【LorMe周刊】腐胺——青枯病爆发的自我加速剂

作者：张艺，南京农业大学硕士在读，主要研究青枯菌多态性与动态阻控。

周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊为您介绍青枯菌毒力代谢产物腐胺加速青枯病爆发的作用机制，原文于2017年发表于《Environmental Microbiology》。

导读

青枯菌能够侵染宿主植物木质部导管，严重阻碍植物水分运输，导致植物萎蔫死亡。植物木质部环境中养分匮乏，而青枯菌却能在其中大量繁殖。前有研究表明青枯菌可能通过增加养分利用率、调节自身生长代谢、操控寄主植物物理化学屏障等方式适应或改变木质部生存环境。那么青枯菌具体是如何改变贫瘠的木质部环境的呢？其中哪些物质发挥了关键作用？为此，威斯康星大学麦迪逊分校Caitilyn Allen团队利用非靶向代谢组学探究了青枯病发病过程中番茄植株木质部汁液化学成分的变化规律，发现青枯菌侵染导致木质部汁液中某些物质的大量富集，这些物质对青枯菌生长产生哪些影响，谁更关键，怎么产生，作用机制如何？请看下文详解。

青枯菌侵染可改变植株木质部组分

植物木质部环境养分贫瘠，但青枯菌侵染后却能很好的定殖其中。为探明青枯菌定殖木质部却依然生长旺盛的原因，作者收集健康和感病番茄植株木质部汁液，将其作为培养基底物培养青枯菌。与健康植株相比，感病植株木质部汁液中存活的青枯菌更多（图1A）；用最小培养基培养青枯菌时，添加健康植株木质部汁液可促进青枯菌生长（图1B），这表明健康植株木质部汁液不会抑制青枯菌的生长。利用非靶标代谢组学对植物木质部汁液成分分析表明，感病植株汁液中营养物质浓度更高（图1D）。为了鉴定优先被青枯菌消耗的木质部汁液代谢物，作者检测了离体木质部汁液与青枯菌共培养3小时后的成分变化。在青枯菌生长消耗的5种化合物中，除了甲基哌啶（pipecolate），其他被消耗的化合物都能促进青枯菌的生长（图1E）。这些实验共同支持了青枯菌侵染增加植物木质部汁液中有效养分的假说。

图1 青枯菌改变番茄木质部汁液的生物学和化学特性及青枯菌GMI1000生长对木质部汁液代谢产物的消耗情况（对比健康植株）

青枯菌产生腐胺并诱导植株多胺合成基因的表达

非靶标代谢组学分析发现受青枯菌侵染的植物木质部汁液中含有大量腐胺（图1D），但青枯菌无法将腐胺用作自身的碳源或氮源，前期有研究表明青枯菌基因组缺乏腐胺分解代谢途径的同源基因。那么腐胺究竟是谁产生的呢？

作者以模式青枯菌GMI1000作为研究对象，收集了健康番茄植株与接种青枯菌的植株的木质部汁液。经检测发现，健康植株汁液中腐胺浓度极低（~1μm），浸泡接种青枯菌的植株的汁液中腐胺含量增加到36.9μm（图2A），除此之外，青枯菌GMI1000和CMR15在培养基中生长时会积累腐胺。对青枯菌进行基因组测序分析，推测精氨酸脱羧酶（ADC，RSc2365）可将精氨酸转化为腐胺。参照同源物E.coli SpeC，将RSc2365重新命名为“SpeC”。研究团队构建青枯菌ΔspeC突变体，该突变体在外源供给的腐胺浓度低于15μM时会停止生长（图3A，3B），这种特性使其成为一种敏感的腐胺生物传感器。LC-MS分析表明，植株感病初期，木质部汁液中腐胺浓度为36.9μM（图2）。若感病植株自身产生腐胺并富集于木质部，则ΔspeC突变体将能够在植株中生长。但把ΔspeC突变体直接接种到植物木质部时，该突变体无法成功定殖（图3C），即使青枯菌接种浓度达10⁸ CFU时植物仍未发病（图3D）。番茄植株中有两个由ADC （Sl_ADC1- 2）或ODCs （Sl_ODC1-3）主导的代谢途径可产生腐胺，用青枯菌处理的植株的茎中腐胺相关代谢途径会被诱导表达，其中Sl_ADC1的表达量提升至对照（健康）植株的4-5倍，这与感病植株木质部汁液中腐胺浓度增加的结果相吻合（图3E）；接种ΔspeC突变体的番茄茎组织中Sl_ADC1也被诱导表达，但在这种情况下腐胺并没有在木质部汁液中积累。这些结果共同表明，发病植株木质部中富集的腐胺以青枯菌合成的为主，并且青枯菌侵染植株会影响植物的多胺合成途径。

图2 青枯菌在木质部汁液和培养基中生长时富集腐胺

图3 青枯菌需要SpeC鸟氨酸脱羧酶来富集木质部中的腐胺

外源腐胺促进青枯病的发生

为了探明腐胺是否为加速青枯病发生的重要物质，作者通过外源添加腐胺观察植株的发病情况。结果显示，在接种青枯菌前用腐胺处理番茄植株不会提高木质部中的腐胺浓度，但会加速青枯病的发生（图4A），在腐胺处理的植株接菌位点上，青枯菌种群数量是对照植株的3.8倍，接种位点4cm之上的种群数量是对照植株的8倍（图4B），这表明腐胺在一定程度上提高了植株对青枯菌的敏感性，加速了青枯菌在木质部中的传播。腐胺处理提高了番茄PR1b和ACO5的表达量（这两者是植物水杨酸和乙烯防御通路的标记），青枯菌侵染也能够诱导番茄植株中PR1b和ACO5的表达。这说明外源腐胺处理植物不会提高木质部汁液中腐胺的含量，但在一定程度上可改变番茄的生理行为，以促进青枯菌在番茄木质部中的生长。

图4 外源腐胺可加速青枯病的发生

结论

青枯菌侵染可增加番茄植株木质部汁液中的有效养分，促进自身更好地生长。青枯菌生长过程中产生的腐胺可增强自身毒力，经试验验证表明，向植株施用腐胺能加速青枯病的发展。这项研究帮助我们更好的了解青枯菌的毒力因子及腐胺加速青枯病爆发的作用机制，为防治青枯病提供了新的思路。

论文信息

原名：Metabolomics of tomato xylem sap during bacterial wilt reveals Ralstonia solanacearum produces abundant putrescine, a metabolite that accelerates wilt disease

译名：木质部代谢组学揭示青枯菌产生腐胺加速青枯病的爆发

期刊：Environmental Microbiology

发表时间：2017.07

通讯作者：Caitilyn Allen

通讯作者单位：威斯康星大学麦迪逊分校植物病理学系