細菌毒素在病原物致病過程中的作用

張婷玉　葉建仁

摘 要 植物病原細菌毒素是重要的植物病原毒素，其化學類別，包括胞外多糖、有機酸、肽、糖肽等。不少植物病原菌引起病害與病原菌產生的植物毒素有關，致病毒素是誘發植物病害的一類重要化合物，其主要傷害效果是：作用于質膜，所以原生質體腫脹，電解質滲漏；抑制光合作用的ATP磷酸化的合成，從而引起能量匱乏，導致體內合成的破壞，影響葉綠素的合成；結合原生質膜蛋白，從而導致宿主感染。由此，主要綜述了兩大類細菌毒素在病原物致病過程中的作用研究進展。

關鍵詞 細菌毒素；致病作用；研究進展

中圖分類號：S435.72 文獻標志碼：A 文章編號：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：酶、毒素和激素，其中所述毒素（Toxin）是研究最多的，被認為是一類致病因素，與病程密切相關。細菌毒素通常分為兩種類型，分別是內毒素和外毒素。

寄主細胞質膜、線粒體、葉綠體等細胞結構是毒素作用的主要點位，毒素破壞細胞的膜系統，嚴重影響寄主植株的代謝過程，并使能量發生改變，引起其蛋白、核酸、酶等一系列不良反應，導致生理失調，細胞死亡以至植株死亡[1]。嚴格地確認毒素在致病過程中的作用是非常重要的，因為如果證明主要的致病因子或誘發感病因子是它，那么有必要進一步了解其結構的作用的目的、特性和模式，從而針對該毒素研發擁有抑制、降解或純化效果的新型農藥，達到防治病害的目的[2]。

植物細菌毒素主要有2種類型的毒素引起褪綠癥狀，主要是假單胞菌，另一個導致萎蔫植物毒素，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種屬的細菌毒素在病原物致病過程中的作用研究進展。

1 假單胞菌屬毒素在致病過程中的作用研究進展

大多數假單胞菌屬的細菌是土壤，水和其他基質上的腐生真菌和一些植物病原細菌。其具有廣泛的生態適應性，且表型差異較大，是一個非常龐雜的群體。

1.1 大豆細菌性斑點病

大豆細菌性斑點病（Bacterial Blisht of Soybean）是造成大豆減產的主要原因。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導致第2次感染幼苗，并且當環境條件適宜，通過風雨，昆蟲和其他人類和動物的品系擴散至豆株，然后，通過孔和傷口感染，潛伏、孕育2～3 d后，可引起葉病，細菌侵襲后產生毒素抑制葉綠素的生產活動，5～7 d后，葉肉細胞的間隙中充滿細菌液，導致葉片出現典型的水漬狀侵染[3]。

1.2 煙草野火病

煙草野火病是由Pseudomonas syringae pv. tabaci引起的細菌性病害。病菌在培養過程中能分泌出干擾宿主細胞的代謝和影響葉綠素合成的毒素[4-5]。1925年，JOHNSON等報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，產生細菌毒素，即煙草野火菌毒素（tab toxin），干擾宿主細胞的新陳代謝，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，大范圍的黃色光環包圍圈是由毒素所導致。野火毒素已經發現，抑制谷氨酰胺合成酶的機制，導致氨的積累[8，9]。

1.3 菜豆暈疫病

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

1.4 青枯病

青枯病真菌在植物中可產生大量的粘性物質的，阻礙流體導管的流動，從而引起維管束的閉塞萎蔫。青枯病粘性物質的主要成分是酸性胞外多糖（EPSⅠ），通過致病EPS的野生型菌株Ⅰ與每股收益對比發現缺陷型突變株Ⅰ：因為酸性胞內胞外多糖的植物的主要原因萎蔫主要由粘性物質堵塞導管，留下過量的流體靜壓力管道破裂和促進細菌移動、細胞增殖和擴散[11]。

2 歐式桿菌屬毒素在致病過程中的作用研究進展

歐氏桿菌屬是人類發現的第一個植物病原細菌。迄今發現的植物病原細菌一部分是植物病原細菌，含有超過30個種，最常見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和玉米細菌性枯萎病E.stewartii，被我國許多省市地方檢疫部門列為也有害細菌；另有土豆和白菜軟腐，由歐文氏菌所引起的細菌性軟腐病發生在世界各地，對生產活動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致梨、蘋果、櫻桃等果樹遭受毀滅性病變的細菌病害，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風、雨和昆蟲傳播的形式接觸到花或幼枝，通過自然腔道的形式侵入，更主要的是通過傷口來侵入。對于火疫病毒火疫病的癥狀，并確認了與細菌產生的多糖毒素有關。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，蘋果公司在1974年和梨等寄主植物造成火疫病[12]，加大木質部水流阻力是病菌毒素的具體作用方式。

2.2 水稻細菌性基腐病

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

水稻基腐病菌可產生一種非專化性毒素，其作用在于抑制水稻種子萌發和使煙草細胞死亡[13]。煙草葉被注射水稻基腐病菌毒素后，煙草細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等酶的活性發生變化。毒素誘導煙草細胞死亡，但沒有程序性細胞死亡（PCD）的DNA梯特征。煙草葉片被病菌毒素處理后，電導率增大，導致細胞膜透性增加。煙草細胞超微結構的電鏡觀察表明，毒素48 h后，細胞內容物徹底清除，細胞膜消失，細胞壁收縮變形。其原因可能是由于內毒素誘導的煙草細胞中產生大量的超氧化物陰離子自由基，膜系統中的不飽和脂肪酸遭到攻擊，被氧化，從而導致損害的膜系統中，細胞內的離子的異常泄漏。細胞的超微結構電鏡觀察發現，毒素作用的初始位點很可能是葉綠體[14]。

3 棒形桿菌屬毒素在致病過程中的作用研究進展

棒形桿菌屬Clavibacter是由Corynebacterium中分列出來的一個新的棒桿菌從屬。國內發現最典型的植物病原細菌病害中，有馬鈴薯環腐病菌Clavibacter michiganensis subsp. sepedonicus，此病在國內主要馬鈴薯產區均有分布。另外在國內華北冬麥區、山東省、安徽省、江蘇省、浙江省、貴州省等已發現由線蟲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，馬鈴薯環腐病菌產生一種致萎糖肽，毒素的作用位點在細胞膜上；以后又相繼發現苜蓿萎蔫病菌（C.m.subsp.insidiosus）毒素和番茄潰瘍病菌（C.m.subsp.michiganesis）毒素的化學結構均為糖肽[15]。苜蓿萎蔫病菌毒素通過阻塞導管紋孔膜孔導致其萎蔫；而小葉導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程中的作用研究進展

黃單胞菌作為細菌中的特殊群體之一，可破壞超過120種單子葉植物和超過270種雙子葉植物。大多數由黃單胞菌屬細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、根芽生長受抑制和根冠細胞死亡，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毒素菌的致病力強弱成正比。白葉枯病菌產生的毒素既有強弱多少之分，也有宿主特異性差異。這可能與品種抗性表現有著密切關系[17]。

水稻白葉枯病菌毒素處理煙草葉后，煙草細胞膜透性于2 h內迅速上升[18]。毒素對微絲的分布有很大的影響，這一現象被證明于Lei等[19]的實驗，利用白葉枯病菌菌株Ah28產生的毒素，處理水稻野敗型細胞質雄性不育系珍汕97A后，其根冠細胞微絲的密集分布被破壞，纖絲狀微絲不復存在，轉而形成粗束或碎片狀。

4.2 甘藍黑腐病菌

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

甘藍黑腐黃單胞菌（Xanthomonas campestris）產生的EPS會導致病癥呈現水浸狀和萎蔫狀[20，21]。

5 總結與展望

關于毒素的評價標準發病機制中的作用，證明的關鍵在于：①致病性與活體外產生毒素的水平有關，病株中也可分離出毒素；②純化毒素重現疾病的癥狀；③植物的感病性與對毒素的敏感性有關；④遺傳分析證明病原物毒素基因與寄主植物對毒素的敏感性基因相關[22]。

人們在研究毒素致病機制的過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構類似物作為選擇劑已成功地運用于篩選抗性植株；基因操作技術也被運用于此處，將從該病菌中克隆到的抗煙毒素基因導入煙草中，獲得的抗野火病菌轉基因植株[23]。可預見，毒素化學和分子生物學的研究越是深入，毒素的應用前景將會越加廣闊。

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（責任編輯：劉昀）endprint