《Journal of General Plant Pathology》：Tabtoxin biosynthetic gene cluster in Pseudomonas syringae pv. tabaci 6605 genomic island 1 (GI-1Pta6605) is required for severe disease symptoms
编辑推荐：
为明确烟草野火病病原菌Pseudomonas syringaepv. tabaci6605基因组岛GI-1Pta6605中不同功能区域对其致病力的具体贡献，研究人员通过构建一系列缺失突变体开展研究。结果表明，包含烟草毒素合成基因簇的货物区CR-4是导致严重病害症状所必需的，但对病菌在烟草中的定殖影响较小，该研究揭示了毒素在引发病害中的独特作用。
在植物与病原菌之间永不停息的“军备竞赛”中，植物病原细菌进化出了精妙复杂的武器库来入侵和感染宿主植物。丁香假单胞菌（Pseudomonas syringae）就是其中的一位“多面手”，它能引发多种作物的病害，造成巨大的经济损失。由其致病变种tabaci引起的烟草野火病，是烟草生产中的一种毁灭性病害，其典型症状是叶片上出现带有黄晕的坏死斑，犹如野火燎原。那么，这种细菌究竟靠哪些“致命武器”来攻击烟草呢？
科学家们将目光投向了一种名为基因组岛（Genomic Island， GI）的DNA片段。这些岛屿是细菌基因组的可移动部分，常常携带着与细菌适应性，特别是与致病性相关的“货物基因”。在烟草野火病模式菌株Pta6605中，就存在一个编号为GI-1Pta6605的基因组岛。此前的研究已经发现，删除整个GI-1Pta6605几乎会让菌株在烟草上丧失致病能力，这表明该岛屿是一个至关重要的致病性岛。然而，这个“岛屿”面积不小，上面“装载”着多个功能不同的“货物区”，究竟哪一个才是引发严重病害的核心“武器”？这个问题尚未得到解答。为了精确锁定目标，揭开烟草野火病菌的致病奥秘，研究人员在《Journal of General Plant Pathology》上发表了这项精细的研究。
研究人员主要运用了几项关键技术来开展此项工作。首先是基因敲除技术，利用同源重组和接合转移，分别构建了GI-1Pta6605中四个货物区（CR-1至CR-4）的特异性缺失突变体。其次是毒素生物测定法，通过观察细菌产生的烟草毒素对大肠杆菌的抑菌圈，来检测突变体的毒素生产能力。最后是植物病理学实验，使用本氏烟和烟草品种Xanthi，通过浸灌接种法和渗透接种法，系统地评估了野生型菌株和各突变体在烟草植株上的致病能力（症状发展）和细菌生长动态。
研究结果
- •
生成各货物区的缺失突变体：
研究人员首先成功构建了Pta6605野生型以及缺失整个GI-1（?GI-1）和分别缺失四个货物区CR-1至CR-4的突变体菌株，为后续的功能比较奠定了基础。
- •
烟草毒素（tabtoxin）测定：
通过生物测定发现，野生型、?CR-1、?CR-2和?CR-3菌株均能产生烟草毒素，在大肠杆菌平板上形成清晰的抑菌圈，而添加外源谷氨酰胺可以消除这种抑制作用。与之形成鲜明对比的是，?GI-1和?CR-4突变体完全丧失了产生烟草毒素的能力。这一结果直接证明了烟草毒素合成基因簇位于CR-4区域内。
- •
致病力（virulence）测定：
在烟草幼苗浸灌接种实验中，野生型菌株引发了严重的黄化和坏死症状。?CR-1、?CR-2和?CR-3突变体也能引起类似的严重症状。然而，?CR-4突变体接种的幼苗却基本保持健康，未出现明显黄化，其表型与?GI-1突变体相似。这清晰地表明，缺失了烟草毒素合成基因簇（CR-4），病菌就失去了引发严重病害症状的能力。
在叶片渗透接种实验中，当使用低浓度菌悬液接种时，野生型及?CR-1、-2、-3突变体接种区域在后期出现了黄化和坏死，而?GI-1和?CR-4接种区域则几乎无变化。当使用高浓度菌悬液接种时，所有菌株（包括?GI-1）最终都能引发坏死，但?CR-4引发症状的时间早于?GI-1。这些结果进一步证实了CR-4（烟草毒素）对病害发展的关键作用，同时也提示其他货物区（CR-1至CR-3）可能对致病力也有一定贡献。
- •
细菌生长（bacterial growth）测定：
测定接种后烟草叶片内的细菌数量发现，在接种后第3天，?CR-1、?CR-2和?CR-3突变体的生长量与野生型相当，而?GI-1和?CR-4的生长量则显著低于野生型。对后两者的持续监测显示，它们的细菌数量在第5天有所上升，但在第7天又下降了。这个结果揭示了一个重要现象：虽然?CR-4突变体不能产生毒素、无法引发严重症状，但它仍然能够在烟草植株中存活并增殖，尽管增殖水平低于野生型。这说明烟草毒素对于病菌在烟草上建立“兼容性”关系（即定殖和存活）并非绝对必需，但它却是导致宿主组织受损、出现病害症状（即毒性）的核心因子。
结论与意义
本研究通过精细的遗传学分析，明确了在烟草野火病菌Pta6605的关键致病性岛GI-1Pta6605中，货物区CR-4所携带的烟草毒素合成基因簇是引发严重病害症状所必需的。缺乏该基因簇的突变体（?CR-4）就像失去了“主战武器”，无法对烟草造成典型的黄化坏死伤害。然而，有趣的是，这个“卸了武装”的突变体仍然能够进入烟草并一定程度地生长，表明毒素主要扮演“伤害执行者”的角色，而非“入侵先锋”。
这一发现具有重要的理论和实际意义。在理论层面，它加深了我们对细菌致病性“分工”的理解。研究呼应了关于丁香假单胞菌致病需要三种能力的观点：侵入宿主、抑制宿主抵抗力和损害宿主。本研究证实，烟草毒素这类代谢毒素主要承担“损害宿主”的功能，而III型分泌系统效应蛋白（T3Es）等则可能更多地负责“抑制宿主抵抗力”。这种功能上的解耦，有助于更精细地解析病原菌与植物互作的复杂网络。
在实际应用层面，该研究为针对烟草野火病的绿色防控策略提供了新的潜在靶点。传统的杀菌剂往往针对细菌的基础生命过程，容易引发抗药性和环境问题。而烟草毒素作为一种关键的致病因子（而非生存必需因子），以其合成或作用途径为靶点开发新型抗病毒剂或植物保护策略，可能更具特异性和环境友好性。此外，识别出毒素合成基因簇位于可移动的基因组岛上，也提醒我们关注病原菌通过水平基因转移获得或丢失毒力基因的进化动态，这对于病害的流行预测和抗病育种具有指导价值。
总之，这项研究像一次精准的“外科手术”，从复杂的致病“武器库”中定位到了导致烟草“重伤”的关键武器——烟草毒素合成基因簇，不仅解答了具体的科学问题，也为我们理解并对抗植物细菌病害提供了新的视角和工具。
