細(xì)菌毒素在病原物致病過(guò)程中的作用

張婷玉　葉建仁

摘 要 植物病原細(xì)菌毒素是重要的植物病原毒素，其化學(xué)類(lèi)別，包括胞外多糖、有機(jī)酸、肽、糖肽等。不少植物病原菌引起病害與病原菌產(chǎn)生的植物毒素有關(guān)，致病毒素是誘發(fā)植物病害的一類(lèi)重要化合物，其主要傷害效果是：作用于質(zhì)膜，所以原生質(zhì)體腫脹，電解質(zhì)滲漏；抑制光合作用的ATP磷酸化的合成，從而引起能量匱乏，導(dǎo)致體內(nèi)合成的破壞，影響葉綠素的合成；結(jié)合原生質(zhì)膜蛋白，從而導(dǎo)致宿主感染。由此，主要綜述了兩大類(lèi)細(xì)菌毒素在病原物致病過(guò)程中的作用研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞 細(xì)菌毒素；致病作用；研究進(jìn)展

中圖分類(lèi)號(hào)：S435.72 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-890X（2014）24--03

最近幾十年的研究表明，植物病原體毒力因子主要有3類(lèi)：酶、毒素和激素，其中所述毒素（Toxin）是研究最多的，被認(rèn)為是一類(lèi)致病因素，與病程密切相關(guān)。細(xì)菌毒素通常分為兩種類(lèi)型，分別是內(nèi)毒素和外毒素。

寄主細(xì)胞質(zhì)膜、線粒體、葉綠體等細(xì)胞結(jié)構(gòu)是毒素作用的主要點(diǎn)位，毒素破壞細(xì)胞的膜系統(tǒng)，嚴(yán)重影響寄主植株的代謝過(guò)程，并使能量發(fā)生改變，引起其蛋白、核酸、酶等一系列不良反應(yīng)，導(dǎo)致生理失調(diào)，細(xì)胞死亡以至植株死亡[1]。嚴(yán)格地確認(rèn)毒素在致病過(guò)程中的作用是非常重要的，因?yàn)槿绻C明主要的致病因子或誘發(fā)感病因子是它，那么有必要進(jìn)一步了解其結(jié)構(gòu)的作用的目的、特性和模式，從而針對(duì)該毒素研發(fā)擁有抑制、降解或純化效果的新型農(nóng)藥，達(dá)到防治病害的目的[2]。

植物細(xì)菌毒素主要有2種類(lèi)型的毒素引起褪綠癥狀，主要是假單胞菌，另一個(gè)導(dǎo)致萎蔫植物毒素，主要是歐氏桿菌屬、黃單胞菌屬和棒形桿菌屬。由此，以病害為例介紹了這4種屬的細(xì)菌毒素在病原物致病過(guò)程中的作用研究進(jìn)展。

1 假單胞菌屬毒素在致病過(guò)程中的作用研究進(jìn)展

大多數(shù)假單胞菌屬的細(xì)菌是土壤，水和其他基質(zhì)上的腐生真菌和一些植物病原細(xì)菌。其具有廣泛的生態(tài)適應(yīng)性，且表型差異較大，是一個(gè)非常龐雜的群體。

1.1 大豆細(xì)菌性斑點(diǎn)病

大豆細(xì)菌性斑點(diǎn)?。˙acterial Blisht of Soybean）是造成大豆減產(chǎn)的主要原因。該病癥是一種由丁香假單胞大豆致病變種（Pseudomonas syringae pv.glycineal（Coeper）Young et.al）引起的世界性病害。

子葉被首次感染往往會(huì)導(dǎo)致第2次感染幼苗，并且當(dāng)環(huán)境條件適宜，通過(guò)風(fēng)雨，昆蟲(chóng)和其他人類(lèi)和動(dòng)物的品系擴(kuò)散至豆株，然后，通過(guò)孔和傷口感染，潛伏、孕育2～3 d后，可引起葉病，細(xì)菌侵襲后產(chǎn)生毒素抑制葉綠素的生產(chǎn)活動(dòng)，5～7 d后，葉肉細(xì)胞的間隙中充滿(mǎn)細(xì)菌液，導(dǎo)致葉片出現(xiàn)典型的水漬狀侵染[3]。

1.2 煙草野火病

煙草野火病是由Pseudomonas syringae pv. tabaci引起的細(xì)菌性病害。病菌在培養(yǎng)過(guò)程中能分泌出干擾宿主細(xì)胞的代謝和影響葉綠素合成的毒素[4-5]。1925年，JOHNSON等報(bào)道了野火病菌毒素是煙草野火病致病的重要因子[6-7]。

煙草野火感染后葉，產(chǎn)生細(xì)菌毒素，即煙草野火菌毒素（tab toxin），干擾宿主細(xì)胞的新陳代謝，并間接影響葉綠素的合成，形成野火病

癥[4，5]。煙草野火病的病變是小面積的中央壞死，大范圍的黃色光環(huán)包圍圈是由毒素所導(dǎo)致。野火毒素已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，抑制谷氨酰胺合成酶的機(jī)制，導(dǎo)致氨的積累[8，9]。

1.3 菜豆暈疫病

菜豆暈疫病菌的致病機(jī)理：該病原菌能產(chǎn)生一種三肽形式的云扁豆蛋白毒素（phaseolotoxin），于植物細(xì)胞內(nèi)分解產(chǎn)生的鳥(niǎo)氨酸類(lèi)似物，抑制了位于植物細(xì)胞葉綠體中參與氨基酸合成的鳥(niǎo)氨酸氨甲酰轉(zhuǎn)移酶（ornithine carbamoyltransferase，OCTase）的活性[10]。

1.4 青枯病

青枯病真菌在植物中可產(chǎn)生大量的粘性物質(zhì)的，阻礙流體導(dǎo)管的流動(dòng)，從而引起維管束的閉塞萎蔫。青枯病粘性物質(zhì)的主要成分是酸性胞外多糖（EPSⅠ），通過(guò)致病EPS的野生型菌株Ⅰ與每股收益對(duì)比發(fā)現(xiàn)缺陷型突變株Ⅰ：因?yàn)樗嵝园麅?nèi)胞外多糖的植物的主要原因萎蔫主要由粘性物質(zhì)堵塞導(dǎo)管，留下過(guò)量的流體靜壓力管道破裂和促進(jìn)細(xì)菌移動(dòng)、細(xì)胞增殖和擴(kuò)散[11]。

2 歐式桿菌屬毒素在致病過(guò)程中的作用研究進(jìn)展

歐氏桿菌屬是人類(lèi)發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)植物病原細(xì)菌。迄今發(fā)現(xiàn)的植物病原細(xì)菌一部分是植物病原細(xì)菌，含有超過(guò)30個(gè)種，最常見(jiàn)的軟腐病也是由其所引起，還有萎蔫和外絲。典型的為梨火疫病E.amylovora和玉米細(xì)菌性枯萎病E.stewartii，被我國(guó)許多省市地方檢疫部門(mén)列為也有害細(xì)菌；另有土豆和白菜軟腐，由歐文氏菌所引起的細(xì)菌性軟腐病發(fā)生在世界各地，對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)造成非常重要的影響。

2.1 梨火疫病

由Erwinia amylovora（Burrill） Winslow et al.引起的梨火疫病是世界著名的病害。該病在北美一直是導(dǎo)致梨、蘋(píng)果、櫻桃等果樹(shù)遭受毀滅性病變的細(xì)菌病害，也是最古老、研究最深入的植物病害之一。

致病菌是以液體滲出或在空中的顆粒通過(guò)風(fēng)、雨和昆蟲(chóng)傳播的形式接觸到花或幼枝，通過(guò)自然腔道的形式侵入，更主要的是通過(guò)傷口來(lái)侵入。對(duì)于火疫病毒火疫病的癥狀，并確認(rèn)了與細(xì)菌產(chǎn)生的多糖毒素有關(guān)。淀粉歐文氏液（Erwinia amylovora，EA）能分泌胞外多糖（exopolysac - charide，EPS）和HRP之間的蛋白質(zhì)，蘋(píng)果公司在1974年和梨等寄主植物造成火疫病[12]，加大木質(zhì)部水流阻力是病菌毒素的具體作用方式。

2.2 水稻細(xì)菌性基腐病

水稻的一種重要病害——水稻細(xì)菌性基腐病是由Dickeya zeae（Erwinia chrysanthemi pv.zeae）所引起的。endprint

水稻基腐病菌可產(chǎn)生一種非專(zhuān)化性毒素，其作用在于抑制水稻種子萌發(fā)和使煙草細(xì)胞死亡[13]。煙草葉被注射水稻基腐病菌毒素后，煙草細(xì)胞中大量增加超氧離子和NO，H2O2含量有較為明顯的下降，SOD、CAT和POD等酶的活性發(fā)生變化。毒素誘導(dǎo)煙草細(xì)胞死亡，但沒(méi)有程序性細(xì)胞死亡（PCD）的DNA梯特征。煙草葉片被病菌毒素處理后，電導(dǎo)率增大，導(dǎo)致細(xì)胞膜透性增加。煙草細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的電鏡觀察表明，毒素48 h后，細(xì)胞內(nèi)容物徹底清除，細(xì)胞膜消失，細(xì)胞壁收縮變形。其原因可能是由于內(nèi)毒素誘導(dǎo)的煙草細(xì)胞中產(chǎn)生大量的超氧化物陰離子自由基，膜系統(tǒng)中的不飽和脂肪酸遭到攻擊，被氧化，從而導(dǎo)致?lián)p害的膜系統(tǒng)中，細(xì)胞內(nèi)的離子的異常泄漏。細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，毒素作用的初始位點(diǎn)很可能是葉綠體[14]。

3 棒形桿菌屬毒素在致病過(guò)程中的作用研究進(jìn)展

棒形桿菌屬Clavibacter是由Corynebacterium中分列出來(lái)的一個(gè)新的棒桿菌從屬。國(guó)內(nèi)發(fā)現(xiàn)最典型的植物病原細(xì)菌病害中，有馬鈴薯環(huán)腐病菌Clavibacter michiganensis subsp. sepedonicus，此病在國(guó)內(nèi)主要馬鈴薯產(chǎn)區(qū)均有分布。另外在國(guó)內(nèi)華北冬麥區(qū)、山東省、安徽省、江蘇省、浙江省、貴州省等已發(fā)現(xiàn)由線蟲(chóng)傳播引起的小麥蜜穗病菌（C.tritici）的存在。

棒桿菌毒素都是致萎毒素，馬鈴薯環(huán)腐病菌產(chǎn)生一種致萎糖肽，毒素的作用位點(diǎn)在細(xì)胞膜上；以后又相繼發(fā)現(xiàn)苜蓿萎蔫病菌（C.m.subsp.insidiosus）毒素和番茄潰瘍病菌（C.m.subsp.michiganesis）毒素的化學(xué)結(jié)構(gòu)均為糖肽[15]。苜蓿萎蔫病菌毒素通過(guò)阻塞導(dǎo)管紋孔膜孔導(dǎo)致其萎蔫；而小葉導(dǎo)管卻是番茄潰瘍病菌毒素主的要作用部位。

4 黃單胞菌屬毒素在致病過(guò)程中的作用研究進(jìn)展

黃單胞菌作為細(xì)菌中的特殊群體之一，可破壞超過(guò)120種單子葉植物和超過(guò)270種雙子葉植物。大多數(shù)由黃單胞菌屬細(xì)菌引起的植物疾病癥狀為葉枯、壞死、萎蔫等癥狀[16]。

4.1 水稻白葉枯病菌

水稻白葉枯病菌毒素引起稻苗萎蔫、根芽生長(zhǎng)受抑制和根冠細(xì)胞死亡，其在水稻葉片上形成與病菌侵染相似的癥狀。毒素的毒性大小與產(chǎn)毒素菌的致病力強(qiáng)弱成正比。白葉枯病菌產(chǎn)生的毒素既有強(qiáng)弱多少之分，也有宿主特異性差異。這可能與品種抗性表現(xiàn)有著密切關(guān)系[17]。

水稻白葉枯病菌毒素處理煙草葉后，煙草細(xì)胞膜透性于2 h內(nèi)迅速上升[18]。毒素對(duì)微絲的分布有很大的影響，這一現(xiàn)象被證明于Lei等[19]的實(shí)驗(yàn)，利用白葉枯病菌菌株Ah28產(chǎn)生的毒素，處理水稻野敗型細(xì)胞質(zhì)雄性不育系珍汕97A后，其根冠細(xì)胞微絲的密集分布被破壞，纖絲狀微絲不復(fù)存在，轉(zhuǎn)而形成粗束或碎片狀。

4.2 甘藍(lán)黑腐病菌

十字花科黑腐病是由花菜、甘藍(lán)黑腐病菌（Xanthomonas campestris pv.campestris（Pammel）Dowson）引起的世界性病害。19世紀(jì)90年代，導(dǎo)致威斯康辛州東南部的甘藍(lán)生產(chǎn)遭到了嚴(yán)重的破壞。

甘藍(lán)黑腐黃單胞菌（Xanthomonas campestris）產(chǎn)生的EPS會(huì)導(dǎo)致病癥呈現(xiàn)水浸狀和萎蔫狀[20，21]。

5 總結(jié)與展望

關(guān)于毒素的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)病機(jī)制中的作用，證明的關(guān)鍵在于：①致病性與活體外產(chǎn)生毒素的水平有關(guān)，病株中也可分離出毒素；②純化毒素重現(xiàn)疾病的癥狀；③植物的感病性與對(duì)毒素的敏感性有關(guān)；④遺傳分析證明病原物毒素基因與寄主植物對(duì)毒素的敏感性基因相關(guān)[22]。

人們?cè)谘芯慷舅刂虏C(jī)制的過(guò)程中也在積極探索其利用的途徑。煙草野火病菌毒素或其結(jié)構(gòu)類(lèi)似物作為選擇劑已成功地運(yùn)用于篩選抗性植株；基因操作技術(shù)也被運(yùn)用于此處，將從該病菌中克隆到的抗煙毒素基因?qū)霟煵葜?，獲得的抗野火病菌轉(zhuǎn)基因植株[23]?？深A(yù)見(jiàn)，毒素化學(xué)和分子生物學(xué)的研究越是深入，毒素的應(yīng)用前景將會(huì)越加廣闊。

參考文獻(xiàn)

[1]何凡，范鴻雁，華敏.植物病原毒素[J].熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006，26（3）：70-76.

[2]王軍.病原菌毒素對(duì)植物的致病作用[J].中國(guó)森林病蟲(chóng)，2001，（6）：9 -11.

[3]張金梅.大豆細(xì)菌性斑點(diǎn)病原物的分離鑒定及其兩個(gè)Ⅲ型效應(yīng)因子的克隆與功能研究[D].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2011.

[4] TAYLOR P A，SCHNOES H K，DURBIN R D. Biochem Biophys Acta，1972，286：107-117.

[5]劉雅婷，張世.煙草野火病的研究進(jìn)展[J].云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，17（2）：197 -200.

[6]呂軍鴻，張廣民，丁愛(ài)云，等.煙草野火病菌毒素研究進(jìn)展[J].微生物學(xué)通報(bào)，1999，26（5）：358 -360.

[7] JOHNSON J，MURWIN H F. A study on the mode of action of wildfire of tobacco [J].W is. Agri Exp. Sta.Bull，1925，62：35.

[8]章元壽.植物病理生理學(xué)[M].南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，1993：87-89.

[9]高必達(dá).植物抗病基因工程研究進(jìn)展[J].湖南農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào)，1994，20（6）：587 -596.

[10]張淑珍.植物病原菌毒素研究進(jìn)展[J].黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2001，（2）：42-43.

[11]王軍.青枯菌對(duì)植物的致病機(jī)制及其調(diào)節(jié)[J].林業(yè)科學(xué)，2005，41（3）：142-147.

[12]張立群，田濤，梅桂英.群體感應(yīng)淬滅-防治植物細(xì)菌病害的新策略[J].中國(guó)生物防治，2010，26（3）：241-247.endprint

[13]Liu Q G，Luo J J，HeX X，etal.Separation，characters and biological functions of Erwinia chrysanthemi pv.zeaetoxin（ in Chinese） [J]. Acta Microbiologica Sinica （微生物學(xué)報(bào)），2008，48（11）：1499 -1506.

[14]劉瓊光，張靜一，馮敏珊，等.水稻基腐病菌毒素對(duì)煙草活性氧代謝及細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的影響[J].植物病理學(xué)報(bào)，2009，39（3）：262-271.

[15]梁波.松材線蟲(chóng)攜帶致病細(xì)菌產(chǎn)生的毒素的初步研究[D].南京林業(yè)大學(xué)，2003.

[16]彭煒.植物細(xì)菌性病害和病原細(xì)菌分類(lèi)研究進(jìn)展[R].公共植保與綠色防控，2010.

[17]孔繁明，許志剛，馬春紅，等.水稻白葉枯病菌毒素對(duì)水稻不育系珍汕97A的專(zhuān)化毒性[J].植物病理學(xué)報(bào)，1998，28（2）：113-116.

[18] Song C F，Pan X M，Yang Y，et al. The Mechanism of tobacco leafnecrosis caused by Xanthomonas oryzae pv.oryzaeand its toxin（ in Chinese） [J]. Acta Phyto-pathologica Sinica （植物病理學(xué)報(bào)），1999，29（1）：57 -62.

[19] LeiY H，Ma C H，W ei J K. Effect of Xanthomonas oryzae pv.oryzaetoxins on distribution of microfilment in rice rootcap cells（ in Chinese） [J]. Journal of Biology（生物學(xué)雜志），2004，21（6）：17 -18.

[20]Sutton J C，Williams P H.Relation of xylem plugging to black rot lesion development in eabbage[J].Canad J Botany，1970，48：391-401.

[21]Sutton J C，Williams P H.Comparison of extraeellular polysaceharide of Xanthomonas campestris from infected cabbage leaves[J].Canad J Botany，1970，48：645-651.

[22]王金生.植物病原細(xì)菌學(xué)[M ].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2000：45-47.

[23]Ye Zhaohui，Yu Lihua，Zhao Nanming，et al.Tsinghua Science and Technology，1997，2（l）：460-462.

（責(zé)任編輯：劉昀）endprint