中国瓜菜2016,29(7):1-8
专题综述
瓜菜细菌性病害的防治手段单一,造成了大多
数病原细菌对抗生素及铜制剂产生耐药性。早在1962年美国佛罗里达州就发现了番茄疮痂病菌的
田间链霉素耐药菌株
[1]
,之后有关植物病原细菌耐
药性的报道屡见不鲜。向平安等
[2]
检测了7株不同
来源(中国)的辣椒疮痂病菌(Xanthomonasvesicato⁃
ria),发现4株辣椒疮痂病菌具有较高的链霉素耐
受性。Shenge等
[3]
调查了来自坦桑尼亚番茄产区的
番茄细菌性斑点病病原菌(toria),发现所有菌株对铜制剂均有较高的
耐受性。
病原细菌对抗生素或铜制剂较强的适应性和
耐受性,为瓜菜类致病细菌的防治带来挑战。病原
细菌的耐药机制多种多样,而外排泵的发现,开启
了人类认识病原细菌的新篇章。依赖于能量的外
排泵最早在哺乳动物中发现
[4]
。1983年George和Levy首次报道了细菌的外排泵可以增强其多耐抗
生素的能力
[5]
。之后在Escherichiacoli和Pudomo⁃
nasaeruginosa中发现的以耐药结节分化家族(resis⁃tance-nodulation-divisionfamily,RND)为代表的多
耐药外排泵
[6-10]
成为人们关注的焦点。RND多耐药
外排泵对革兰氏阴性细菌耐药性贡献很大,生物信
息学分析表明RND外排泵广泛存在于瓜菜作物病
原细菌中。瓜菜作物RND外排泵不仅可以外排抗
收稿日期:2016-02-23;修回日期:2016-06-30
基金项目:国家西甜瓜产业技术体系(CARS-26);中国农业科学院科技创新工程项目资助;北京市自然基金(6162023)和公益性行业
(农业)科研专项(201003066)
作者简介:王真,男,在读硕士研究生。研究方向为植物病害综合治理。E-mail:575873060@
通信作者:胡俊,男,教授,植物病害综合治理。E-mail:hujun6202@
赵廷昌,男,研究员,分子植物病理学。E-mail:zhaotgcg@
瓜菜类病原细菌耐药外排泵RND研究进展
王真
1,2
,赵廷昌
2
,杨玉文
2
,关巍
2
,胡俊
1
(1.内蒙古农业大学呼和浩特010019;2.中国农业科学院植物保护研究所·
植物病虫害生物学国家重点实验室北京100193)
摘要:近年来,瓜菜类作物病原细菌的耐药性日益增强,增加了瓜菜相关病害防治的难度。存在于瓜菜作物病原
细菌中的外排泵耐药结节分化家族(RND)与细菌的耐药性及细菌/植物互作关系密切。笔者根据有关文献综述了
RND外排泵的结构与功能、细菌/植物互作过程中外排泵的作用以及外排泵抑制剂(EPIS)的相关研究进展,为瓜类
和蔬菜类作物病原细菌耐药性的研究提供参考。
关键词:葫芦科;蔬菜;病原细菌;耐药性外排泵;细菌/植物互作;外排泵抑制剂
AdvancesinRND-typemulti-drugeffluxpumpsfromcucurbitandveg⁃
etablepathogenicbacteria
WANGZhen1,2,ZHAOTingchang2,YANGYuwen2,GUANWei2,HUJun1
(InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot010019,InnerMongolia,China;uteofPlantProtection,ChineAcademyofAgri⁃
culturalSciences,StateKeyLaboratoryforBiologyofPlantDiasandInctPests,Beijing100193,China)
Abstract:Inrecentyears,drugresistanceofbacteriacausingdiasoncucurbitsandvegetableshasbeenincreasinglyre⁃
poance-nodulation-divisionfamily(RND)is
oneofthemostimportanteffluxpumpfamilyincucurbitandvegetablepathogenicbacteria,whichisclolyrelatedtobacte⁃
riamultiribestructuresandfunctionsof
RNDeffluxpumps,relationshipsbetweeneffluxpumpsandbacterial/plantinteractionsaswellastherelevantrearchofef⁃
fluxpumpinhibitors(EPIS).Thisreviewwillprovidereferencesforfurtherstudiesondrugresistanceofcucurbitandvegeta⁃
blepathogenicbacteria.
Keywords:Cucurbit;Vegetable;Pathogenicbacteria;Multidrugeffluxpump;Bacterial/plantinteractions;Effluxpumpin⁃
hibitors
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中国瓜菜第29卷
专题综述
生素、抗菌素等有害物质,还可以被逆境激活,参与
细菌侵染植物的整个过程
[11-13]
。但相关研究较少,
具体机制还不明确。鉴于此,笔者综述了病原细菌RND外排泵的结构与功能、细菌/植物互作过程中
外排泵的作用及抑制剂等方面的研究进展,以期为
瓜菜作物病原细菌耐药性的研究提供参考。1RND外排泵家族的结构与功能
RND家族是一类三聚体外排泵,包含有内膜蛋
白(IMP),位于周质的膜融合蛋白(MFP)和外膜蛋
白(OMP)
[14]
。这3类蛋白贯穿于细菌的2层膜,协
同完成细菌内有害物质的外排(图1)。可根据其外
排底物的不同将RND外排泵家族分为两类,一类
是疏水性或者两亲性的外排泵(HAE-RND)
[15]
;另一
类是重金属外排泵(HME-RND)。HAE-RND家族
包括AcrAB、MexAB-OprM、MexEF-OprN、MdtAB
和MdtEF等系统,HME-RND家族目前报道的仅有CusCFBA系统[16]
。这2类外排泵广泛存在于瓜类
和蔬菜病原细菌中,笔者以AcrAB和CusCFBA为
代表介绍外排泵的结构与功能。
1.1AcrAB-TolC外排系统的结构与功能
的Acr外排家族系统是RND外排泵研
A:AcrABZ-TolC各部分组成示意图,其中AcrB属于内膜蛋白(IMP),AcrA属于膜周质蛋白(MFP),TolC属于外膜蛋白(OMP)。OM代表
外膜,IM代表内膜。B:AcrB结构中不同阶段外排机理俯视图,图中亚基1、亚基2和亚基3代表了不同的AcrB亚基。
1、外部的凹陷或者裂口通道;2、前庭通道;3、中心区域通道;4、中心腔;5、近端结合区域;6、末梢结合区域;7、漏斗状中心。LMMS代表小
分子质量物质,HMMS代表大分子质量物质。底物分子可以通过1、2和3,3个通道进入AcrB,大分子物质与AcrB在位置5结合,小分子物
质在位置6结合,之后在质子力作用下运输到位置7,最终经过TolC排出细胞外。
图1AcrABZ-TolC外排泵模型[16]
究的模型系统。Acr外排家族系统包括外膜通道TolC、膜内的次级转运蛋白AcrB以及位于周质连接
内外膜的通道蛋白AcrA。AcrB-AcrA-TolC外排泵
可转运多种结构不同的抗生素,赋予了细菌广谱的
抗生素耐药性。
在中,位于周质的AcrA与细胞内膜通
过氨基端脂质修饰连接在一起,其结构域包括周质
膜区域、β桶状区域、硫辛酰区域和α发夹区域
[17]
。
其中α发夹区域与内膜的TolC蛋白结合,其他的
区域可能与AcrB互作
[18-21]
。AcrB贯穿于跨膜结构域和周质结构域[22]
,包括
3个非对称的晶体结构,结构具有可旋转性,可通过
松散(L)、紧凑(T)、开放(O)型3个结构的变化,实
现底物的向外运输功能
[23-25]
(图1)。TolC外膜通道
是由3个TolC单体组成的炮筒状结构
[26]
,这个通道
连接周质穿过细胞外膜一直通向细胞表面
[27]
。
1.2CusCFBA外排系统
CusCFBA外排系统是瓜类和蔬菜作物病原细
菌重要的铜外排系统,在植物病原细菌铜制剂耐受
性方面具有重要的作用。CusCFBA外排系统(图2)
也是最具有代表性的一个HME-RND外排系统。
它可以外排重金属Ag
+
和Cu
+
,同时还可能参与磷霉
2
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4
3
7
7
6
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5
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4
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第7期等:瓜菜类病原细菌耐药外排泵RND研究进展
专题综述
素、二硝基苯酚、硝基苯与乙硫异烟胺的外排
[28-29]
,
该外排泵有助于细胞内Cu
+
平衡的维持
[30]
。CusCFBA外排系统由位于内膜的CusA,位于
周质膜的CusB和位于外膜的CusC组成。这与AcrABC结构极为相似,其化学计量学分析结果表
明CusA∶CusB∶CusC为3∶6∶3
[31-32]
。CusB系统包含4个亚结构域:3个β螺旋结构
域和1个α螺旋结构域
[33]
。CusA包含12个跨膜α螺
旋。CusB识别并结合Cu
+
和Ag
+
,之后将Cu
+
和Ag
+
传递给位于周质膜裂缝处CusA的M573、M623和M672等保守氨基酸残基(图3)。接收到重金属离
子的CusA构象会迅速改变,使得这些重金属离子
进入外排泵的周质区域中,或者直接通向细胞外
[34]
。另
外,CusF与CusB相互作用,可能促进周质膜裂缝的
打开;CusC自身的螺旋结构与CusB的α螺旋结构
相互作用,构建了重金属离子的外排通道
[33]
。
2RND耐药外排泵和病原细菌/作物
互作的关系
如今植物基因组学和高通量测序等新技术已
被广泛应用于植物病原细菌毒力、病原细菌/植物互
作以及病原细菌耐药性分析,植物病原细菌Xan⁃
,tris,Ralstoniasolanacearum,Pudomonas
DC3000,Erwiniacarotovorasub⁃ptica和等的
测序工作相继完成
[35-39]
。测序结果显示植物病原细
菌基因组中含有大量的RND外排泵相关基因。RND外排泵不仅在细菌耐药性方面具有重要作用,
而且与细菌的致病性密切相关。另外,病原细菌的RND耐药外排泵还参与细菌体代谢副产物的分泌,
如RND外排泵转运蛋白ToxGHI帮助Burkholderia
glumaeBGR1外排毒黄素
[40]
。Palumbo等最早发现Agrobacteriumtumefaciens
中的外排泵IfeAB运载体可以外排植物分泌的抑菌
性物质异黄酮,并且在细菌定殖寄主作物过程中有
着不可替代的作用
[41]
。在豆类作物病原细菌⁃
licola1448A、⁃
gaeB728a和番茄病原细菌DC3000中,RND转运蛋白复合体MexAB-OprM对
化合物(如抗生素、植物源抗菌素、洗涤剂和染料
等)有着非常高的耐受力。该蛋白复合体还参与细
菌在植物体内的繁殖过程
[42]
。⁃
gae染色体基因编码的PABC家族是其合成丁香
毒素和丁香肽等毒素不可缺少的,pC基因的缺失
会减少植物毒素的合成和分泌量
[43]
。VargasP等
[44]
a中下半部分为CusA分子晶体结构,CusBmolecule1和CusBmolecule2组成了CusB的不对称晶体结构。b为CusBA结构侧面图,下半
部为CusA的结构域,1-6为CusB亚基的不同结构域组成。c为CusBA复合结构的俯视图。
图2CusBA复合结构[31]
图3底物与CusA结合示意图[34]
王真,
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专题综述
研究发现,番茄植株分泌的黄酮类物质可诱导丁香
假单胞番茄致病变种菌株PmeR蛋白的过表达,过表达的PmeR可抑制Mex⁃
AB-OprM外排系统。PmeR和MexAB-OprM构成
的互作系统,与菌株在番茄植
株上的定殖密切相关。对丁香假单胞烟草致病变
种鞭毛蛋白FliC的研究表明,
ΔfliC较野生型菌株致病力和运动性都显著降低,但
是mexEFoprN(RND外排系统编码基因)基因的表
达量急剧上升。IV型菌毛(T4P)缺陷型突变体Δpi⁃
lA,其菌株富集能力及对烟草的致病力明显减弱,参
与其多耐药外排泵MEX的相关基因mexABoprM的
表达量明显上升
[45]
。可见RND外排泵不仅在逆境
适应、有害物质外排等方面有重要的作用,而且在
ae中与细菌的侵染力也密切相关。
nthemi具有2个AcrAB外排系统,它
们不仅可以帮助细菌抵抗菊苣分泌的抗菌肽硫素,
而且辅助细菌定殖菊苣叶片,引起病害
[46]
。有研究
认为nthemi侵染植物,导致寄主植物水杨
酸等抗菌物质分泌增多,而这些有毒的抗菌物质正
好激活了细菌多耐药外排泵编码基因的表达,提高
了细菌的侵染成活率
[47]
。该菌株中tolC编码51kDa的
蛋白与中TolC蛋白同源性高达70%。tolC
基因缺失突变体不能外排盐酸小檗碱;突变体在寄
主植物内可以存活,但生长较慢,不足以造成
病害
[11]
。Brown等
[48]
通过对青枯菌(⁃
nacearum)多耐药外排泵相关基因acrA和dinF的
功能研究发现缺失突变株对抗生素、植物毒素和洗
涤剂的耐受性明显低于野生菌株;对番茄植株侵染
力相对较弱。这一结果也证实了RND外排泵在瓜
菜病原细菌中具有双重作用。
梨火疫病菌(ora)主要侵染蔷薇科作
物。在侵染初期,病原细菌会暴露在植物体表面,
并被植物分泌的大量抗菌素包围。染料木黄酮是
豆科作物或者非豆科作物分泌的异黄酮类抗菌
素
[49-50]
,是植物抗毒素Phytoalexins和Phytoanticipins
路径合成抗菌素的前体
[51-52]
。BurA等
[53]
发现蔷薇
科分泌的异黄酮类抗菌素可诱导ora中外
排泵编码基因acrAB的大量表达;acrB缺失突变株
致病力降低,对于果树分泌的抗菌素变得敏感。这
与Al-KarabliehN等的研究结果不符。Al-KarabliehN等发现,ora基因tolC和
acrB/tolC的缺失突变体对植物分泌的抗菌素及一
些合成的抗菌剂较野生型敏感,而acrB缺失突变株
对相关抗生素并不敏感。另外tolC和acrB/tolC缺
失突变株的毒力并没有降低,TolC可能通过与AcrAB的互作来保持植物体表面毒素的平衡,以辅
助ora突破植物表层保护组织
[54]
。在AcrB
外排泵缺失的突变株中,过表达转运蛋白MdtABC
和MdtUVW,可以使ora对黄酮类、梭链孢
酸和新生霉素产生耐受性。MdtABC介导⁃
lovora对胆盐、硝酸盐的抗性,其表达受双组份调节
系统BaeSR的调节;MdtUVW介导其对克霉唑的耐
受性。MdtABC和MdtUVW的缺失也会阻碍细菌
对寄主植物的侵染
[55]
。他们还证明了外排蛋白NorM在ora侵染植株花器官时,可以与花
柱上寄生的分泌抗菌素类物质的泛菌属竞争空间
和营养,帮助ora完成侵染。而norM基因
缺失突变株的毒力并没有降低,自然条件下致病力
却下降
[56]
。
有关植物病原细菌铜制剂耐受性的研究较多,
但是大都集中在对Cop系统的研究,有关Cus系统
的研究相对较少
[57-60]
。Gutiérrez-Barranquero等通过
对ae全基因组信息的分析发现ae
的铜耐受性是由CopG、CusCBA和CopABCD操纵
子协同作用完成的
[61]
。另外,刘星
[62]
验证了Acidovo⁃
raxcitrulliRND外排泵相关基因cusB与Acidovorax
citrulli菌株的铜耐受性密切相关。cusB缺失突变株
较野生型对铜制剂更加敏感,但不影响致病力。3外排泵抑制剂的开发
外排泵抑制剂(EPIs)是一类抑制细菌外排泵功
能的药物。利用它可使低浓度的抗生素起到较高
的抗菌效果,同时减少细菌耐药性的发生。它还可
以抑制生物膜的形成,降低病原菌的毒力。EPIs的
研究与应用对于瓜菜细菌性病害的防治意义重大,
但是相关研究难度较大。在实验室条件下,有效的EPIs已经有不少报道,但是目前还没有可以应用于
实践的EPIs。
3.1RNDEPIs选取原则
实验应用中EPIs必须具备以下几个特点:第
一,能促进细菌外排泵相关基因的表达;第二,药剂
本身对细胞无损害;第三,在其发挥作用的同时不
影响质子的跨膜运输;第四,不能增加非外排抗生
素的活性;第五,不能影响抗生素的活性。这些限
制因素使得实际筛选EPIs时困难重重。例如,对细
菌能量平衡影响较大的羰基氰氯苯腙(CCCP)可作
为一种抑制细菌外排泵的化合物。然而,该类化合
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第7期等:瓜菜类病原细菌耐药外排泵RND研究进展
专题综述
物严重消耗了细菌膜质子动力,从而导致了细菌的
死亡
[63]
。再如,外排泵调控基因有很多,而且调控功
能多且复杂,很难通过对一种或者一类调控基因的
抑制作用深入解析其抑制外排泵的分子机制,同
时,在理论研究上,对于大部分调控基因的作用机
制尚不明确,加大了研究难度。
3.2研究较多的EPIs
目前研究较多的2类EPIs包括肽类EPIs和吡
啶并嘧啶类EPIs,它们也是最具代表性的2类EPIs。
3.2.1肽类EPIsPAβN(苯丙氨酸-精氨酸-氨酸
萘酰胺,起初称为MC-207,110),英文全称phenyl⁃alanylarginylβ-naphthylamide,是研究最早最有价
值的一种EPI
[64]
,其结构如图4。Renau等通过对
Pudomonasaeruginosa中MexAB、MexCD和Mex⁃EF基因过表达,从200000个可增强nosa
菌株敏感性的小分子EPIs中筛选得到了该化
合物
[65]
。PAβN作为外排泵的结合底物,与抗生素
竞争结合区域
[66]
,提高细胞内抗生素浓度,从而达到
抑制抗生素外排的作用。作为一种广谱性的EPIs,
它还可以使结构不同的抗生素如氟喹诺酮类、大环
内酯类、恶唑烷酮类、氯霉素和利福平等抗生素恢
复生物活性,但不能恢复β内酰胺以及氨基糖苷类
抗生素活性
[64]
。这类化合物最突出的优点在于,它
很难使细菌对其产生耐药性。但是该类化合物的
亲和力较差,必须当底物浓度积累到一定程度才能
发挥作用
[67]
。此类化合物会阻碍细胞膜的功能,对
细胞具有一定的毒性
[68]
,这限制了其应用前景。然
而PAβN衍生物如MC-04,124,在细胞液中的稳定
性高,且毒性很小,同时不会使外排泵的调控基因
表达过高
[69]
。3.2.2吡啶并嘧啶类EPIs-ABI-PP(D13-9001)
D13-9001(图4)是与RND外排泵作用过程研究最
清楚的一类EPIs。其作用机制是D13-9001与AcrB、MexB的疏水端结合,影响AcrB/MexB的空间
结构的改变,破坏底物与AcrB/MexB末端的运输通
道造成外排泵功能故障,药物在细菌体内积累,进
而达到抑制外排的效果
[70]
。D13-9001的亲水端存
在于细菌外排泵的通道,可能阻碍底物与外排泵在
这一区域的结合。
与肽类EPIs-PAβN相比,吡啶并嘧啶类
EPIs-ABI-PP安全低毒或无毒、水溶性好、药效突
出
[71]
,具有较大的应用前景。它可以特异性地抑制AcrAB-TolC和MexAB-OprM外排泵,但是对
MexXY-OprM外排泵没有抑制效果[72]
,这也是它没
能应用于实践中的主要原因。4展望
外排泵广泛存在于瓜类和蔬菜作物病原细菌
中,在细菌抵抗外界胁迫过程中发挥着重要作用。
(A)PAβN(MC-207,110)及其衍生物(MC-04,124);(B)吡啶并嘧啶衍生物(D13-9001)。
图4两类抗生素的分子式[64]
王真,
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中国瓜菜第29卷
专题综述
目前有关RND外排泵结构与功能、外排抑制剂等
的研究已取得很大的进展。植物病原细菌⁃
gae,ciens,Rhizobiumetli和Bradyrhizobium
japonicum中相关多耐药RND外排泵的研究已见报
道,但相关机制并不清楚
[73-75]
。RND多耐药外排泵是细胞代谢的外排结构,在
细胞代谢中具有重要作用。在正常的细菌体内,RND外排泵相关基因的表达应该有特定的生理调
节方式,对这一调控体系的研究有助于我们了解细
菌适应环境的机制。另外,有关植物分泌物对病原
细菌的吸引导致病害发生的研究甚多
[76]
。然而,病
原细菌RND多耐药外排泵对植物分泌物的响应机
制的研究,可以说还是一个未开发的领域。已经有
研究证明,细菌RND外排泵直接参与细菌有毒物
质的外排
[77]
,植物分泌的抗菌素类外排底物或许可
以作为生物源药剂,通过化学合成其类似物并用于
对细菌的防治。针对RND多耐药外排泵在病原细
菌/植物互作中的重要作用的研究,也将给我们对细
菌致病机制、入侵手段、植物防御特点等的研究提
供思路。
综上所述,系统研究植物病原细菌RND多耐
药外排泵对病原细菌的科学防治具有重大意义。
相信随着分子生物学、生物信息学等相关领域的发
展,对于外排泵的研究会更加的深入,这也将会给
瓜菜细菌性病害的防治提供新的更好的措施。
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中国瓜菜第29卷
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