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Type Ⅲ secretion system is an essential pathogenic factor in poplar canker pathogen Lonsdalea quercina

III型分泌系统是欧美杨溃疡病菌Lonsdalea quercina重要的致病因子



全 文 :植物病理学报
ACTA PHYTOPATHOLOGICA SINICA  44(5): 512 ̄520(2014)
收稿日期: 2014 ̄02 ̄26ꎻ 修回日期: 2014 ̄06 ̄27
基金项目: 林业公益性行业专项资助项目(201104054)
通讯作者: 张力群ꎬ教授ꎬ博导ꎬ主要从事细菌分子遗传学与植物病害生物防治研究ꎻTel:010 ̄62731464ꎬE ̄mail: zhanglq@cau.edu.cnꎻ
贺 伟ꎬ教授ꎬ博导ꎬ主要从事林木病害致病机制研究ꎻTel:010 ̄62338127ꎬE ̄mail: hewei@bjfu.edu.cn
第一作者: 杨 莉ꎬ女ꎬ四川甘洛人ꎬ在读博士ꎬ主要从事植物病害致病机制和细菌分子遗传学的研究ꎻE ̄mail:yangpi17@163.comꎮ
doi:10.13926 / j.cnki.apps.2014.05.009
III型分泌系统是欧美杨溃疡病菌
Lonsdalea quercina重要的致病因子
杨 莉1ꎬ 张力群2∗ꎬ 贺 伟1∗ꎬ 常聚普3ꎬ 郭利民3
( 1北京林业大学教育部森林培育与保护重点实验室ꎬ北京 100083ꎻ
2中国农业大学农业部植物病理学重点开放实验室ꎬ北京 100193ꎻ 3濮阳市林业科学院ꎬ 濮阳 457000)
摘要:欧美杨溃疡病是由 Lonsdalea quercina(原称 Brenneria quercinaꎬErwinia quercina)引起的一种细菌性病害ꎬ2005 年首
次在我国河南发现ꎬ对我国杨树产业造成了严重影响ꎮ 菌株 N ̄5 ̄1是从河南濮阳自然发病杨树枝条上分离到的致病菌株ꎮ
根据 N ̄5 ̄1菌株全基因组测序的初步结果分析ꎬ发现 N ̄5 ̄1具有完整的 III 型分泌系统(Type III secretion systemꎬT3SS)ꎮ
该系统与植物病原菌 Erwinia amylovora CFBP1430和 Dickeya dadantii 3937的 T3SS高度相似ꎬ共由 26个基因编码ꎬ共约 23
kbꎬ其中 9个为保守的 hrc基因ꎮ 将 L. quercina N ̄5 ̄1 菌株 T3SS 中保守的结构基因 hrcV 进行缺失突变ꎬ生物测定发现
ΔhrcV突变体对“中林 46杨”(Populus ×euramericana ‘Zhonglin 46’)2 年生枝条的致病力明显下降ꎬ而互补菌株 HBhrcV
致病力与野生菌株保持一致ꎮ 表明该菌中 T3SS是病原细菌重要的致病性因子ꎮ 菌株 N ̄5 ̄1中 hrcV基因的突变导致诱导
烟草过敏性坏死反应能力丧失ꎬ但并没有影响菌株的生长速率、游动性和生物膜的形成ꎮ 本研究首次证明了 L. quercina
N ̄5 ̄1菌株的 T3SS是重要的致病因子ꎮ
关键词:欧美杨溃疡病ꎻ Lonsdalea quercinaꎻ Ⅲ型分泌系统
Type Ⅲ secretion system is an essential pathogenic factor in poplar canker
pathogen Lonsdalea quercina  YANG Li1ꎬ ZHANG Li ̄qun2∗ꎬ HE Wei1∗ꎬ CHANG Ju ̄pu3ꎬ GUO
Li ̄min3   ( 1 The Key Laboratory of Forest Cultivation and Protection ꎬ Ministry of Educationꎬ and Department of Forest
Cultivation and Protectionꎬ Beijing Forestry Universityꎬ Beijing 100083ꎬ Chinaꎻ 2 The Key Laboratory of Plant Pathologyꎬ Minis ̄
try of Agricultureꎬ and Department of Plant Pathologyꎬ China Agricultural Universityꎬ Beijing 100193ꎬ Chinaꎻ 3 PuYang Forestry
Research Instituteꎬ Puyang 457000ꎬ China )
Abstract: Poplar canker caused by Lonsdalea quercina (formerly Brenneria quercina or Erwinia quercina) was
found in Henan Provinceꎬ China in 2005. The disease affected local poplar industry seriously. Bacterial strain
N ̄5 ̄1 was isolated from naturally infected poplar and identified as the pathogen of canker disease. Based on gene
sequence alignmentꎬ a complete type III secretion system (T3SS) clusterꎬ similar to that in pathogenic bacteria
Dickeya dadantii 3937 and Erwinia amylovora CFBP1430ꎬ was identified in the genome sequence of strain
N ̄5 ̄1. The T3SS of N ̄5 ̄1 had about 23 kb in size including 26 genesꎬ 9 of which were highly conserved hrc
genes. To study the role of T3SS in pathogenicity of strain N ̄5 ̄1ꎬ a deletion mutant of the T3SS structural gene
hrcV and its complemented mutant were constructed. Pathogenicity assay on poplar branches (Populus ×euramer ̄
icana ‘Zhonglin 46’) indicated that the ΔhrcV mutant was significantly less virulent (disease index 33.3) than
its parentꎬ while the complemented mutant HBhrcV restored the virulence to the wild ̄type level (disease indexes
were 85.6 and 83.3ꎬ respectively) . The hrcV mutation abolished the HR elicitation activity on tabaccoꎬ but did
 
  5期 杨 莉ꎬ等:III型分泌系统是欧美杨溃疡病菌 Lonsdalea quercina重要的致病因子
not influence the bacterial growthꎬ motility and biofilm formation. This study suggests that the T3SS is an essen ̄
tial pathogenic factor in L. quercina N ̄5 ̄1.
Key words: canker disease of poplarꎻ Lonsdalea quercinaꎻ type III secretion system
中图分类号: S763.13          文献标识码: A          文章编号: 0412 ̄0914(2014)05 ̄0512 ̄09
    1967 年 Hildebrand 和 Schroth 首次报道了细
菌 Brenneria quercina在美国加利福尼亚引起橡树
落花落果病( drippy nut and drippy bud disease of
oaks) [1]ꎮ 随后 Soria等报道 B. quercina 在西班牙
引起栎树落花落果病[2]ꎮ 2005 年我国河南濮阳首
次发现欧美杨溃疡病ꎮ 该病害的症状起初表现为
杨树树干形成层被破坏ꎬ随后树木皮层开裂ꎬ从裂
缝中流出大量汁液ꎬ树干韧皮部局部坏死ꎬ最后感
病树木病部枝条和树干顶梢枯死ꎬ严重影响树木的
健康生长ꎬ并导致树木材积和其他可利用部分减
少ꎮ 从河南濮阳自然发病的“中林 46”杨(Populus
×euramericana ‘Zhonglin 46’)上经过分离纯化及
柯赫氏法则的验证ꎬ得到 2 株致病细菌菌株 N ̄5 ̄1
和4 ̄4ꎮ 经 16S rDNA 序列比对、生理生化特性测
定等ꎬ鉴定 N ̄5 ̄1 和 4 ̄4 均为 Brenneria quercinaꎬ
这是我国首次分离到该病原细菌[3]ꎮ
    目前对该病原菌的研究主要集中在系统发育
和快速检测ꎮ Hauben 等通过核酸序列比对ꎬ揭示
了肠杆菌科(Enterobacteriaceae)欧文氏属(Erwi ̄
nia)细菌在进化上存在分支ꎬ把该属中的一些细菌
单独列出归为 Pectobacterium 和 Brenneria 属ꎬ其
中 Erwinia quercina、E. alni、E. nigrifluens、E. para ̄
disiaca、E. rubrifaciens和 E. salicis 归为 Brenneria
属[4]ꎮ 2012 年 Brady 等通过 16S rDNA、 gyrB、
rpoB、infB和 atpD 基因的多位点序列分析(multi ̄
locus sequence analysisꎬMLSA)ꎬ以及 DNA ̄DNA
分子杂交等研究发现 B. quercina 与 Brenneria 属
其他细菌亲缘关系较远ꎬ将 B. quercina 独立为一
个新属ꎬ命名为 Lonsdalea[5]ꎮ B. quercina 更名为
L. quercinaꎮ 在快速检测方面ꎬPoza ̄Carrion 等设
计出 B. quercina 的特异性引物ꎬ建立了通过 PCR
快速检测 B. quercina的方法[ 6 ]ꎮ 但到目前为止对
该细菌致病机制的研究尚未见报道ꎮ  
    在许多革兰氏阴性病原细菌中ꎬIII 型分泌系统
(Type Ⅲ secretion systemꎬT3SS)被认为是重要的致
病性因子ꎮ T3SS的针状结构连接了细菌细胞和宿
主细胞ꎬ效应分子通过针状装置注入宿主细胞ꎬ破坏
或干扰宿主细胞内正常的生理代谢或抗性反应ꎬ从
而发挥其毒性作用[7]ꎮ T3SS通常由 30~40 kb大小
的基因编码ꎬ以致病岛(pathogenicity island)的形式
存在于细菌的质粒或染色体中[8]ꎮ hrcV是 T3SS中
保守的结构基因ꎬ参与了针状结构的编码ꎮ 在 Ral ̄
stonia solanacearum、 Xanthomonas oryzae pv.
oryzicola、 Acidovorax citrulli xjL12 等植物病原菌
中ꎬhrcV与致病性有密切的关系ꎬ对 hrcV 的突变导
致了 T3SS的破坏及致病性的下降[9~11]ꎮ 本文首次
报道了 L. quercina的 T3SSꎬ并对 hrcV进行了突变ꎬ
探讨了 N ̄5 ̄1中 T3SS与致病性的关系ꎬ以期为探索
欧美杨溃疡病病菌的致病机制奠定基础ꎮ
1  材料与方法
1.1  供试菌株、质粒及培养条件
    所用菌株、质粒及性状见表 1ꎮ Escherichia
coli 用 LB培养基 37℃培养 16 hꎻ L. quercina N ̄5 ̄
1菌株及其衍生菌株用 LB 培养基 30℃培养24 hꎮ
所用抗生素终浓度分别为:卡那霉素(Km)50 μg /
mL、氯霉素(Cm)20 μg / mL、庆大霉素(Gm)30 μg /
mL、利福平(Rif)20 μg / mLꎮ 5 ̄溴 ̄4 ̄氯 ̄3 ̄吲哚 ̄β ̄D ̄
半乳糖苷(X ̄Gal)使用终浓度为 40 μg / mLꎮ
1.2  方法
1.2.1  DNA操作  细菌基因组提取用 CTAB 法ꎮ
质粒的提取、酶切、连接、转化等方法均参照«分子
克隆实验指南»第 3 版[12]ꎮ 核苷酸及其编码的氨
基酸序列通过 NCBI ( http: / / www. ncbi. nlm. nih.
gov) 中的 Blast 软件和 DNAMAN 7.0 软件分析ꎮ
引物均购自北京天一辉远生物技术有限公司ꎮ
1.2.2  T3SS hrcV 基因缺失突变体的构建  根据
菌株 N ̄5 ̄1的 hrcV基因(GenBank Accession Num ̄
ber:KC771246)侧翼序列设计缺失突变所需的 2
对引物 HrcV37 / Hrcv490和 Hrcv944 / HrcV1431(表
1)ꎮ 以野生菌 N ̄5 ̄1 基因组为模版ꎬ通过 PCR 扩
增ꎬ得到长度为 513 bp 和 507 bp 的 hrcV 上下游
序列ꎬ 将这 2 个片段分别用 Sal Ⅰ / BamH Ⅰ和
315
 
植物病理学报 44卷
BamH Ⅰ / XbaⅠ双酶切、纯化后与用相应的酶切过
的自杀载体 pEX18Km 连接ꎬ得到缺失突变载体
pEX18 ̄hrcVꎮ 与野生菌株基因组上完整的 hrcV基
因相比ꎬpEX18 ̄hrcV的 hrcV序列在阅读框内部缺
少了 404 bpꎮ
    以转化了质粒 pEX18 ̄hrcV的E. coli DH5α作为
供体菌ꎬ野生菌株 N ̄5 ̄1为受体菌ꎬ含 pRK600质粒的
E. coli DH5α为助手菌ꎬ通过三亲交配ꎬ将供体菌中
pEX18 ̄hrcV质粒导入野生菌株中ꎬ经过二次重组ꎬ在
含有 5%蔗糖的Rif抗性平板上筛选得到 hrcV的缺失
突变体ꎮ 利用引物 HrcV37/ HrcV1431对突变体进行
PCR检测ꎬ电泳检查缺失突变体是否构建正确ꎮ
1.2.3  hrcV基因互补载体的构建及互补菌株的获
得  根据 hrcV 基因上下游序列设计互补引物
HrcVHBs / HrcVHBxꎬ用野生菌株 N ̄5 ̄1 基因组为
模板ꎬ通过 PCR扩增互补片段ꎮ 用 Sal Ⅰ / Xba Ⅰ
双酶切后纯化ꎬ16℃过夜连接到 pBBR1MCS ̄2 穿
梭质粒上ꎬ构建互补载体 pBBR ̄hrcVꎮ 通过三亲交
配将互补载体转入缺失突变体DhrcV 中ꎬ获得互补
菌株 HBhrcVꎮ
1.2.4  生物检测野生菌株、突变体及互补菌株的
致病性  将野生菌株 N ̄5 ̄1、突变体 ΔhrcV、突变体
互补菌株 HBhrcV 接种到液体 LB 30℃摇培 24 h
后ꎬ将菌液浓度稀释到 107CFU / mLꎬ接种到 2 年生
中林 46 杨苗干上ꎮ 苗干被截成 30 cm 长枝段ꎬ用
自来水冲洗干净后ꎬ再用 70%酒精表面消毒ꎬ晾干
后用经过消毒的刀在枝条上划长约 1.0 cm 的伤
口ꎬ深及木质部表层ꎮ用移液器吸取0 .2mL的菌
Table 1  Bacterial strainsꎬ plasmids and oligonucleotides
Strain and plasmid Characteristic Source or reference
Strain
Lonsdalea quercina
N ̄5 ̄1 Wild typeꎻ RifR [3]
△hrcV frameshift mutant of hrcV gene in L. quercina N ̄5 ̄1ꎻ RifR This study
HBhrcV △hrcV containing pBBR ̄hrcV carrying hrcV geneꎻ RifRꎻ KmR This study
Escherichia coli
DH5α Φ80lacZ△M15△( lacZYA ̄argF)U169 hsdR17 recA1 endA1 thi ̄I [13]
Plasmid
pEX18Gm oriT+ sacB+ꎬ gene replacement vector with MCS from pUC18ꎻ GmR [14]
pEX18Km oriT+ sacB+ꎬ gene replacement vector with MCS from pUC18ꎻ KmR This lab
pEX18 ̄hrcV pEX18Km containing up ̄stream and down ̄stream fragments of the hrcV geneꎻKmR This study
pBBR1MCS ̄2 Broad host range shuttle vectorꎻ KmR [15]
pBBR ̄hrcV pBBR1MCS ̄2 containing hrcV geneꎻ KmR This study
pRK600 ColE1 oriVꎻ RP4ꎻ tra+ꎻ RP4 oriTꎻ helper plasmid in triparental matingsꎻ CmR [16]
Oligonucleotides Sequence (5′ ̄3′) ( restriction sites underlined) restriction enzyme
HrcV37 5′ ̄AGTCGACTCGCCTTTAACATCTGCCTC ̄3′ SalⅠ
Hrcv490 5′ ̄ATGGATCC GAAGCCGCCGATCATGTTG ̄3′ BamHⅠ
Hrcv944 5′ ̄ATGGATCC TACCAGGATCTGCGACGCTTC ̄3′ BamHⅠ
HrcV1431 5′ ̄ACTTCTAGACTGTTCGCTTTCGAGCCAGG ̄3′ XbaⅠ
HrcVHBs 5′ ̄AAGTCGACGATAGGTCATCTGCTGCAAGTC ̄3′ SalⅠ
HrcVHBx 5′ ̄ACTTCTAGATTTTTCCAACAGACAGTGACTC ̄3′ XbaⅠ
  KmRꎬ CmRꎬ GmR and RifR indicate resistance to kanamycinꎬ chloromphenicalꎬ gentamycin and rifampicinꎬ respectively.
415
 
  5期 杨 莉ꎬ等:III型分泌系统是欧美杨溃疡病菌 Lonsdalea quercina重要的致病因子
液滴加于伤口处ꎬ保鲜膜包裹保湿ꎬ被接种的杨树
枝条在光照培养箱中保湿培养ꎮ 培养条件:光照
12 hꎬ30℃ꎻ黑暗 12 hꎬ25℃ꎬ相对湿度均为 90%ꎬ48
h后去掉保鲜膜ꎮ 每个菌株接 9 个枝段ꎬ每枝段接
一个点ꎬ试验重复 3 次ꎬ无菌水接种为阴性对照ꎮ
培养 10 d 后观察、记录发病情况ꎮ 按发病的严重
程度ꎬ将病情分为 3级ꎬ0 级接种伤口无发病症状ꎬ
木质部无病斑出现ꎻ1级接种点树皮变软、凹陷ꎬ无
明显脓液流出ꎬ 病斑长度 0.1 ~ 1.0 cmꎻ2 级被接种
的树皮伤口流出乳白色菌脓ꎬ病斑长度 1.1 ~ 3.0
cmꎻ3 级从接种伤口流出的菌脓变成褐色ꎬ病斑长
度 3.1~5.0 cmꎮ 根据公式:病情指数= 100×∑(各
级病枝数×各级代表值) / (调查总枝条数×最高级
代表值)计算病情指数ꎬ并用 DPS 6.55软件进行差
异显著性分析ꎮ
1.2.5  激发 HR反应能力的检测  将突变体、互补
菌株、野生菌株用 LB培养至对数生长期ꎬ分别取 1
mLꎬ离心弃上清ꎬ用无菌水清洗细胞 3 遍ꎬ将各菌
株用无菌水稀释至 108 CFU / mLꎬ取 50 μL 注射到
NC89烟草叶片中ꎬ24 h 后检查各个处理的 HR 反
应情况ꎮ 无菌水为阴性对照ꎮ
1.2.6  生长速率、生物膜及游动性检测
    (1)生长速率的检测  将野生菌株、缺失突变
体和互补菌株接种于 LB 液体培养基中过夜培养
至稳定生长期ꎬ用新鲜 LB液体培养基将各菌株稀
释到 OD600 =0.3ꎬ以体积比 1 ∶ 1 000的比例将浓度
相同的各菌株接种于 50 mL的 LB液体培养基中ꎬ
30℃、150 r / min 摇培ꎬ每隔 3 h 取一次样ꎬ每个菌
株 3个重复ꎬ测定各菌株在 600 nm的吸光值ꎮ
    (2)生物膜的检测[17]   待测菌株接种于 LB
液体培养基中过夜培养至稳定生长期ꎬ以体积比
1 ∶ 100稀释到新鲜的 LB 液体培养基中ꎬ取 2 mL
置于洁净的普通玻璃试管(10 mL)ꎬ30℃静置培养
48 hꎬ将培养液缓慢倒掉ꎬ加入 0.1%的结晶紫染色
30 minꎬ用无菌水冲洗掉结晶紫的浮色ꎬ可观察到
试管壁上一圈紫色痕迹即是固液交界处形成的坚
固的生物膜ꎮ 加入 2.5 mL 95%的乙醇充分溶解与
生物膜结合的结晶紫ꎬ取 1 000 μL测量 OD570ꎮ
    (3)游动性检测[17]   将野生菌株、缺失突变体
和互补菌株接种于 LB 液体培养基中过夜培养至
稳定生长期ꎬ吸取 3 μL滴于含有 0.2%琼脂的半固
体 LB培养基上ꎬ无菌风吹干ꎬ30℃静置培养 24 hꎬ
测量各菌株迁移直径ꎮ
2  结果与分析
2.1  T3SS基因簇的分析
    通过已获得的 L. quercina N ̄5 ̄1 全基因组序
列(约 3.8 Mbꎬ61个 Contigsꎬ待发表)分析ꎬ绘制出
了 L. quercina N ̄5 ̄1的 T3SS 基因簇物理图谱(图
1)ꎮ 菌株 N ̄5 ̄1的 T3SS 基因簇共由 26 个基因组
成ꎬ约 23 kbꎬ存在于染色体上ꎬ其中 hrcC、hrcJ、
hrcQ、hrcR、hrcS、hrcT、hrcU、hrcV、hrcN 是高度保
守的 hrc 基因ꎬ共同编码了 T3SS 的针状装置ꎮ 其
余 17 个基因包括具有调控功能的 hrpS、 hrpY、
hrpX、hrpL、hrpV基因ꎬ T3SS的外泌蛋白编码基因
hrpT、hrpN、hrpG、hrpF、hrpE、hrpD、hrpB、hrpJ、hr ̄
pQ、hrpO、hrpPꎬHrp ̄pilin编码基因 hrpAꎮ
    基因簇比较分析结果显示ꎬ在基因簇整体水平
上 N ̄5 ̄1 菌株的 T3SS 基因簇与 Dickeya dadantii
3937和 Erwinia amylovora CFBP1430 的高度相似
(图 1 ̄A )ꎬ与 Pseudomonas syringae pv. tomato
DC3000 相似性次之ꎬ与 Ralstonia solanacearum
GMI1000则差异较大[18~21](图 1 ̄B)ꎮ 5 个菌株的
T3SS中共同存在高度保守的 9 个 hrc 基因ꎬ并且
在菌株 N ̄5 ̄1、3937和 CFBP1430中ꎬ这 9个 hrc基
因在基因簇中具有同样的位置和编码方向(图 1 ̄
A)ꎮ 而菌株DC3000、GMI1000与N ̄5 ̄1相比ꎬ大多结
构基因的位置都发生了位移ꎬ在 GMI1000 中只有
hrcC、hrcV、hrcQ、hrcR和 hrcS 5个 hrc基因在基因簇
中的位置与菌株 N ̄5 ̄1中是一致的(图 1 ̄B)ꎮ
    除了高度保守的结构基因ꎬ菌株 N ̄5 ̄1 的
T3SS基因簇中具有 16 个与菌株 3937 同源的 hrp
基因ꎬ但菌株 N ̄5 ̄1比菌株 3937 多了 hrpBꎮ 菌株
CFBP1430除了具有与 N ̄5 ̄1 同源的 17 个 hrp 基
因外ꎬ还有 hrpK、 hrpW 共 19 个 hrp 基因ꎮ 菌株
DC3000有 19个 hrp 基因ꎬ其中 15 个与 N ̄5 ̄1 菌
株的 hrp同源ꎬ而 hrpK1、hrpZ1、hrpH、hrpR是 N ̄5 ̄
1菌株中不具有的基因ꎮ 菌株 N ̄5 ̄1的 T3SS 具有
的 hrp基因与 GMI1000的 hrp基因差异较大ꎬ后者
只有 12 个 hrp 基因ꎬ且其中只有 8 个与 N ̄5 ̄1 中
的 hrp基因同源ꎮ 从 hrp 基因的顺序和编码方向
来看ꎬ菌株 N ̄5 ̄1、3937和 CFBP1430 hrp 基因簇的
基因顺序和编码方向保持一致(图1 ̄A) ꎮ与菌株
515
 
植物病理学报 44卷
Fig. 1  Genetic organization of the type III secretion gene cluster and related genes
in Lonsdalea quercina N ̄5 ̄1 and its comparison to the hrc / hrp cluster
of Dickeya dadantii 3937ꎬ Erwinia amylovora CFBP1430ꎬ Pseudomonas
syringae pv. tomato DC3000 and Ralstonia solanacearum GMI1000
Predicted open reading frames and their orientation are shown by arrows. The same genes in different
strains were marked with same colors or same colored gridlines. Homologous genes
are connected with different color shades. The gene names are shown.
615
 
  5期 杨 莉ꎬ等:III型分泌系统是欧美杨溃疡病菌 Lonsdalea quercina重要的致病因子
N ̄5 ̄1相比ꎬ菌株 DC3000 的 hrp 基因簇被分为两
部分ꎬ两部分基因簇在整体水平发生了位置交换
(图 1 ̄B)ꎮ 而菌株 N ̄5 ̄1 与菌株 GMI1000 的 hrp
基因簇相比ꎬ不管在基因的顺序或者基因的编码方
向上都有很大的差异(图 1 ̄B)ꎮ
    在菌株 D. dadantii、E. amylovora 和 P. syrin ̄
gae的 T3SS 中ꎬ涉及调控的基因有 hrpX、 hrpY、
hrpS、hrpR和 hrpLꎬHrpL有调控其他 T3SS 结构基
因以及效应子的作用ꎬ并且 HrpL 受 HrpR、HrpS、
HrpX、 HrpY 这 种 σ54 调 控[22~26]ꎮ 而 在
R􀆰 solanacearum中ꎬhrpG、hrpB 编码的蛋白 HrpG、
HrpB才是 T3SS 的调控子[27~29]ꎮ 菌株 N ̄5 ̄1 中
hrpL 与 3937、CFBP1430 和 DC3000 菌株中 hrpL
基因的同源性分别是 73%、57%和 49%ꎬ而 hrpX、
hrpY、hrpS与菌株 3937 中相应基因的同源性分别
为 73%、78%和 76%ꎬ与 DC3000 和 GMI1000 菌株
中 hrpX、hrpY、hrpS基因同源性稍有下降ꎮ 由此推
测ꎬ菌株 N ̄5 ̄1的 T3SS中可能具有与菌株 3937相
似的调控系统ꎮ
2.2  T3SS缺失突变体及互补菌株的获得
    通过 PCR、酶切、连接构建的缺失载体 pEX18 ̄
hrcVꎬ经三亲交配将质粒导入到野生菌株 N ̄5 ̄1
中ꎬ质粒中 hrcV上下臂与野生菌株发生同源重组ꎬ
经过二次重组后ꎬ运用 5%的蔗糖以及抗性筛选获
得了缺失突变体△hrcVꎻ以引物 HrcV37 / HrcV1431
进行 PCR 扩增菌株 N ̄5 ̄1 和突变体的基因组
DNAꎬ电泳检查证明缺失突变体在 hrcV 基因阅读
框内缺失了约 400 bp的碱基(图 2)ꎮ
2.3  T3SS与致病性的关系
    野生菌株 N ̄5 ̄1、hrcV突变体和互补菌株分别接
种杨树枝条ꎬ4 d后杨树枝条开始发病ꎬ可以看到接种
野生菌株和互补菌株的杨树枝条伤口流出大量乳白
色粘稠状脓液ꎬ伤口周围树皮软腐、凹陷ꎬ而接种 hrcV
突变体的杨树枝条并没有脓液流出ꎬ周围树皮组织也
没有明显的腐烂(图 3 ̄A)ꎮ 突变体△hrcV的病情指
数为 33.3ꎬ致病性比野生菌株 N ̄5 ̄1和互补菌株 HB ̄
hrcV明显下降ꎬ而野生菌株 N ̄5 ̄1和互补菌株 HB ̄
hrcV的致病性表现相似ꎬ病情指数分别为 83.3和 85.6
(图 3 ̄B)ꎮ hrcV突变体的致病性与野生菌株和互补
菌株相比ꎬ达到极显著差异ꎮ
Fig. 2   Agarose gel electrophoresis of PCR
amplification targeting the hrcV gene
in strain N ̄5 ̄1 ( lane 2 ) and its
△hrcV mutant ( lane 3)
Fig. 3   Pathogenicity assay on poplar bran ̄
ches by using wild type N ̄5 ̄1 and its
derivatives ΔhrcV and HBhrcV
A: Poplar branches inoculated with wild ̄type strain N ̄5 ̄1 (a)ꎬ
its hrcV ̄deleted mutant △hrcV (b)ꎬ complemented mutant HB ̄
hrcV (c) and the control LB medium (d). B: Disease index of
poplar branches inoculated with L . quercina wild ̄type strain N ̄
5 ̄1ꎬ its hrcV ̄deleted mutant △hrcVꎬ the complemented mutant
HBhrcV and control (LB medium). All experiments were per ̄
formed in triplicateꎬ and error bars indicate standard deviations.
Asterisks (“∗∗”ꎬ P<0􀆰 01ꎻ “∗∗∗”ꎬ P<0.001) indicate statisti ̄
cally significant differences between wild type N ̄5 ̄1 and its de ̄
rivatives.
715
 
植物病理学报 44卷
2.4  激发烟草 HR能力的检测
    在同一 NC89 烟草叶片上接种 hrcV 突变体
△hrcV、互补菌株 HBhrcV、野生菌株 N ̄5 ̄1和无菌水
阴性对照ꎬ对其引发 HR反应能力进行检测ꎮ 结果如
图 4ꎬ突变体△hrcV基本丧失了在 NC89烟草上引起
HR反应的能力ꎬ而互补菌株和野生菌株则均能在此
叶片上引起 HR反应ꎮ 这表明 T3SS直接影响 N ̄5 ̄1
在 NC89普通烟草上引起 HR反应的能力ꎮ
Fig. 4   Hypersensitive responses on tobacco
leaf treated with strains N ̄5 ̄1ꎬ ΔhrcVꎬ
HBhrcVꎬ and the water control
2.5  生长速率、生物膜及游动性检测
    通过对野生菌株、hrcV 缺失突变体和互补菌
株生长速率、生物膜及游动性的检测ꎬ未见这 3 个
菌株的生长速率、生物膜、游动性有明显的差异
(数据未显示)ꎮ
3  讨论
    由 Lonsdalea quercina引起的欧美杨溃疡病是
一种新型细菌性病害ꎬ该病害严重影响了我国北方
丰产速生杨树产业的发展ꎮ 本课题组首次在我国
分离出该病原细菌ꎬ而由该细菌引起的杨树溃疡病
也是首次在我国发现ꎮ
    L. quercina 曾被称为 Brenneria quercina 和
Erwinia quercinaꎮ 在与其亲缘关系较近的 Brenne ̄
ria属中ꎬB. salicis、B. rubrifaciens、B. nigrifluens、B.
alni和 B. paradisiacal均为林木病原菌ꎮ B. salicis
引起柳树树皮溃疡[30]ꎬMaes 等认为该细菌为柳树
内生细菌ꎬ具有固氮作用ꎬ因此可能引起柳树体内
氮素失调ꎬ从而造成柳树溃疡病的发生[31]ꎮ Maes
等通过放射自显影的方法ꎬ发现该细菌是通过柳树
叶片 的 接 触 进 行 传 播[32]ꎮ Huvenne 等 发 现
B􀆰 salicis还具有群体感应(quorum ̄sensingꎬQS)调
控特征ꎬ通过群体密度调控纤维素酶的表达ꎬ降解
柳树细胞壁ꎬ造成柳树溃疡病的发生[33]ꎮ 胡桃树
皮溃疡病病原 B. rubrifaciens能产生一种水溶性的
红色色素ꎬ这种色素被认为与此细菌的毒性有
关[30]ꎮ McClean等通过转座子 Tn5 随机突变筛选
到色素变化且致病性下降的菌株 Br ̄212 和 Br ̄
512ꎬ2个突变体均不能引起烟草 HR 反应ꎬ通过序
列比对发现 2个突变体所突变的基因都与 N ̄乙酰
高丝氨酸内酯(N ̄acylhomoserine lactoneꎬAHL)群
体感应信号分子合成基因具有很高的同源性ꎬ且
B. salicis和 B. nigrifluens 产生的 QS 信号分子可
以使这 2个突变体恢复色素产生能力ꎬ证明了该细
菌的致病性受 QS 系统调控且其产生的信号分子
可能与 B. salicis和 B. nigrifluens相同[34]ꎮ 到目前
为止ꎬ欧美杨溃疡病菌 L. quercina 的传播途径以及
致病机制尚不清楚ꎬ本研究通过基因组分析比较ꎬ发
现 N ̄5 ̄1中并不具有以 AHL 为信号分子的 QS 系
统ꎬ这与柳树树皮溃疡病原 B. salicis、胡桃树皮溃疡
病原 B. rubrifaciens 不同ꎮ 早期分类学中ꎬ与 L.
quercina同属于 Erwinia 属的 Dickeya dadantii 3937
( =E. chrysanthemi 3937)的主要致病因子是通过Ⅱ
型分泌系统(TypeⅡsecretion systemꎬT2SS)分泌的
果胶酶和嗜铁素[35ꎬ36]ꎮ 本研究通过基因组序列分
析发现ꎬ在 N ̄5 ̄1中具有完整的 T2SS和 T3SSꎬ但通
过 T2SS分泌的果胶酸裂解酶(pectate lyase)却只有
2种 PelA和 PelDꎬ比 D. dadantii 3937 中的果胶酸
裂解酶少了很多种ꎮ T3SS也是 D. dadantii 3937菌
株重要的致病因子之一[37]ꎮ 本研究通过 T3SS基因
簇的比较分析ꎬ揭示了菌株 N ̄5 ̄1与菌株 3937具有
高度相似的 T3SS 结构ꎬ且通过遗传学方法证明了
T3SS与N ̄5 ̄1致病性的关系ꎮ
    遗传学试验显示菌株 N ̄5 ̄1 hrcV 突变体在杨
树上的致病性显著下降ꎬ而互补菌株则与野生菌株
致病性基本保持一致ꎬ因此推测该细菌 T3SS 与致
病性有直接关系ꎬ是该细菌引起的杨树溃疡病的致
病因子之一ꎮ 当 T3SS 结构被破坏后ꎬN ̄5 ̄1 丧失
了诱导 HR反应的能力ꎬ但该菌株的生长速率、生
物膜和游动性并没有受到影响ꎮ 植物病原菌的致
病性可能涉及多个基因ꎬ本研究仅分析了病原细菌
815
 
  5期 杨 莉ꎬ等:III型分泌系统是欧美杨溃疡病菌 Lonsdalea quercina重要的致病因子
T3SS结构基因与致病性的关系ꎬ要阐明欧美杨溃
疡病病原细菌的致病机制ꎬ还需对其他可能的致病
基因和因素开展研究ꎮ
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责任编辑:于金枝
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