细菌毒素在病原物致病过程中的作用

张婷玉　叶建仁

摘 要 植物病原细菌毒素是重要的植物病原毒素，其化学类别，包括胞外多糖、有机酸、肽、糖肽等。不少植物病原菌引起病害与病原菌产生的植物毒素有关，致病毒素是诱发植物病害的一类重要化合物，其主要伤害效果是：作用于质膜，所以原生质体肿胀，电解质渗漏；抑制光合作用的ATP磷酸化的合成，从而引起能量匮乏，导致体内合成的破坏，影响叶绿素的合成；结合原生质膜蛋白，从而导致宿主感染。由此，主要综述了两大类细菌毒素在病原物致病过程中的作用研究进展。

关键词 细菌毒素；致病作用；研究进展

中图分类号：S435.72 文献标志码：A 文章编号：1673-890X（2014）24--03

最近几十年的研究表明，植物病原体毒力因子主要有3类：酶、毒素和激素，其中所述毒素（Toxin）是研究最多的，被认为是一类致病因素，与病程密切相关。细菌毒素通常分为两种类型，分别是内毒素和外毒素。

寄主细胞质膜、线粒体、叶绿体等细胞结构是毒素作用的主要点位，毒素破坏细胞的膜系统，严重影响寄主植株的代谢过程，并使能量发生改变，引起其蛋白、核酸、酶等一系列不良反应，导致生理失调，细胞死亡以至植株死亡[1]。严格地确认毒素在致病过程中的作用是非常重要的，因为如果证明主要的致病因子或诱发感病因子是它，那么有必要进一步了解其结构的作用的目的、特性和模式，从而针对该毒素研发拥有抑制、降解或纯化效果的新型农药，达到防治病害的目的[2]。

植物细菌毒素主要有2种类型的毒素引起褪绿症状，主要是假单胞菌，另一个导致萎蔫植物毒素，主要是欧氏杆菌属、黄单胞菌属和棒形杆菌属。由此，以病害为例介绍了这4种属的细菌毒素在病原物致病过程中的作用研究进展。

1 假单胞菌属毒素在致病过程中的作用研究进展

大多数假单胞菌属的细菌是土壤，水和其他基质上的腐生真菌和一些植物病原细菌。其具有广泛的生态适应性，且表型差异较大，是一个非常庞杂的群体。

1.1 大豆细菌性斑点病

大豆细菌性斑点病（Bacterial Blisht of Soybean）是造成大豆减产的主要原因。该病症是一种由丁香假单胞大豆致病变种（Pseudomonas syringae pv.glycineal（Coeper）Young et.al）引起的世界性病害。

子叶被首次感染往往会导致第2次感染幼苗，并且当环境条件适宜，通过风雨，昆虫和其他人类和动物的品系扩散至豆株，然后，通过孔和伤口感染，潜伏、孕育2～3 d后，可引起叶病，细菌侵袭后产生毒素抑制叶绿素的生产活动，5～7 d后，叶肉细胞的间隙中充满细菌液，导致叶片出现典型的水渍状侵染[3]。

1.2 烟草野火病

烟草野火病是由Pseudomonas syringae pv. tabaci引起的细菌性病害。病菌在培养过程中能分泌出干扰宿主细胞的代谢和影响叶绿素合成的毒素[4-5]。1925年，JOHNSON等报道了野火病菌毒素是烟草野火病致病的重要因子[6-7]。

烟草野火感染后叶，产生细菌毒素，即烟草野火菌毒素（tab toxin），干扰宿主细胞的新陈代谢，并间接影响叶绿素的合成，形成野火病

症[4，5]。烟草野火病的病变是小面积的中央坏死，大范围的黄色光环包围圈是由毒素所导致。野火毒素已经发现，抑制谷氨酰胺合成酶的机制，导致氨的积累[8，9]。

1.3 菜豆晕疫病

菜豆晕疫病菌的致病机理：该病原菌能产生一种三肽形式的云扁豆蛋白毒素（phaseolotoxin），于植物细胞内分解产生的鸟氨酸类似物，抑制了位于植物细胞叶绿体中参与氨基酸合成的鸟氨酸氨甲酰转移酶（ornithine carbamoyltransferase，OCTase）的活性[10]。

1.4 青枯病

青枯病真菌在植物中可产生大量的粘性物质的，阻碍流体导管的流动，从而引起维管束的闭塞萎蔫。青枯病粘性物质的主要成分是酸性胞外多糖（EPSⅠ），通过致病EPS的野生型菌株Ⅰ与每股收益对比发现缺陷型突变株Ⅰ：因为酸性胞内胞外多糖的植物的主要原因萎蔫主要由粘性物质堵塞导管，留下过量的流体静压力管道破裂和促进细菌移动、细胞增殖和扩散[11]。

2 欧式杆菌属毒素在致病过程中的作用研究进展

欧氏杆菌属是人类发现的第一个植物病原细菌。迄今发现的植物病原细菌一部分是植物病原细菌，含有超过30个种，最常见的软腐病也是由其所引起，还有萎蔫和外丝。典型的为梨火疫病E.amylovora和玉米细菌性枯萎病E.stewartii，被我国许多省市地方检疫部门列为也有害细菌；另有土豆和白菜软腐，由欧文氏菌所引起的细菌性软腐病发生在世界各地，对生产活动造成非常重要的影响。

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。该病在北美一直是导致梨、苹果、樱桃等果树遭受毁灭性病变的细菌病害，也是最古老、研究最深入的植物病害之一。

致病菌是以液体渗出或在空中的颗粒通过风、雨和昆虫传播的形式接触到花或幼枝，通过自然腔道的形式侵入，更主要的是通过伤口来侵入。对于火疫病毒火疫病的症状，并确认了与细菌产生的多糖毒素有关。淀粉欧文氏液（Erwinia amylovora，EA）能分泌胞外多糖（exopolysac - charide，EPS）和HRP之间的蛋白质，苹果公司在1974年和梨等寄主植物造成火疫病[12]，加大木质部水流阻力是病菌毒素的具体作用方式。

2.2 水稻细菌性基腐病

水稻的一种重要病害——水稻细菌性基腐病是由Dickeya zeae（Erwinia chrysanthemi pv.zeae）所引起的。endprint

水稻基腐病菌可产生一种非专化性毒素，其作用在于抑制水稻种子萌发和使烟草细胞死亡[13]。烟草叶被注射水稻基腐病菌毒素后，烟草细胞中大量增加超氧离子和NO，H2O2含量有较为明显的下降，SOD、CAT和POD等酶的活性发生变化。毒素诱导烟草细胞死亡，但没有程序性细胞死亡（PCD）的DNA梯特征。烟草叶片被病菌毒素处理后，电导率增大，导致细胞膜透性增加。烟草细胞超微结构的电镜观察表明，毒素48 h后，细胞内容物彻底清除，细胞膜消失，细胞壁收缩变形。其原因可能是由于内毒素诱导的烟草细胞中产生大量的超氧化物阴离子自由基，膜系统中的不饱和脂肪酸遭到攻击，被氧化，从而导致损害的膜系统中，细胞内的离子的异常泄漏。细胞的超微结构电镜观察发现，毒素作用的初始位点很可能是叶绿体[14]。

3 棒形杆菌属毒素在致病过程中的作用研究进展

棒形杆菌属Clavibacter是由Corynebacterium中分列出来的一个新的棒杆菌从属。国内发现最典型的植物病原细菌病害中，有马铃薯环腐病菌Clavibacter michiganensis subsp. sepedonicus，此病在国内主要马铃薯产区均有分布。另外在国内华北冬麦区、山东省、安徽省、江苏省、浙江省、贵州省等已发现由线虫传播引起的小麦蜜穗病菌（C.tritici）的存在。

棒杆菌毒素都是致萎毒素，马铃薯环腐病菌产生一种致萎糖肽，毒素的作用位点在细胞膜上；以后又相继发现苜蓿萎蔫病菌（C.m.subsp.insidiosus）毒素和番茄溃疡病菌（C.m.subsp.michiganesis）毒素的化学结构均为糖肽[15]。苜蓿萎蔫病菌毒素通过阻塞导管纹孔膜孔导致其萎蔫；而小叶导管却是番茄溃疡病菌毒素主的要作用部位。

4 黄单胞菌属毒素在致病过程中的作用研究进展

黄单胞菌作为细菌中的特殊群体之一，可破坏超过120种单子叶植物和超过270种双子叶植物。大多数由黄单胞菌属细菌引起的植物疾病症状为叶枯、坏死、萎蔫等症状[16]。

4.1 水稻白叶枯病菌

水稻白叶枯病菌毒素引起稻苗萎蔫、根芽生长受抑制和根冠细胞死亡，其在水稻叶片上形成与病菌侵染相似的症状。毒素的毒性大小与产毒素菌的致病力强弱成正比。白叶枯病菌产生的毒素既有强弱多少之分，也有宿主特异性差异。这可能与品种抗性表现有着密切关系[17]。

水稻白叶枯病菌毒素处理烟草叶后，烟草细胞膜透性于2 h内迅速上升[18]。毒素对微丝的分布有很大的影响，这一现象被证明于Lei等[19]的实验，利用白叶枯病菌菌株Ah28产生的毒素，处理水稻野败型细胞质雄性不育系珍汕97A后，其根冠细胞微丝的密集分布被破坏，纤丝状微丝不复存在，转而形成粗束或碎片状。

4.2 甘蓝黑腐病菌

十字花科黑腐病是由花菜、甘蓝黑腐病菌（Xanthomonas campestris pv.campestris（Pammel）Dowson）引起的世界性病害。19世纪90年代，导致威斯康辛州东南部的甘蓝生产遭到了严重的破坏。

甘蓝黑腐黄单胞菌（Xanthomonas campestris）产生的EPS会导致病症呈现水浸状和萎蔫状[20，21]。

5 总结与展望

关于毒素的评价标准发病机制中的作用，证明的关键在于：①致病性与活体外产生毒素的水平有关，病株中也可分离出毒素；②纯化毒素重现疾病的症状；③植物的感病性与对毒素的敏感性有关；④遗传分析证明病原物毒素基因与寄主植物对毒素的敏感性基因相关[22]。

人们在研究毒素致病机制的过程中也在积极探索其利用的途径。烟草野火病菌毒素或其结构类似物作为选择剂已成功地运用于筛选抗性植株；基因操作技术也被运用于此处，将从该病菌中克隆到的抗烟毒素基因导入烟草中，获得的抗野火病菌转基因植株[23]。可预见，毒素化学和分子生物学的研究越是深入，毒素的应用前景将会越加广阔。

参考文献

[1]何凡，范鸿雁，华敏.植物病原毒素[J].热带农业科学，2006，26（3）：70-76.

[2]王军.病原菌毒素对植物的致病作用[J].中国森林病虫，2001，（6）：9 -11.

[3]张金梅.大豆细菌性斑点病原物的分离鉴定及其两个Ⅲ型效应因子的克隆与功能研究[D].南京农业大学，2011.

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

[5]刘雅婷，张世.烟草野火病的研究进展[J].云南农业大学学报，2002，17（2）：197 -200.

[6]吕军鸿，张广民，丁爱云，等.烟草野火病菌毒素研究进展[J].微生物学通报，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]章元寿.植物病理生理学[M].南京：江苏科学技术出版社，1993：87-89.

[9]高必达.植物抗病基因工程研究进展[J].湖南农学院学报，1994，20（6）：587 -596.

[10]张淑珍.植物病原菌毒素研究进展[J].黑龙江农业科学，2001，（2）：42-43.

[11]王军.青枯菌对植物的致病机制及其调节[J].林业科学，2005，41（3）：142-147.

[12]张立群，田涛，梅桂英.群体感应淬灭-防治植物细菌病害的新策略[J].中国生物防治，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 （微生物学报），2008，48（11）：1499 -1506.

[14]刘琼光，张静一，冯敏珊，等.水稻基腐病菌毒素对烟草活性氧代谢及细胞超微结构的影响[J].植物病理学报，2009，39（3）：262-271.

[15]梁波.松材线虫携带致病细菌产生的毒素的初步研究[D].南京林业大学，2003.

[16]彭炜.植物细菌性病害和病原细菌分类研究进展[R].公共植保与绿色防控，2010.

[17]孔繁明，许志刚，马春红，等.水稻白叶枯病菌毒素对水稻不育系珍汕97A的专化毒性[J].植物病理学报，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 （植物病理学报），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（生物学杂志），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.植物病原细菌学[M ].北京：中国农业出版社，2000：45-47.

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

（责任编辑：刘昀）endprint