小蘖碱对水稻白叶枯病菌及细菌性条斑病菌作用机制分析

Rice bacterial blight and bacterial leaf streak disease have become serious threat to rice production. Chemical control is still one of the important control measurements. However, only a few bactericides could be used to control these diseases. Efficient and safe bactericides should be developed as soon as possible. Plant antibacterial substances provided important inspirations to develop modern pesticides, but people were mostly focuses upon testing biological activities and control efficiency of antibacterial substances, there were few insightful researches on antibacterial mechanisms of these plant substances. Preliminary research of the project found that berberine isolated from Mahonia fortunel had wide antimicrobial spectrums, strong activities, good control effect on rice bacterial blight disease and bacterial leaf streak disease. In this project, the abnormal manifestation of the two pathogenic bacteria, which showed in cell morphology, the level of physiological and biochemical and molecular, could be determinated by means of the plant pathology, biochemical and molecular biological technologies. Combine with the functional genetic analysis of pathogens, the antibacterial mechanisms of berberine and their differences would be revealed from cell and molecular level. The studies will provide a theoretical basis for the use of berberine against rice leaf blight and bacterial leaf streak disease, and provide ideas for the comprehensive development and utilization of berberine.

水稻白叶枯病和细菌性条斑病是是严重威胁水稻生产的两种细菌性病害，药剂防治仍然是当前防治这两种病害的重要手段之一，但目前可用于防治这两种病害的药剂品种偏少，需要尽快研发出高效安全环保的药剂。植物抑菌物质对研究现代农药具有巨大启发价值，但大家多关注于这些物质的活性评价及防效测定上，有关它们抑菌机理的研究并不透彻。本项目组在前期研究工作中发现，从狭叶十大功劳中分离出的小蘖碱具有抑菌谱广、抑菌活性强的特点，并对水稻白叶枯病和细菌性条斑病表现出较好的防效。本项目拟结合植物病理学、生物化学和分子生物学研究技术，通过分析小檗碱作用后两种致病菌在细胞形态、代谢活动上的异常表现，结合已知致病菌基因组的功能阐释，从细胞水平和分子水平揭示小檗碱的作用机制及其差异性，研究结果将为利用小檗碱研发防治水稻白叶枯病和细菌性条斑病的新型杀菌剂奠定理论基础，并为多途径开发利用小蘖碱提供思路。

小檗碱是一种植物源抗菌药物，近些年亦被用作农用杀菌剂。前期试验发现，小檗碱对水稻白叶枯病菌（Xanthomonas oryzae pv. oryzae，Xoo）菌株Xoo-GX13和水稻细菌性条斑病菌（Xanthomonas oryzae pv. oryzicola，Xoc）菌株Xoc-GX13的生长有较强的抑制作用，但其抑菌机制尚不清楚。本研究对Xoo和Xoc在小檗碱作用下的生理和转录反应进行了分析。发现经小檗碱处理后，Xoo-GX13和Xoc-GX13菌株对水稻品种玉丝占的毒力、胞外多糖（EPS）含量、胞外酶（纤维素酶、蛋白酶、淀粉酶）和苹果酸脱氢酶活性下降，丙酮酸和三磷酸腺苷含量升高。同时，细菌的生物膜合成能力受到抑制，细胞结构受到破坏。利用基于RNA-seq的转录组分析研究Xoo和Xoc在小檗碱作用下的转录反应。对于Xoo-GX13菌株，涉及II型分泌系统（T2SS）的基因gspD、gspE和gsp、与III型分泌系统（T3SS）相关的的基因hrcC、hrcJ、hrcN等、与EPS相关的gumB和gumC基因、 涉及细胞分裂的基因zapE、 ftsQ 和zapA、与细胞膜功能相关的lpxH、lpxK、kdtA等基因，以及编码丙酮酸激酶、磷酸甘油酸激酶和苹果酸脱氢酶的基因pyk、pgk和mdh均表达下调。对于Xoc-GX13菌株，与Ⅱ型分泌系统（T2SS）相关的xpsD、xpsF和xpsM等基因、与Ⅲ型分泌系统（T3SS）相关的hrcC、hrcJ、hrcN和hrcQ等基因、与EPS相关的gumF和gumI基因，以及与细胞结构与功能相关的murD、lpxA、lpxH、lpxL、fabG和fabZ等基因均被下调表达。此外，与丙酮酸代谢途径相关的ppc、aceF和lpdA等基因也下调表达。但对于这两种菌，与氧化磷酸化途径相关的NADH脱氢酶和ATP合成酶编码基因以及与趋化性相关的编码基因均显著上调表达。推测小檗碱对Xoo-GX13和XocGX13菌株的抑菌作用可能与其影响病菌的细胞结构和能量代谢有关；同时，小檗碱影响病菌T2SS 、T3SS、生物膜和EPS合成相关基因的差异表达，从而影响病菌的致病力。该项目的开展为利用小檗碱研发防治水稻白叶枯病和细菌性条斑病的新农药奠定理论基础，同时对于深入研究两种病菌的致病基因功能以及提供药物防治的靶标具有重要参考价值。