由成簇存在的 hrp基因编码[3]ꎮ
植物病原黄单胞菌的 hrp 基因在与植物互作
时被诱导表达ꎬHrpG 和 HrpX 是 hrp 基因表达的
关键调控子[4]ꎮ HrpG 属双组分信号传导系统
( two ̄component signal transduction systemꎬ TC ̄
STs)OmpR家族的感应调控因子ꎬ可调控 hrpX 和
hrp基因簇中 hrpA转录单元的转录表达[5]ꎮ HrpX
是 AraC类转录因子ꎬ主要调控启动子区域含有保
守基序 PIP ̄box(plant ̄inducible promoterꎬ TTCGC ̄
N15 ̄TTCGC) 的 hrp 基因以及编码 T3SE 的基
因[6]ꎮ 在辣椒斑点病菌(X. campestris pv. vesica ̄
toriaꎬ Xcv)中发现 HrpG的点突变能够使 hrp 基因
在抑制的环境条件下组成型表达ꎬ认为 HrpG 的构
象改变对 hrp 基因的调节起重要作用[7]ꎮ 在柑橘
溃疡病菌(Xanthomonas axonopodis pv. citriꎬ Xac)
中发现ꎬHrpG 能够与双组分调控系统的感应激酶
(sensor kinase) 互作[8]ꎮ 在甘蓝黑腐病菌 ( X.
campestris pv. campestrisꎬ Xcc)中发现双组分受体
激酶 HpaS 能够影响 HrpG 的磷酸化水平以及
HpaR1能够负调控 hrpG 的转录表达[9ꎬ 10]ꎮ 由于
不同植物黄单胞菌寄生危害不同的寄主植物ꎬ可能
感受的植物信号分子不同ꎬ因而可能在调控 HrpG
转录表达的上游调控网络不同ꎮ 在 Xoo 中仅鉴定
了 2个 hrpG的调控因子 LrpX(负调控子) [11ꎬ 12]和
Trh(正调控子) [5]ꎮ 推测ꎬ除这些因子外ꎬ还有一
些未知因子在水稻黄单胞菌中对 HrpG 转录表达
具有调控作用ꎮ
为鉴定新的 hrpG调控子ꎬ本研究以 hrpG∷gu ̄
sA为报道基因ꎬ利用转座子的随机插入ꎬ构建了高
通量的 Xoo突变体库ꎬ从中获得 4个负调控 hrpG表
达的突变体ꎬ并对插入位点的基因进行了鉴定ꎮ
1 材料与方法
1.1 菌株和质粒
本研究所用质粒和菌株见表 1ꎮ 大肠杆菌
Table 1 Strains and plasmids used in this study
Strain and plasmid Relevant characteristics Source
Xanthomonas oryzae pv.oryzae
PXO99A Xoo wild type strainꎬ Philippine race 6 [14]
G19 ̄14 The transposon mutant of PXO99A This study
G24 ̄26 The transposon mutant of PXO99A This study
G48 ̄22 The transposon mutant of PXO99A This study
G57 ̄41 The transposon mutant of PXO99A This study
Escherichia coli
EC100D+ EC100 derivativeꎬ pir+ Epicentre technologies
Plasmids
pPROBE ̄NT Promoter ̄GFP reporter plasmidꎻ Kmr [15]
pNG The promoter probe vectorꎬ gusAꎻ Kmr This lab
pNG ̄hrpG The hrpG promoter cloned in pNGꎻ Kmr This study
pHM1 IncWꎬ mobꎬ LacIP+ꎬ PK2 repliconꎬ cosmidꎻ Spr [14]
pHG ̄hrpG The hrpG∷gus frusion cloned in pHM1ꎻ Kmr This study
pHG2 Promoter probe cassette (T1) 4  ̄MCS ̄gusA cloned in pHM1ꎻ Spr This study
pHG2 ̄hrpG The hrpG promoter cloned in pHG2ꎻ Spr This study
pminiHimar RB1 The transposon vector containing a transposase geneꎬ R6K repliconꎻ Kmr [16]
131
植物病理学报 45卷
EC100D+置于 LB 培养基中生长ꎬ最适生长温度为
37℃ꎬXoo菌株于 NA、NB或者 XOM3[13]培养基中
生长ꎬ最适生长温度为 28℃ꎮ 所用质粒通过电转
化方式导入相应的宿主菌中ꎮ 抗生素浓度:卡那霉
素 (Km) 20 μg / mLꎬ壮观霉素( Sp) 20 μg / mLꎮ
限制性内切酶、EX ̄Taq 酶和 T4 ̄DNA 连接酶均购
于 TaKaRa公司(Dalianꎬ China)ꎮ
1.2 pHG ̄hrpG和 pHG2 ̄hrpG 载体构建
根据 Xoo PXO99A菌株的全基因组序列(Gen ̄
Bank: NC_010717.1)设计 hrpG 启动子引物ꎬ所有
引物的合成均在生工生物工程(上海)有限公司进
行ꎮ 以 hrpGp ̄F (Sal I) 5′ ̄GGAGTCGACGCAGG ̄
TAGTCGGACAACG ̄3′和 hrpGp ̄R ( EcoR I) 5′ ̄
GAGGAATTCTGAAGGGGAGCGCAAGCACC ̄3′
为引物ꎬ以 PXO99A基因组 DNA为模版ꎬPCR扩增
出 860 bp的启动子片段ꎬ通过 Sal I和 EcoR I位点
克隆在 pNG 载体相应的位点上ꎬ获得 pNG ̄hrpG
载体ꎮ Hind III酶切 pNG ̄hrpG质粒获得 2.9 kb的
hrpG∷gus 片段ꎬ连在经过 Hind III 酶切处理的
pHM1载体上获得 pHG ̄hrpGꎮ
以 T14 ̄F ( 5′ ̄ACTGAATTCTGTTGGGAAG
GGCGATCGGTG ̄3′)和 T14 ̄R (5′ ̄GGCATGCAA
GCTTCCGATCCCCAATTCCTG ̄3′) 为引物ꎬ以载
体 pPROBE ̄NT的质粒 DNA 为模版ꎬPCR 扩增出
934 bp 的终止子片段(T1) 4ꎮ EcoR I 和 Hind III
酶切的(T1) 4片段与从 pNG 载体上经 Hind III 酶
切下来的 gus片段连在经 EcoR I 和 Hind III 酶切
的 pHM1载体上ꎬ获得 pHG2ꎮ EcoR I 和 Hind III
酶切的(T1) 4片段与 pNG ̄hrpG 载体上经 Hind III
酶切下来的 hrpG∷ gus 片段连在经 EcoR I 和
Hind III酶切的 pHM1载体上ꎬ获得 pHG2 ̄hrpGꎮ
1.3 突变体中外源质粒的去除
将突变体单菌落接种在 20 mL NB培养中ꎬ培
养 24 h后ꎬ以 10%转接入新鲜的 NB培养基中ꎬ连
续转代 3次培养ꎮ 吸取 2 μL菌液稀释后涂布不含
有抗生素的 NA 培养基上ꎬ培养 2 ~ 3 d 获得单菌
落ꎮ 用牙签将单菌落同时点在 NA和 NA+Sp的培
养基上ꎬ观察菌落生长ꎮ 在 NA 培养基上能生长ꎬ
在 NA+Sp的培养基上不能生长的菌落ꎬ即为丢失
了外源质粒ꎮ
1.4 突变体中转座子拷贝数和插入位点的分析
提取突变体 gDNA后进行 Pst I酶切ꎬ以 nptII ̄
F ( 5′ ̄ATGATTGAACAAGATGGATTGCACGC ̄3′)
和 nptII ̄R ( 5′ ̄TCAGAAGAACTCGTCAAGAAG ̄
GC ̄3′)为引物组合ꎬ扩增得到转座子中 nptII 抗性
基因的 DNA片段作为探针ꎬ通过 Southern 杂交分
析ꎬ明确转座子插入的拷贝数ꎮ Southern 杂交中探
针标记和信号检测ꎬ参见 Roche (德国)DIG ̄High
Prime DNA Labeling and Detection Starter Kit I 试
剂盒ꎮ
取 2 μL突变体 gDNAꎬ建立 20 μL 的酶切体
系ꎬ经 BamH I 酶切后ꎬ以 T4 ̄DNA 连接酶进行连
接反应ꎬ连接反应液热转化入 EC100D+菌株的感
受态细胞中ꎬ在 LB+Km 平板上获得转化子ꎬ提取
转化子质粒ꎬ利用 himar1和 615引物[16]ꎬ进行测序
分析ꎮ
1.5 GUS活性定量测定
待测菌株单菌落接种于 5 mL 含相应抗生素
的 NB液体ꎬ振荡培养至 OD600>1.0ꎻ10%转接至新
鲜的 NB培养液中ꎬ振荡培养至 OD600约 1.5ꎬ收集
2 mL 菌液 10 000 r / min 离心 1 minꎬ ddW 洗涤沉
淀 1次后收集菌体ꎮ 500 μL XOM3 悬浮ꎬ调菌液
OD600至 0.5ꎬ 诱导培养 4 hꎬ然后加 500 μL 2×sonic
buffer(20 mmol / L Tris ̄HCl、10 mmol / L β ̄巯基乙
醇、5 mmol / L EDTA 和 1% Triton X ̄100)振荡混
匀ꎻ液氮中反复冻融 5 次ꎬ以完全裂解细胞ꎬ4℃
12 000 r / min离心 15 minꎻ 取 5 μL 上清液加入 45
μL assay buffer(50 mmol / L Na3PO4、1 mmol / L 4 ̄
MUG、10 mmol / L β ̄巯基乙醇和 0. 1% Triton X ̄
100)ꎬ37℃反应 1 hꎻ取 10 μL 反应液加入 90 μL
Na2CO3(0.2 mol / L)终止反应ꎬ在荧光光度分析仪
中测定吸光值ꎬ根据标准曲线公式 X = (测量值+
1670.5) / 414.71ꎬ计算出酶活性ꎬX 为酶活性值ꎬ
酶活性单位为 U / OD600 / hꎮ
1.6 烟草组织中 GUS染色
待测菌株单菌落接种于 5 mL 含相应抗生素
的 NB液体ꎬ振荡培养 12 hꎻ10%转接至新鲜的 NB
培养液中ꎬ振荡培养至 OD600约 1.5ꎬ收集 2 mL 菌
液 10 000 r / min 离心 1 minꎬ ddW 洗涤沉淀 1 次
后ꎬ调菌液 OD600至 1.0ꎮ 用注射器将菌液注入烟
231
2期 王淼啸ꎬ等:水稻白叶枯病菌 hrpG调控基因的鉴定
草叶片中ꎬ记录注射的时间ꎬ选取 0.3、1、4、6 和 8 h
时间点ꎬ用打孔器将叶片取出浸在 GUS染色液(50
mmol / L Na2 HPO4、 50 mmol / L NaH2 PO4、 0. 1%
Triton X ̄100、2 mmol / L K3 Fe (CN) 6、2 mmol / L
K4[Fe(CN) 6] 3 H2O、 10 mmol / L EDTA 和 10
mmol / L X ̄Gluc)中 10 hꎬ取出叶片ꎬ在无水乙醇中
脱色 8 hꎬ取出叶片进行拍照ꎮ
1.7 毒性测定
感病水稻品种 IR24种植于上海交通大学农业
与生物学院温室大棚内ꎬ水稻生长 2个月后用于接
种试验ꎮ 待测菌株单菌落接种于 20 mL NB 培养
液中ꎬ28℃振荡培养 12 h 后ꎬ按 1%的比例转接入
新鲜 NB培养基中再过夜培养ꎬ接种前水洗 2 次ꎬ
统一 OD600值为 0.8ꎬ 在 IR24水稻叶上进行剪叶接
种ꎬ每个菌株接种 3张叶片ꎬ15 d后统计病斑长度ꎮ
2 结果
2.1 水稻白叶枯病菌 hrpG调控子突变体的筛选
为了筛选 Xoo 的 hrpG 调控子ꎬ以 gusA 为报
道基因ꎬ与 hrpG基因启动子区域融合(图 1 ̄A)ꎬ构
建融合表达载体 pHG ̄hrpGꎬ将该载体导入 Xoo 野
生型菌株 PXO99A中ꎮ 以转座子miniHimar RB1随
机插入构建高通量的突变体库ꎬ在含有 X ̄gluc 的
NA+Sp+Km 培养基上ꎬ筛选了 5 000 个突变体ꎮ
根据菌落蓝色的深浅ꎬ与野生型菌株 PXO99A相
比ꎬ获得 19个 GUS活性显著增强的突变体ꎮ 利用
hrp诱导培养基 XOM3ꎬ对上述 19 个突变体的
GUS活性进行定量分析ꎬ结果显示:与野生型菌株
相比ꎬ4个突变体的 GUS 活性明显增加ꎬ差异性均
达到显著水平(表 2)ꎮ
上述 4 个突变体均含有外源质粒 pHG ̄hrpGꎬ
为了便于后续的遗传操作ꎬ本研究尝试利用转代连
续培养的方法ꎬ获得不含有外源质粒的突变体(见
材料与方法)ꎬ分别命名为 G24 ̄46、G48 ̄22、G19 ̄14
和 G57 ̄41ꎮ
为了排除 pHG ̄hrpG 载体上含有旁侧启动子
(如 lacI启动子)元件对 hrpG转录表达的影响ꎬ将
含有 4个拷贝的 T1终止子元件构建在 hrpG 启动
子的上游ꎬ获得新的转录融合表达载体 pHG2 ̄hrpG
(图 1 ̄A)ꎮ 将该载体导入上述不含有外源质粒的
突变体中ꎬ利用hrp诱导培养基XOM3ꎬ进行GUS
Table 2 Promoter activity of hrpG in wild ̄type (WT) and transposon
mutants in hrp inducible medium XOM3
Strain GUS activity(U / OD600 / h) Ratio(Strain / WT)
WT (pHG ̄hrpG) a 3095.23± 140.49 1.00
G19 ̄14 (pHG ̄hrpG) 7388.07± 589.21∗ 2.39
WT (pHG ̄hrpG) b 4243.13± 563.45 1.00
G24 ̄46 (pHG ̄hrpG) 22289.55±1964.30∗ 5.25
G48 ̄22 (pHG ̄hrpG) 20279.40± 539.50∗ 4.78
G57 ̄41 (pHG ̄hrpG) 14051.03±1080.60∗ 3.31
WT (pHG2 ̄hrpG) a 1932.92± 151.44 1.00
G19 ̄14 (pHG2 ̄hrpG) 4210.71± 347.59∗ 2.17
G24 ̄46 (pHG2 ̄hrpG) 3607.76± 363.09∗ 1.87
G48 ̄22 (pHG2 ̄hrpG) 4062.65± 93.76∗ 2.10
G57 ̄41 (pHG2 ̄hrpG) 2954.39± 595.82∗ 1.53
WT (pHG2) 120.32± 35.33 0.06
Promoter activities at 4 h of bacterial growth in XOM3 were determined. Values are an average GUS activity of total bacterial cells
with standard deviations (SD) . Similar results have been observed in two individual experiments. Three replicates were used in this
experiment. Asterisks indicate statistically significant differences in average GUS activity between the WT and the transposon mu ̄
tants (P< 0.05ꎬ Student’s t test) . Concentration of the total bacterial cells is OD600 =0.5 ( a) or OD600 =0.3( b) .
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植物病理学报 45卷
活性的定性和定量测定(图 1 ̄B、表 2)ꎮ 结果显
示ꎬ定性和定量测定结果一致ꎬ与野生型菌株相比ꎬ
G24 ̄46、G48 ̄22、G19 ̄14 和 G57 ̄41 的 GUS 活性明
显增加(表 2)ꎮ 同时ꎬ荧光定量 PCR 的结果也显
示ꎬhrpG的 mRNA在这 4个突变体中也显著增加
(图 1 ̄C)ꎮ
2.2 突变体与非寄主烟草互作时ꎬhrpG的诱导表
达情况
在植物病原黄单胞菌中已证实 hrp 基因是病
原菌与植物接触时诱导表达的[4ꎬ 8]ꎮ 为验证调控
子突变体与非寄主植物互作时ꎬ hrpG 基因的表达
是否增加ꎬ将 G24 ̄46、G48 ̄22、G19 ̄14和 G57 ̄41携
带 pHG2 ̄hrpG质粒的突变体菌液注射到非寄主烟
草叶片中ꎬ选取不同的时间段(0.3、1、4、6 和 8 h)ꎬ
利用叶碟染色法ꎬ观察 hrpG 的表达情况ꎮ 结果显
示ꎬ在选取的 5 个不同时间点ꎬ根据叶片蓝色深浅
判断ꎬ与野生型菌株相比ꎬhrpG在 4 个突变体中的
表达明显增强(图 2)ꎻ所有待测菌株中ꎬhrpG的表
达在互作 1~3 h之间逐渐增强ꎬ在互作4~6 h后达
到最高值ꎬ第 8 h 时ꎬ表达略有下降(图 2)ꎮ 表明
在不同诱导条件下(如碳源和植物源信号)ꎬ与野
生型菌株相比ꎬ hrpG 的表达在 G24 ̄46、G48 ̄22、
G19 ̄14和 G57 ̄41中都明显增强ꎬ进一步证明 4 个
突变体中是因转座子的插入而导致 hrpG 基因转
录表达发生改变ꎮ
2.3 hrpG调控子突变体中转座子插入位点分析
通过电转化方式将 miniHimar RB1 转座子随
机插入细菌的染色体 DNA 中ꎬ可能造成多个位点
的插入ꎬ为了明确转座子是否为单一位点插入ꎬ提
取这 4个突变体的 gDNAꎬ经过 Pst Ι 酶切ꎬ以转座
子中编码 nptII抗性基因的 DNA片段为探针ꎬ进行
Southern杂交分析ꎮ 结果显示ꎬ所有突变体中转座
子都以单一位点形式插入染色体中(图 3 ̄A)ꎬ表明
这 4个突变体是单一位点插入造成的突变ꎮ
Fig. 1 Expression of hrpG in WT and transposon mutants in XOM3
A: Sketch map of the fusion of hrpG∷gusA with or without (T1) 4 terminator. The black boxes represent the T1 terminatorꎬ
the gray boxes represent the hrpG promoterꎻ B: GUS activity of hrpG expression in WT and transposon mutants
were observed in XOM3 by X ̄gluc staining. Bacterial strains were grown in XOM3 for 4 hꎬ the substrate X ̄gluc was added
into the medium at final density 0.1 mg / mL. The picture was taken after the tubes were incubated in 37℃ for 1 h.
C: Expression ratios of hrpG mRNAs in the transposon mutants compared with those of WT. Bacterial strains were
grown in XOM3 for 4 h. Total RNA was isolatedꎬ and the mRNA of hrpG genes was measured by real ̄time RT ̄PCR.
Asterisks indicate statistically significant differences in mRNA levels of the mutants compared with that
of the wild type (P<0.01) . Similar results were observed in two independent experiments.
431
2期 王淼啸ꎬ等:水稻白叶枯病菌 hrpG调控基因的鉴定
Fig. 2 Dynamic expression of hrpG in WT and transposon
mutants when interacted with nonhost tobacco
WT and transposon mutants were cultured in NB medium overnight and resuspended in water to OD600 = 1ꎬ
then inoculated into the tobacco leaves by injection. At different hours post ̄inoculationꎬ the infected leaf disks
(0.8 cm in diameter) were stained using in situ GUS staining method. For each strainꎬ three leaf disks were chosen
for GUS stainingꎬ and the representative disk was shown here. Similar results were observed in two independent experiments.
Fig. 3 Genetic analyses of the transposon mutants
A: Southern blot analysis of the copy of Tn5 transposon in mutants. Genomic DNAs of the wild type and the transposon
mutants were digested by Pst Iꎬ separated and fixed on a nylon membrane. The membrane was hybridized by the
nptII DNA as the probe. Lane WT: The wild ̄type strain PXO99Aꎻ Lane M: EcoT14λ DNA marker (TaKaRa) ꎻ
B: Inserted sites of transposon in the mutants. Black triangles indicate the locations of transposon in the mutants.
Arrows above transposon indicate the direction of transcription of the nptII gene.
The genome sequence of PXO99A were used as the references.
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植物病理学报 45卷
为了明确转座子插入位点ꎬ根据 miniHimar
RB1能从染色体中分离的特性[16]ꎬ将获得的突变
体进行基因组 BamH Ι 酶切和自环化ꎬ获得转座子
带有旁侧序列的克隆ꎮ 通过序列测定ꎬ利用已公布
的 PXO99A基因组信息进行分析(GenBank: NC_
010717.1)ꎬ明确突变体中转座子的插入位点(图 3 ̄
B)ꎮ 突变体 G19 ̄14中转座子插入在 wxoB基因的
第 801个碱基处ꎬwxoB编码糖基转移酶 (glycosyl ̄
transferase)ꎬ 与脂多糖的合成有关[17]ꎮ 突变体
G24 ̄46中ꎬ转座子插入 minD基因的第 399 个碱基
处ꎬminD 基因与细胞的分裂有关[18]ꎮ 突变体
G48 ̄22中ꎬ转座子插入在 pilA 基因的第 391 个碱
基处ꎬ该基因编码 IV型鞭毛的基体部分[19~21]ꎮ 突
变体 G57 ̄41中ꎬ转座子插入在 metB 基因的第 185
个碱基处ꎬ该基因编码一种胱硫醚 ̄γ ̄裂合酶ꎬ参与
半胱氨酸的合成[22ꎬ 23]ꎮ 在稻黄单胞菌中ꎬ这些基
因负调控 hrpG基因的转录表达ꎬ属首次报道ꎮ 这
些新的调控子基因的鉴定ꎬ将为进一步解析稻黄单
胞菌 hrp调控网络提供新的线索ꎮ
2.4 hrpG调控子突变体在水稻上的毒性测定
hrpG 为主要的 hrp 调控基因ꎬHrpG 正调控
hrpX基因的表达ꎬHrpX 调控编码 III 型分泌系统
核心组分 hrc ̄hrp ̄hpa 基因的表达ꎬhrpG 基因缺
失ꎬXoo丧失在寄主水稻上的致病性[5ꎬ 6]ꎮ 为了检
测 G24 ̄46、G48 ̄22、G19 ̄14 和 G57 ̄41 突变体在水
稻上的毒性ꎬ通过剪叶接种法将这 4个突变体接种
在感病水稻品种 IR24 上ꎬ2 周后统计病斑长度ꎮ
结果显示ꎬ4 个突变体在水稻上的毒性显著降低
(图 4)ꎬ其中 G48 ̄22、G19 ̄14和 G57 ̄41在 IR24 上
的病斑长度不足野生型菌株引起病斑长度的
25%ꎬ根据这些结果推测 hrpG 表达的增高可能会
影响 Xoo菌株在水稻上的毒性ꎬ在 Xoo 中 hrpG 基
因的表达可能存在一个精细的调控模式ꎬ其表达水
平需要维持在限定的范围ꎬ表达的增加或者降低都
会显著影响下游 hrp基因的表达ꎬ从而影响病原菌
在寄主水稻上的毒性ꎮ
3 讨论
本研究利用 hrpG∷gusA 为报道基因ꎬ构建了
转座子突变体库ꎬ筛选获得 4 个候选 hrpG 负调控
子突变体ꎮGUS活性测定和荧光定量PCR结果
Fig. 4 Lesion length caused by WT and
mutants on the susceptible rice IR24
The leaves of IR24 were inoculated with WT and mutants by
leaf ̄clipping. The lesion lengths were measured in centimeter
at 15 days post ̄inoculation. Three replicates were used in this
experiment. Asterisks indicate statistically significant
differences in lesion length between WT and the relevant
mutant (P < 0.01ꎬ Student’s t test) .
均显示ꎬ这些突变体中 hrpG 表达显著增强ꎮ 在
G24 ̄46、G48 ̄22、G57 ̄41和G19 ̄14中ꎬ转座子分别插
入在 minD、 pilA、metB 和 wxoB 基因中ꎮ 在稻黄单
胞菌中ꎬ这些基因涉及对 hrpG的转录表达ꎬ为解析
稻黄单胞菌 hrpG上游调控网络提供了新的线索ꎮ
进行基因转录表达研究ꎬ启动子探针载体
(promoter ̄probe ̄vector ) 是重要的遗传操作工
具[15]ꎬ在这些载体的多克隆位点上游一般含有终
止子片段ꎬ其能够消除载体旁侧序列通读转录
( read ̄through transcriptional)造成报道基因高背景
水平表达的干扰[15ꎬ 24ꎬ 25]ꎮ 本研究最初利用 pHG ̄
hrpG载体筛选突变体ꎬ通过蓝色的深浅筛选 GUS
活性显著变化的菌落ꎬ获得候选的突变体ꎮ 在
pHG ̄hrpG载体上ꎬ hrpG∷gusA 融合元件直接构
建在 pHM1 载体的多克隆位点处ꎬhrpG 启动子可
能存在通读转录的干扰ꎮ 为了消除这个干扰ꎬ本研
究在 hrpG启动子的上游连入(T1) 4终止片段ꎬ获
得 pHG2 ̄hrpG 载体ꎮ hrpG 启动子活性测定的结
果显示(表 2)ꎬ在相同菌液浓度下ꎬ与含有 pHG ̄
hrpG 质粒的菌株(野生型或突变体)相比ꎬ含有
pHG2 ̄hrpG质粒的菌株 GUS活性明显降低ꎬ暗示ꎬ
pHG ̄hrpG载体的 hrpG启动子上游存在通读转录
的干扰ꎬpHG2 ̄hrpG载体上的(T1) 4终止元件能有
631
2期 王淼啸ꎬ等:水稻白叶枯病菌 hrpG调控基因的鉴定
效消除这个干扰ꎮ
利用不含有抗生素的 NB 培养基对突变体进
行连续 3代的培养ꎬ发现大部分突变体 10%以上的
细胞均能丧失抗性ꎬ有些菌株(如 G24 ̄46)丧失抗
性的比率达 38%(未发表)ꎮ 这表明ꎬXoo 菌株在
无选择压力的情况下ꎬ能够丢失外源质粒ꎬ这一发
现为进行含有外源质粒的稻黄单胞菌遗传操作ꎬ提
供了新的参考点ꎮ
植物病原黄单胞菌 hrp 基因一般受植物源信
号诱导表达[4ꎬ 8]ꎮ 本研究中ꎬ非寄主烟草细胞能够
有效诱导 hrpG的表达ꎬ且表达随时间延续呈现动
态变化ꎮ 对于野生型菌株ꎬ与烟草细胞互作的 1 h
~ 3 h之间ꎬhrpG的表达逐渐增加ꎬ在 4 h~6 h之间
hrpG的表达达到最高值ꎬ在 6 h~8 h之间ꎬhrpG的
表达逐渐减弱ꎮ 对于突变体菌株ꎬ与烟草细胞互作
20 min后ꎬhrpG的表达明显比野生型菌株增强ꎻ在
互作 1 h后ꎬ增强更加明显ꎻ但是在 4 h ~ 6 h 之间ꎬ
没有观察到明显的增加ꎮ 这暗示ꎬ在与非寄主植物
互作时ꎬhrp基因可能在前期(1 h~ 3 h)诱导表达ꎬ
编码 III 型分泌系统ꎬ分泌效应蛋白ꎬ激发随后的
HR反应ꎻ在互作的后期ꎬ随着 hrp 基因表达的减
弱ꎬIII型分泌系统的效用也可能随之降低ꎮ Peng
等[26]也认为ꎬDickeya dadantii 3937 的 T3SS 在与
寄主植物的早期互作中起主要作用ꎬ在后期的软腐
过程中不是必需的[26]ꎮ
根据转座子插入的位点分析ꎬ在 G24 ̄46、G48 ̄
22、G57 ̄41 和 G19 ̄14 中ꎬ转座子都是单一位点插
入ꎬ分别插入在 minD、 pilA、metB和 wxoB 基因中ꎬ
这表明在 Xoo中 minD、 pilA、metB和 wxoB基因的
突变能够增加 hrpG 基因的表达ꎮ metB 基因编码
一种胱硫醚 ̄γ ̄裂合酶ꎬ 参与半胱氨酸的 合
成[22ꎬ 23]ꎮ Real ̄time PCR 结果显示ꎬmetB 基因突
变ꎬhrpG mRNA的水平较野生型菌株提高了 7倍ꎬ
但是 GUS定量测定结果显示ꎬmetB 基因突变ꎬhr ̄
pG 的转录表达仅提高了 0.5 倍ꎬ推测 metB 基因可
能通过转录后机制影响 hrpG 的 mRNA 水平ꎮ 在
G19 ̄14中ꎬ转座子插入在 wxoB基因中ꎬwxoB 基因
与脂多糖的合成有关[17]ꎮ 在 G19 ̄14 和 G57 ̄41 突
变体中 hrpG基因的表达较野生型菌株明显增加ꎬ
且这 2个突变体在感病水稻 IR24上的毒性明显减
弱ꎮ 前期工作显示ꎬ在野生型 Xoo 菌株中过量表
达 hrpG基因造成病原菌在感病水稻 IR24 上的毒
性下降(未发表)ꎬ因此我们推测高表达 hrpG 可能
影响一些 HrpG 负调控的 hrp 基因(如 hrcC、hrcT
等)ꎬ从而影响 T3SS 的组装和效应蛋白的分泌ꎮ
MetB和WxoB涉及的代谢途径是否直接影响病菌
的毒性ꎬ hrpG 的高表达是否能够引起病原菌的毒
性下降ꎬ有待于进一步探究ꎮ 本研究首次报道了
minD和 pilA功能已知的基因与 Xoo 的 hrp 调控网
络有关ꎮ minD和 pilA分别涉及细菌的分裂和 IV型
鞭毛(IV type fimbriae)的形成[18~21]ꎬ这些基因的突
变如何引起 hrpG表达的增加ꎬ有待于进一步研究ꎮ
在 G24 ̄46、G48 ̄22、G57 ̄41 和 G19 ̄14 中ꎬ转座子的
插入是否会造成极性影响ꎬ需要通过构建无标记缺
失的突变体和功能互补试验进行进一步的确定ꎮ
参考文献
[1] Niño ̄Liu D Oꎬ Ronald P Cꎬ Bogdanove A J. Xan ̄
thomonas oryzae pathovars: model pathogens of a
model crop [ J] . Molecular Plant Pathologyꎬ 2006ꎬ 7
(5):303-324.
[2] Sugio Aꎬ Yang Bꎬ White F F. Characterization of the
hrpF pathogenicity peninsula of Xanthomonas oryzae
pv. oryzae [J] . Molecular Plant ̄Microbe Interactionsꎬ
2005ꎬ 189(6):546-554.
[3] Tian Dꎬ Yin Z. Constitutive heterologous expression of
avrXa27 in rice containing the R gene Xa27 confers en ̄
hanced resistance to compatible Xanthomonas oryzae
strains [ J ] . Molecular Plant Pathologyꎬ 2009ꎬ 10
(1):29-39.
[4] Büttner Dꎬ Bonas U. Regulation and secretion of Xan ̄
thomonas virulence factors [ J] . FEMS Microbiology
Reviewsꎬ 2010ꎬ 34 (2):107-133.
[5] Tsuge Sꎬ Nakayama Tꎬ Terashima S. Gene involved in
transcriptional activation of the hrp regulatory gene hr ̄
pG in Xanthomonas oryzae pv. oryzae [ J] . Journal of
Bacteriologyꎬ 2006ꎬ 188 (11):4158-4162.
[6] Tsuge Sꎬ Terashima Sꎬ Furutani A. Effects on
promoter activity of base substitutions in the cis ̄acting
regulatory element of HrpXo regulons in Xanthomonas
oryzae pv. oryzae [J] . Journal of Bacteriologyꎬ 2005ꎬ
187 (7):2308-2314.
[7] Wengelnik Kꎬ Rossier Oꎬ Bonas U. Mutations in the
regulatory gene hrpG of Xanthomonas campestris pv.
vesicatoria result in constitutive expression of all hrp
genes [J] . Journal of Bacteriologyꎬ 1999ꎬ 181 (21):
731
植物病理学报 45卷
6828-6831.
[8] Mole B Mꎬ Baltrus D Aꎬ Dangl J Lꎬ et al. Global
virulence regulation networks in phytopathogenic
bacteria [J] . Trends in Microbiologyꎬ 2007ꎬ 15 (8):
363-371.
[9] An S Qꎬ Lu G Tꎬ Su H Zꎬ et al. Systematic mutagen ̄
esis of all predicted gntR genes in Xanthomonas
campestris pv. campestris reveals a GntR family tran ̄
scriptional regulator controlling hypersensitive response
and virulence [ J] . Molecular Plant ̄Microbe Interac ̄
tionsꎬ 2011ꎬ 24 (9):1027-1039.
[10] Li R Fꎬ Lu G Tꎬ Li Lꎬ et al. Identification of a puta ̄
tive cognate sensor kinase for the two ̄component re ̄
sponse regulator HrpGꎬ a key regulator controlling the
expression of the hrp genes in Xanthomonas campestris
pv. campestris [ J ] . Environmental Microbiologyꎬ
2013ꎬ doi: 10.1111 / 1462-2920.12207.
[11] Islam M Rꎬ Kabir M Sꎬ Hirata Hꎬ et al. A leucine ̄rich
proteinꎬ LrpXꎬ is a new regulator of hrp genes in
Xanthomonas oryzae pv. oryzae [ J ] . Journal of
General Plant Pathologyꎬ 2009ꎬ 75 (1): 66-71.
[12] Islam M Rꎬ Hirata Hꎬ Tsuge Sꎬ et al. Self ̄regulation
of a new pathogenicity ̄related gene encoding leucine ̄
rich protein LrpX in Xanthomonas oryzae pv. oryzae
[J] . Journal of General Plant Pathologyꎬ 2009ꎬ 75
(1): 56-65.
[13] Li Y Rꎬ Che Y Zꎬ Zou H Sꎬ et al. Hpa2 required by
HrpF to translocate Xanthomonas oryzae transcriptional
activator ̄like effectors into rice for pathogenicity [ J] .
Applied and Environmental Microbiologyꎬ 2011ꎬ 77
(11):3809-3818.
[14] Hopkins C Mꎬ White F Fꎬ Choi S Hꎬ et al. Identifica ̄
tion of a family of avirulence genes from Xanthomonas
oryzae pv. oryzae [ J ] . Molecular Plant ̄Microbe
Interactionsꎬ 1992ꎬ 5 (6):451-459.
[15] Miller W Gꎬ Leveau J Hꎬ Lindow S E. Improved gfp
and inaZ broad ̄host ̄range promoter ̄probe vectors [J] .
Molecular Plant ̄Microbe Interactionsꎬ 2000ꎬ 13 (11):
1243-1250.
[16] Bouhenni Rꎬ Gehrke Aꎬ Saffarini D. Identification of
genes involved in cytochrome c biogenesis in She ̄
wanella oneidensisꎬ using a modified mariner transpo ̄
son [ J] . Applied and Environmental Microbiologyꎬ
2005ꎬ 71 (8):4935-4937.
[17] Patil P Bꎬ Sonti R V. Variation suggestive of
horizontal gene transfer at a lipopolysaccharide ( lps)
biosynthetic locus in Xanthomonas oryzae pv. oryzaeꎬ
the bacterial leaf blight pathogen of rice [ J] . BMC
Microbiologyꎬ 2004ꎬ 4(1):40
[18] Nguyen T Hꎬ Kumagai Tꎬ Matoba Yꎬ et al. Molecular
cloning and functional analysis of minD gene from
Streptomyces lavendulae ATCC25233 [ J ]. Journal of
Bioscience and Bioengineeringꎬ 2008ꎬ 106 (3):303-305.
[19] Su W Cꎬ Tung S Yꎬ Yang M Kꎬ et al. The pilA gene
of Xanthomonas campestris pv. citri is required for
infection by the filamentous phage cf. [ J ] .
Molecular&General Geneticsꎬ 1999ꎬ 262 (1):22-26.
[20] Taha M Kꎬ Larribe Mꎬ Dupuy Bꎬ et al. Role of pilAꎬ
an essential regulatory gene of Neisseria gonorrhoeaeꎬ
in the stress response [ J] . Journal of Biochemistryꎬ
1992ꎬ 174 (18):5978-5981.
[21] OrndorffP Eꎬ Spears P Aꎬ Schauer Dꎬ et al. Two
modes of control of pilAꎬ the gene encoding type 1
pilin in Escherichia coli[ J] . Journal of Biochemistryꎬ
1985ꎬ 164 (1):321-330.
[22] Kong Yꎬ Wu Dꎬ Bai Hꎬ et al. Enzymatic characteriza ̄
tion and inhibitor discovery of a new cystathionine
γ ̄synthase from Helicobacter pylori [ J] . Journal of
Biochemistryꎬ 2008ꎬ 143(1):59-68.
[23] Urbanowski M Lꎬ Plamann L Sꎬ Stauffer G V.
Mutations affecting the regulation of the metB gene of
Salmonella typhimurium LT2 [ J ] . Journal of
Bacteriologyꎬ 1987ꎬ 169 (1):126-130.
[24] Simon Rꎬ Quandt Jꎬ Klipp W. New derivatives of
transposon Tn5 suitable for mobilization of repliconsꎬ
generation of operon fusions and induction of genes in
gram ̄negative bacteria [J] . Geneꎬ 1989ꎬ 80 (1):161
-169.
[25] Simons R Wꎬ Houman Fꎬ Kleckner N. Improved sin ̄
gle and multicopy lac ̄based cloning vectors for protein
and operon fusions [J] . Geneꎬ 1987ꎬ 53 (1):85-96.
[26] Peng Qꎬ Yang Sꎬ Charkowski A Oꎬ et al. Population
behavior analysis of dspE and pelD regulation in
Erwinia chrysanthemi 3937 [ J ] . Molecular Plant ̄
Microbe Interactionsꎬ 2006ꎬ 19 (4):451-457.
责任编辑:于金枝
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