水稻条斑病菌磷酸盐代谢调控系统在致病中作用机理的研究

Phosphorus is one the vital elements for all organisms. Bacteria mainly depend on the phosphate regulatory system to sense the phosphate signal from environments and to regulate the phosphate metabolism. It has been known that the phosphate regulatory system (Pho/Pst system) comprises a two-component signal transduction system (PhoBR) and a phosphate-specific transport (Pst) and is widely distributed in the gram negative bacteria. The rice bacterial leaf streak disease pathogen Xanthomonas oryzae pathovar oryzicola (hereafter Xoc) GX01 strain contains the genes encoding the Pho/Pst system. The pilot experimental results showed that the mutation in phoB resulted in significantly reduction in virulence, motility and adaptation of Xoc, suggesting that the Pho/Pst system might be involved in the pathogenesis of this pathogen. The overall aims of this proposal are to elucidate the function of the Pho/Pst system in the pathogenesis of Xoc. The major research contents include: 1. to obtain the PhoB regulon of Xoc, to analyze the phosphate relevant pathways, and to identify the key genes in Pho/Pst system of Xoc; 2. to test the expression status of these key genes while the bacteria cultivated in the media with different phosphate levels, and the bacteria infected in the host tissues, by using reporter genes and RT-PCR method; 3. to test the contribution of the certain key genes to the virulence of Xoc by using the their mutants; 4. to inoculate the rice plants growing in different phosphate nutrient levels with the Xoc strains, to observe the bacterial growth and the expression status of the Pho/Pst genes. The results in this project will facilitate the elucidation of the relationship between Pho/Pst and pathogenesis of this phytopathogenic bacterium.

磷是生命体重要的营养元素，细菌主要依靠磷酸盐调控系统（Pho/Pst）响应环境磷信号，并调节磷酸盐代谢。该系统至少由一个双组份调控系统和一个磷酸盐特异转运系统组成，广泛存在于革兰氏阴性细菌中。水稻条斑病菌GX01菌株中具有完整的编码这一系统的基因，先导试验结果显示phoB基因突变引起该菌毒力下降，运动性和抗逆性降低，提示该菌的磷酸盐调控可能与致病相关。本申请的研究任务包括：1.首先获得该菌的Pho调控元，分析受PhoB影响的代谢途径，鉴定磷酸盐调控系统的关键基因；2.借助报告子基因和RT-PCR方法观察病菌在不同磷水平或寄主体内，磷酸盐调控系统关键基因的表达状况；3.对这些关键基因进行突变，检测它们对水稻条斑病菌致病的贡献力；4.对不同施磷水平的水稻植株进行接种，观察条斑病的发病进程与Pho/Pst基因表达状况。研究目标是揭示水稻条斑病菌磷酸盐调控系统与该病菌的环境适应、致病机制的关系。

磷是最重要的生命元素之一，在植物与病原微生物相互作用过程中，磷酸盐也是双方争夺的主要营养。然而，磷酸盐代谢调控与病害发生的关系尚不清楚。水稻条斑病菌（Xoc）是重要的水稻病原之一，其引起的水稻条斑病严重影响水稻的产量和品质，亟待发展新型的防治病害的药物和方法。本研究以水稻条斑病菌GX01菌株为材料，首先通过转录组和蛋白质组学技术，分析足磷、缺磷下Xoc GX01的差异表达基因，鉴定到了响应磷胁迫信号的一对双组份调控基因phoB和phoR。采用同源双交换方法，获得了phoB和phoR的定点突变体和双缺失突变体。生物学表型和致病力检测表明，phoB或phoR突变导致水稻条斑病菌产生胞外多糖、胞外蛋白酶的能力降低，形成生物膜的能力下降，水稻致病力显著降低。采用RNA-seq 技术，获得了PhoB调控子的调控元，PhoB基因调控的基因总数（调控元）为311个，其中正调控215个，负调控96个。代谢途径富集结果表明，phoB基因正调控的主要代谢途径包括：磷酸转运系统基因；与磷酸代谢的相关基因、碳代谢、能量代谢有关的基因；趋化与运动；染色体复制、DNA 拓扑异构酶、蛋白质翻译等有关的基因等。负调控的主要代谢途径包括：硫酸盐吸收相关基因、氨基酸合成相关基因、氨态氮吸收相关基因、镁离子转运载体相关基因、胞外多糖合成相关基因、磷酸-果糖转运系统基因、细菌应急素(p)ppGpp合成酶基因relA、III型分泌系统调控基因hrpX、逆境适应相关基因等。表明PhoB是水稻条斑病菌的全局调控因子，不仅调控调控磷酸的吸收、代谢，以及其他元素的吸收、代谢，而且调控与能量代谢有关的基因，同时对致病、逆境适应相关的基因调控。该研究揭示，当环境中的磷酸盐缺乏时，细菌不但没有因为营养缺乏而丧失致病性，反而启动了大量致病相关的基因。也就是说，低磷胁迫作为一种环境信号，激发了水稻条斑病菌重要致病系统基因的表达。这一结果提示，通过改变环境营养成分，调控病原细菌的毒力，使其侵染能力下降。研究为进一步研究水稻-病原菌互作机制，为水稻病害防控提供新的靶标和策略。