【LorMe周刊】青枯菌在植物体内生存与致病调控的复杂性
作者：张晓晖，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。
青枯病是由青枯病菌引起的一种毁灭性的土传病害，感病植株常常在枯萎症状出现前叶片颜色变黄，发病后的植株茎部表皮变得粗糙不平，木质部逐渐变为褐色，最终植株萎蔫死亡。植物木质部是一个养分相对贫瘠和液体高速流动的环境，流动的液体会阻碍细菌的运动，稀释可扩散的细胞外信号分子，并改变病原菌附着。那么青枯菌是如何在这种独特的环境中定殖并使植物萎蔫死亡的呢？为此，本文详细论述了青枯菌在寄主植物木质部中的生长、代谢和发病机理的最新发现。有研究表明，为了在木质部环境中更好的定殖，青枯菌可以调节自身新陈代谢以及改变寄主植物木质部汁液的生化特性。除此之外，木质部导管中青枯菌的QS调控网络与在体外不同，基因表达存在差异，而QS又调控着青枯菌的种种行为特征，如附着行为、生物膜的形成能力以及运动方式。
青枯菌可以在土壤中长期存活，一旦感知到寄主植株根系分泌物信号，就可利用鞭毛向根际迁移，然后通过分泌多糖、黏附蛋白类物质和表面附属物（例如菌毛）等在根系表面附着定殖。随后，青枯菌可以从植物伤口处或自然开口处进入植物根部，并在24 h内迁移到达植物木质部导管，然后进行繁殖和传播。一部分青枯菌以游离状态随木质部导管的水分运输移动，另一部分则利用蹭行运动沿着导管壁移动进而形成生物膜，最终堵塞导管致使植物缺水死亡（图1）。
注：接种青枯菌48 h后，番茄茎横切面中绿色荧光青枯菌的分布（图A-D）。健康番茄植株（图E）和接种病原菌番茄植株（图F-H）木质部电镜图
木质部导管是指植物体内具有输导和机械作用的一种复合组织，由导管、管胞、木纤维和木薄壁细胞等组成，常与韧皮部结合组成维管束，分布在植物体内形成维管系统。导管形成相互连接的网络，在相邻导管之间以及导管与细胞之间存在由纤维素和果胶组成的半透性膜凹坑，允许小分子和水通过，通常不允许微生物在维管束之间迁移。木质部液体在张力和根压的作用下，从根部流向木质部。根据木质部的特点，青枯菌的侵染可能从以下三个途径阻碍木质部的功能（图2）：菌体和胞外多糖（EPS）阻塞木质部导管；胼胝质（植物免疫的一种形式）阻塞导管；气体栓塞（由青枯菌破坏木质部凹膜或反硝化呼吸作用引起）。
图2细菌枯萎病期间可能导致植物导管功能障碍的机制
群体感应(Quorum sensing, QS) 指的是细菌根据其细胞密度变化进行基因表达调控的一种生理行为，是细菌感知种群数量、实现种内通讯、调控侵染致病的重要机制。随着病原菌数量的增加，QS信号不断积累，从而调控生存与致病相关基因的表达。青枯菌的毒力行为主要受到其群感效应系统的中心因子phcA调控，当QS信号分子积累至一定程度时，激活胞外多糖、纤维素酶等毒力基因的表达，同时也会抑制铁载体的产生、泳动性等其他的毒力特性（图3）。有研究表明，青枯菌在植物体内和培养基中的QS调控网络存在一定差异，许多基因在培养基中差异表达基因，在植物中不表达。这可能归因于植物复杂的木质部环境中液体的流动减弱了局部群感效应信号分子的浓度，从而影响青枯菌的群体感应。
附着行为和生物膜的形成能力对青枯菌在植物木质部导管中的定殖至关重要，同时也受到QS系统的调控。研究发现，∆phcA突变菌株在番茄根系的附着能力强于野生型菌株，在木质部导管内形成的生物膜相对较厚，但突变株无法在载玻片或聚氯乙烯表面的附着。这表明，青枯菌可能通过QS系统调节附着能力来适应不同环境。在木质部导管中，青枯菌可以通过泳动的形式离开生物膜，利用IV型菌毛进行蹭行运动，沿着导管液体流动的方向逆流而下。在灌根接种和茎部注射接种试验中发现，IV型菌毛缺失的pilA和pilQ突变菌株在番茄植物上的致病力均有所降低，表明IV型菌毛在青枯菌侵染的不同阶段发挥着重要作用。体外研究表明，在高细胞密度下，QS系统调控抑制了青枯菌的颤动行为，但转录组数据表明PhcA不调控植物IV型菌毛基因的表达，这说明木质部环境影响了青枯菌QS系统的调控网络。
图3 Phc群体感应对青枯菌生存与致病行为的调控机制
蓝色字体表示在体内外培养条件下受到QS系统调控的行为。体外培养条件下，高细胞密度抑制了IV型菌毛和III型分泌基因的表达
植物木质部导管为青枯病菌的定殖提供了适宜的生态位，其独特的环境为青枯菌引发植株发病提供了合适的条件。通过建模、代谢组学和转录组学研究表明，青枯菌可以附着在木质部壁上并形成生物膜来使自身免受木质部导管中汁液流动的影响。在木质部环境中，QS系统介导青枯菌产生了两种生存形式：一种以附着于木质部导管壁的形式存在，可以吸收多种营养物质；一种以游离状态的形式存在，可以专门吸收一些丰富存在的营养物质，产生毒力因子，并在植物体内传播。本文对青枯菌在木质部导管中复杂的生存与致病行为及其调控机制进行了全面的分析，为设计靶向控制策略提供理论依据。
论文信息
原名：How Ralstonia solanacearum Exploits and Thrives in the Flowing Plant Xylem Environment
译名：青枯菌如何在植物木质部导管中定殖与复制
期刊：Trends in Microbiology
发表时间：2018.11
通讯作者：Caitilyn Allen
通讯作者单位：威斯康星大学麦迪逊分校