全 文 ：茄科雷尔氏菌（Ralstonia solanacearum）
分子生物学基础及其致病机制!
李林章，谢从华，柳 俊 **
（国家蔬菜改良华中分中心，华中农业大学园艺植物生物学教育部重点实验室，湖北 武汉 430070）
摘 要：细菌性青枯病是由茄科雷尔氏菌（Ralstonia solanacearum）引起的一种世界范围的毁灭性病害，该病
原有着广泛的寄主范围及地理分布，给作物生产带来巨大经济损失，抗病育种是防治该病害的有效途径。最近，
R. solanacearum全基因组测序的完成以及分子生物学技术的发展，给马铃薯青枯病抗性分子育种提供了新的思
路。本文评述了近年来，Ralstonia solanacearum的分子生物学研究进展及模式植物拟南芥在抗青枯病机理研究中
的进展。
关键词：R. solanacearum分子生物学；致病机制
收稿日期：2005-05-17
作者简介：李林章（1977-），男，华中农业大学硕士研究生，
现在浙江省宁波市农业科学院工作。
!基金项目：国家“863”计划项目（2002AA241181）
!!通讯作者：E-mail:liujun@mail.hzau.edu.cn
中图分类号：S532，Q7 文献标识码：A 文章编号：1672-3635（200）0 -0290-05
细菌性青枯病是由茄科雷尔氏菌（Ralstonia
solanacearum）曾用名 Pseudomonas solanacearum引
起的一种世界范围的细菌性土传病害，广泛分布于
热 带 、 亚 热 带 及 某 些 温 带 地 区 。 Ralstonia
solanacearum具有广泛的寄主，可侵染 50多个科
的200多种植物，其中马铃薯、番茄、烟草等茄科
作物受害最为严重[1]。由于“温室效应”所引起的全
球气候变暖，该菌表现出向高纬度冷凉地区蔓延的
趋势，给作物生产带来极大威胁。根据 Ralstonia
solanacearum的寄主范围和生化特性，可以分为 5
个生理小种和6个生化小种。青枯菌的小种多样性
以及与寄主、环境之间复杂的互作，使得抗青枯病
的育种十分困难。近年来，青枯菌的全基因组序列
测序工作的完成，为研究者在基因组水平上揭示青
枯菌致病的分子机理奠定了基础，本文就近年来
Ralstonia solanacearum研究的进展进行综述，目的
在于为马铃薯抗青枯病改良策略的确定提供参考。
1 Ralstonia solanacearum基因组结构特点
2002年，Salanoubat等以R lstoniasolanacearum
小 种 GMI1000为 材 料 ， 完 成 了 Ralstonia
solan cearum基因组测序分析，为进一步揭示其致
病机制和确定植物抗性改良策略提供了基础[2]。
1.1二重基因组结构（A bipartite genome struc-
ture）
Ralstonia solanacearum基因组大小为 5.8 Mb，
包含两个复制子，即一个 3.7 Mb的染色体和 2.1
Mb巨质粒(megaplasmid)。基因组编码5129个可能
蛋白，其中染色体上携带有基本生存必需的几乎
所有蛋白，巨质粒上编码一些染色体上没有的控
制初生代谢的酶类，包括氨基酸及辅因子的合成
酶，推测巨质粒缺失会导致营养缺陷型突变。对
巨质粒的基因组分析表明，其上所编码的蛋白对
于该菌适应各种不同环境起着重要作用，同时也
与该病原菌的致病性有关。如巨质粒上携带所有
的hrp基因，而该基因簇为青枯病致病所必需。此
外，一些编码组成鞭毛及控制胞外多糖合成的基
因也在巨质粒上[2,3]。
1.2基因组的嵌合结构（Mosaic structure of the
ge om）
基因组扫描发现，Ralstonia solanacearum存在
一些被称为另类密码子使用区（ACURs，alternative
codon-usage regions）的特殊嵌合区域。在碱基组成
上，大多数ACURs的GC含量在50%到70%之间
·290· 中国马铃薯，第19卷，第5期，2005
变化，ACURs区大约占Ralstoniasolanacearum基因
组的7%，其跨度从1kb到20kb。蛋白质预测分
析显示，在这一区域的密码子使用也明显不同于典
型细菌遗传密码子。ACURs区中，含有许多的遗
传移动元件(geneticmobileelements)、原噬菌体
DNA插入序列等，这些遗传移动元件强烈的偏好
分布表明，ACURs可能源于基因水平转移。因此，
研究者预测，这些 ACURs很可能是该病原菌的
“致病岛”（pathogenicityislands）[3]。这种含大量遗传
移动元件的嵌合结构，预示着其巨大的进化潜力，
这一特点也为Ralstoniasolanacearum表现出的遗传
多样性提供了分子依据。
图1 R.solanacearumGMI10002个复制子（引自GeninandBoucher,2002）
2 Ralstoniasolanacearum致病机理
2.1 Ralstoniasolanacearum对植物的侵染过程
自然条件下，青枯菌通常从植物根茎的伤口
和次生根的根冠部位侵入。从次生根冠侵入的青
枯菌继而穿过根冠和主根表皮形成的鞘，同时引
起相邻的薄壁组织的细胞壁膨胀。青枯菌侵入皮
层后在细胞间隙里繁殖，然后再侵入邻近的皮层
细胞。侵入植物体的青枯菌先破坏细胞间的中胶
层，使寄主植物的细胞壁解体，质壁分离，细胞
器变形，形成空腔。青枯菌还可以从植物的受伤
部位侵入，直接进入导管繁殖。青枯菌在导管中
生长时可以产生大量胞外多糖，胞外多糖影响和
阻碍植物体内的水分运输，特别是易于对叶柄结
和小叶处较小孔径的导管穿孔板造成堵塞，因而
引起植株萎蔫。同时，青枯菌还向细胞外分泌多
种细胞壁降解酶(例如果肢酶和纤维家酶)，这些细
胞壁降解酶可能也在破坏导管组织引起植株枯萎
死亡方面有重要作用[3,4]。
2.2 Ralstoniasolanacearum致病性的生化基础
胞外多糖（EPS,extracelularpolysaccharide）
早在50年代人们就认为胞外多糖可能是青枯
菌的致病因子，随后围绕青枯菌胞外多糖的病理
学意义进行了大量研究。Husain和Kelman比较了
青枯菌自发无毒突变株和野生型菌株的特点，发
现自发无毒突变株不产生胞外多糖，致病力丧失，
因此认为胞外多糖在致病过程中可能具有重要作
用[5]。青枯菌的胞外多糖是由多种化学物质组成的
复合物，其中主要的组成成分是氮乙酞半乳糖醛
酰胺。研究发现，不同青枯菌小种的胞外多糖的
组分有所不同，同一小种也存在不同类型的胞外
多糖。一些研究显示，一个称为 EPSI的胞外多
糖，可能与 Ralstoniasolanacearum的致病性最为
相关[6]。EPSI合成的特异突变研究显示，即使直
接注入大量的突变菌细胞进入植物茎组织，与非
突变菌比较，其植株的萎蔫和死亡程度也很低。
通过土壤接种试验也显示，尽管突变菌在维管组
织中繁殖，但植株的发病很轻[7]。近年来的研究发
现，胞外多糖的合成受16kb的 eps操纵子调控，
涉及10个调控基因产物和 3个不同的调控信号，
这种严谨的调控也从另一个角度说明EPSI对病原
菌本身的重要性以及在病原菌对植物的致病性中
的重要作用[8]。
胞外蛋白（exoproteins）
目前，分离鉴定的Ralstoniasolanacearum胞外
蛋白已有10多个，大多通过Ⅱ型和Ⅲ型分泌系统
泌出胞外。目前认为，至少有 2类胞外蛋白与青
枯菌的致病性有关[8]。第一类是溶果胶酶类，主要
·291·茄科雷尔氏菌（Ralstoniasolanacearum）分子生物学基础及其致病机制——李林章，谢从华，柳 俊
包括1个果胶甲酯酶（Pme）和3个多聚半乳糖醛酸
酶（PehA，PehB，PehC）。研究显示，聚半乳糖醛
酸酶与青枯菌在维管束中的扩展速度有关，PehA，
PehB，Pe、1hC突变体在植物维管束中的扩展速度
明显减缓[9]。但Pme的功能目前还不清楚。第二类
是溶纤维素酶类，体外培养分离了2个胞外葡萄糖
酶（Egl，CbhA），生化实验显示，它们可通过打断
纤维素的β-1,4糖苷键降解纤维素。Egl基因突变
菌接种显示，突变菌株的发病症状比野生菌株有所
减缓，但效果并不显著，因此认为，青枯菌通过降
解植物细胞壁致病可能只是辅助途径[10]。
依赖于Ⅲ型分泌系统的效应蛋白（Efectorsde-
pendentontypeⅢ secretionsystem）
Ralstoniasolanacearum拥有一簇hrp基因编码
的Ⅲ型分泌系统（TTSS，typeⅢsecretionsystem），
细菌的TTSS在植物和动物细菌病原中相当保守，
它们负责将效应蛋白分子转运到寄主细胞内。因
此，鉴定这些效应蛋白以及明确其在寄主细胞中的
作用模式，对于了解该菌的致病机制及设计更有效
的抗病策略显得特别重要。目前，已经鉴定了14
个avr基因编码的效应蛋白，它们均通过TTSS系
统进入寄主植物细胞，一般认为，avr基因产物决
定了病原寄主范围[8]。目前，有 9个 Ralstonia
solanacearum的TTSS效应蛋白已在GMI1000小种
鉴定出来，通过融合系统检测的具有毒性基因产物
有PopP2和RipA、B、G、T[11]。2004年，Alison等
在烟草青枯病研究中，又发现了一个avrA基因及
其同源变异系列，在能够引起青枯病的小种中，均
含有avrA基因的760bp保守侧翼序列，而在非毒
性小种中，这一侧翼序列为 960bp，序列分析发
现，它们分别在760bp序列的3个位点插入了170
bp反向重复[12]。然而，在茄科植物中与这些效应蛋
白相互作用的对应因子研究还十分有限。2003年，
Deslandes等报道了一个与PopP2相互作用的植物
抗性基因 RRS1-R，该基因产物属于 TIR-NBS-
LRR抗性蛋白成员，PopP2蛋白可与RRS1-R蛋白
相互识别形成PopP2/RRS1-R复合物，既而激活植
物防御系统[13]。
2.3 Ralstoniasolanacearum致病相关基因及其调
控网络
致病基因
事实上，上述所涉及的生化产物均是一系列基
因表达的结果，目前的研究显示，Ralstonia
solanacearum的致病基因十分复杂，按照功能它们
至少涉及4大类基因，即：涉及植物HR和确定寄
主范围的基因，如arA和hrp基因；编码胞外多糖
及其它们的调节基因，如 opsA、opsB、opsC、
opsD、opsE、opsG以及regionI和regionⅡ等；编
码胞外酶主要是一些降解植物细胞壁的水解酶类及
其它们的调节基因，如 eglA、pglA、pehA、pehR
等；涉及信号传导的基因，如植物信号分子（生长
素，乙烯）和降解植物信号分子（乙烯，水杨酸等）
的基因。此外，还有一些抗氧胁迫相关蛋白的基
因，这类分子可以消除植物细胞所产生的活性氧，
从而破坏植物的防御机理。Ralstoniasolanacearum
基因组还含有大量编码外膜蛋白以及细菌附器（鞭
毛、菌毛）成分蛋白的基因，并且在鞭毛/菌毛编码
系统中，发现有多拷贝的鞭毛蛋白结构基因存在，
因此人们推测，这些功能微妙的基因在不同的环境
中特异表达，使得Ralstoniasolanacearum能生存于
各种不同的环境，另外，它还含有大量吸附因子基
因，这些吸附因子也决定了Ralstoniasolanacearum
拥有广泛的寄主范围[8,14]。
Ralstoniasolanacearum致病基因的调控网络
越来越多的研究显示，Ralstoniasolanacearum
采用十分复杂的调控网络来选择寄主范围和调控其
致病性，主要包括一个核心调控网络和几个与核心
调控网络有关的附属级联调控系统[8]。核心调控网
络是由 5类基因（phc、vsr、solR、XpsR和 epsR）
控制的涉及到胞外多糖、细胞壁降解和 Ralstonia
solanacearum自身信号分子反应的综合体系（图2）。
在这一体系中，病原菌在phcB基因的调节下产生
一个胞外信号分子 3-OHPAME（三羟基棕榈酸甲
酯），通过该胞外信号分子调节一系列phc基因的
表达，通过phc基因调控其它基因如胞外多糖、胞
外酶以及其它调控体系如通过hrp基因簇介导的系
统等。在phc基因系列中，一个命名为phcA基因
起着关键的调节作用，抑制该基因的表达，显著降
低胞外多糖和胞外酶的表达量和活性，也使 Ral-
stoniasolanacearum的致病力降低或丧失，而提高
该基因的表达，则可显著提高胞外多糖和胞外酶的
表达量和活性，因此，Schel认为，phcA基因在这
一调控系统中起到了类似一个开关的作用。除了
phc的调节外，eps基因的表达还受XpsR和vsr基
·292· 中国马铃薯，第19卷，第5期，2005
图2 Ralstoniasolanacearum的Phc和hrp调控体系的可能途径（引自Schel,2000）
3 模式植物拟南芥青枯病抗性的基础研究
拟南芥作为遗传模式植物，广泛应用于植物-
病原互作关系的研究中，并且已经从拟南芥中鉴定
和克隆了许多的抗病基因，给其它作物的抗病性遗
传分析提供了理论基础。目前已经发现 Ralstonia
solanacearum能侵染拟南芥的某些生态型 [16]。
Deslandes等在拟南芥生态型Col-5（感）×Nd-1（抗）
的遗传分析中，发现其对Ralstoniasolanacearum
GM1000菌株的抗性表现为简单遗传的隐性性状，
他们利用来自 Col-5×Nd-1构建的重组自交系群
体，将一个抗性决定位点RRS1定位于第5号染色
体上的两个 RFLP标记（mi83和 mi61）之间[17]，随
后，通过图位克隆得到该基因及其等位基因
RRS1-R/RRS1-S。对其基因产物分析发现，该基
因有着与其它植物R基因不同的特征[18]，其一，除
了 TIR-NBS-LRR的典型抗性基因特征外，在其
C-端，带有一个核定位信号（NLS，nuclear
localizationsignal），和一个WRKY转录因子域。其
二，RRS1-R在遗传上表现为隐性，RRS1-S似乎
能抑制 RRS1-R调节的防御反应，不过该结论有
待进一步证实，因为在RRS1-R转化感病基因型的
实验中发现该基因也能够表现显性作用。其三，
RRS1-R介导的防御反应需要特殊的信号成分，遗
传分析表明一般 TIR-NBS-LRR类的 R基因利用
EDS1蛋白来介导下游反应，而CC-NBS-LRR类的
R基因则利用NDR1蛋白来介导，因此RRS1-R是
至今第一例依赖NDR1蛋白的TIR-NBS-LRR类R
基因。从其独特的基因结构可以推测 RRS1-R的
可能作用模式，首先RRS1-R识别病原相应的Avr
蛋白，进入细胞核，然后由其C-端的WRKY转录
因子结合病原反应基因启动子区的 W-box，激活
防御基因的表达[19]。研究还表明，RRS1-R能介导
多个小种的广谱抗性反应，暗示着RRS1-R能识
别Ralstoniasolanacearum中保守的Avr家族，前面
已经提到的popP2基因，即是Deslandes等利用酵
母双杂交系统，通过 RRS1-R与 PopP2蛋白相互
作用分析，筛选到的一个Ⅲ型分泌系统依赖的效应
蛋白基因[13]。RRS1-R，作为第一个青枯病抗性基
因，它的发现和克隆，以及对其功能和作用模式的
进一步研究，无疑会对其他作物的青枯病抗性的遗
传机理研究提供有力基础。
另外，Godiard等利用拟南芥生态型Ler×Col-
0重组自交系，发现青枯病抗性至少由3个位点控
制，QRS1和QRS2位于2号染色体，QRS3位于5
号染色体，其中QRS3与发育基因ERECTA紧密连
锁，该基因编码LRR受体样激酶，通过该基因转
化感病 Ler植株发现，转化植株获得了青枯病抗
性，表明ERECTA既与发育有关，也参与了抗病
过程，表现出功能的多效性[20]。在其它研究中，也
因产物的复合调节。除了以phc基因调控的网络系
统外，近年来发现，一个依赖与hrp基因簇编码的
Ⅲ型分泌蛋白（TTSS）体系调控网络，在 Ralstonia
solanacearum致病性调节中也起着重要作用[8,15]。
·293·茄科雷尔氏菌（Ralstoniasolanacearum）分子生物学基础及其致病机制——李林章，谢从华，柳 俊
发现植物抗病反应的某些信号途径可能与发育的某
些途径存在着交叉。
已有研究进展显示，Ralstoniasolanacearum基
因组在结构和基因表达调控特性等方面，均体现了
该病原菌进化上的灵活性和致病机制的复杂性，使
青枯病抗性研究及其植物的抗性改良更加困难和复
杂。但随着对于该病原菌本身的分子生物学基础的
不断明确，即可促进病原菌与植物互作机理的认
识，通过明确这些互作机理，将有利于植物抗青枯
病改良策略的确定，从而促进抗青枯病育种的进
程。
[ 参 考 文 献 ]
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·294· 中国马铃薯，第19卷，第5期，2005
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通 知
马铃薯专业委员会各位委员：
关于马铃薯专业委员会换届及委员增补工作等相
关事宜，已在2005年齐齐哈尔全国年会会间商榷，新
委员将采用通讯选举方式产生。近期将向各位委员发
出候选委员名单，请收到后如期把选票寄回。另外，
2006年年会的论文征集工作也将开始，根据年会的主
题：“马铃薯产业与冬作农业”，敬请马铃薯冬作区的
单位积极安排好今年的冬作试验，多为年会提供优质
论文。
中国作物学会马铃薯专业委员会