Xanthomonas campestris
Stránka o mikrobiálním bioreálu rodu Xanthomonas campestris
Klasifikace
Svěření Fett & Cooke, ASM MicrobeLibrary
Taxony vyšších řádů
Bakterie
Proteobakterie
Gamma Proteobakterie
.
Xanthomonadales
Xanthomonadaceae
Xanthomonas
Xanthomonas campestris
Druhy
NCBI: Taxonomie
Xanthomonas campestris
Popis a význam
Xanthomonas campestris je aerobní gramnegativní tyčinka, o níž je známo, že způsobuje černou hnilobu křížal tím, že způsobuje ztmavnutí cévních pletiv. Je vázána na hostitele, více než 20 různých patovarů X. campestris bylo identifikováno na základě jejich charakteristické patogenity na široké škále rostlin včetně plodin a planě rostoucích rostlin. Tato bakterie je mezofilní s optimální teplotou 25-30 stupňů Celsia (77-85 stupňů Fahrenheita) a neaktivní při teplotách pod 10 stupňů Celsia (50 stupňů Fahrenheita) . X. campestris má hypersenzitivní reakce a patogenitu (Hrp) pili, které pomáhají přenášet efektorové proteiny ke snížení obranyschopnosti hostitele a klouzat vodou . Mohou žít v půdě více než rok a šířit se jakýmkoli pohybem vody včetně deště, zavlažování a povrchové vody. Postřik zdravých rostlin měďnatými fungicidy může šíření bakterií na poli omezit . Jakmile je však rostlina infikována, bakterie X. campestris se nakonec rozšíří do stonku semen a potlačí růst zdravého potomstva.
Kvašením v čisté kultuře může X. campestris produkovat extracelulární polysacharid známý jako xantanová guma, který se komerčně vyrábí jako stabilizační činidlo používané v mnoha každodenních produktech včetně salátových dresinků nebo zubních past . X. campestris je modelovým organismem pro studium interakcí mezi rostlinami a bakteriemi. Vzhledem k nedostatku plodin probíhá další výzkum této bakterie v naději, že se dozvíme, jak vytvořit rostliny odolné vůči tomuto patogenu.
Struktura genomu
Struktura genomu X. campestris obsahuje rozdíly v závislosti na patovaru. Různé kmeny X. campestris však vykazují podobné charakteristiky, jako jsou kruhové chromozomy, mobilní genetické elementy a sekvence kódující proteiny . V roce 2002 byl získán kompletní genom X. campestris pv campestris (Xcc) str. ATCC 33913 byl dokončen a obsahuje přes 5 076 188 nukleotidů, které kódují více než 4200 kódujících proteinů a 61 strukturních RNA . S více než 548 unikátními kódujícími sekvencemi se X. campestris pv. vesicatoria (Xcv) skládá z cirkulárního chromozomu o velikosti 5,17 Mb, čtyř plazmidů a pro patogenitu nezbytného systému sekrece proteinů typu III . Pomocí technologie in vivo exprese založené na rekombinacích pro rajče bylo zjištěno, že Xcv má 61 genů, které se podílejí na interakci mezi patogenem a hostitelem, včetně nezbytného transportéru virulence, genu citH homologu .
Struktura a metabolismus buňky
X. campestris je tyčinkovitá gramnegativní bakterie, která se vyznačuje dvěma buněčnými stěnami a žlutým pigmentem. Má vláknitou strukturu zvanou hypersenzitivní reakce a patogenita (Hrp) pili, která je připojena k proteinovému sekrečnímu systému typu III realizujícímu schopnost přenosu bakteriálních proteinů na rostlinu a také pohyblivost ve vodě .
Tato aerobní bakterie provádí řadu metabolických pochodů, které jsou jedinečně závislé na patovaru. Sekvenování celého genomu Xcv vykazuje sacharidové metabolismy, které zahrnují: Glykolýza/glukoneogeneze, citrátový cyklus (TCA cyklus), pentózofosfátová dráha a další. Xcv získává zdroj energie prostřednictvím oxidativní fosforylace, fixace uhlíku, metabolismu metanu, dusíku a síry .
X. campestris získává uhlík z hostitele a přeměňuje jej na glukózu prostřednictvím glukoneogeneze. Další výzkum ukázal, že při glukoneogenezi obsahují Xcc pouze cestu jablečného enzymu-PpsA, která je nezbytná pro virulenci . Kromě toho tento rostlinný patogen obsahuje sekreční systém typu III (TTSS), který je nezbytný k napadení hostitele . TTSS je důležitý v patogenezi, protože přenáší efektorové proteiny za účelem snížení obranyschopnosti hostitele. Vytváření biofilmu na povrchu rostlin je pro X. campestris příkladem komunikace mezi buňkami prostřednictvím difúzního signálního faktoru (DSF) .
Díky schopnosti fermentovat vytváří X. campestris extracelulární polysacharid, xanthan, který se komerčně vyrábí a používá v různých výrobcích denní potřeby jako stabilizační činidlo . Podrobnější informace naleznete v části Aplikace v biotechnologiích.
Ekologie
X. campestris způsobuje velké ztráty v zemědělství díky svému stanovišti v rostlinách. Může žít v půdě více než rok a šířit se prostřednictvím nadzemního zavlažování a povrchové vody . Této bakterii se daří zejména za vlhkého a teplého počasí s optimální teplotou 25-30 stupňů Celsia (77-85 stupňů Fahrenheita) . Přežití bakterie X. campestris a její přesun k dalšímu hostiteli závisí na vodě. V důsledku kontaminace při pěstitelských pracích se napadené rostliny při pěstování obvykle vyskytují ve stejných řádcích . Další podrobnosti viz patologie.
Patologie
X. campestris lze rozpoznat podle černých lézí, které se při kontaminaci objevují na povrchu rostlin. Patogen nejprve interaguje s hostitelem vylučováním řady efektorových proteinů včetně hypersenzitivní reakce pomocí sekrečního systému typu III (TTSS) . Tyto efektory se mohou chovat avirulentně tím, že se maskují tak, že vylučují několik hypersenzitivních reakcí a vnějších proteinů, aby mohlo dojít k interakci s buňkami hostitele . X. campestris se pak zaměřuje na cévní tkáň a způsobuje tmavnutí a okrajovou chlorózu listů . Bakterie proniká do listu směrem ke stomatu, hydatodám a k epidermálním buňkám, čímž iniciuje nové léze . K těžké infekci dochází u mladých semenáčků. Protože choroba postupuje po celé rostlině, nemůže se vytvořit hlavní stonek, což zpomaluje vývoj a způsobuje černání žilek. Nakonec se bakterie rozšíří do celého cévního systému a do stonku semene, což způsobí, že se semeno nakazí budoucími chorobami .
Bakterie X. campestris, která se více objevuje v období dešťů, má pilule, které umožňují klouzavý pohyb po vlhkých listech. Jakmile je rostlina jednou napadena, patogen se šíří jakoukoli formou pohybu vody, včetně stříkajících dešťových kapek, na nového hostitele .
Virulenční faktory se skládají z lytických enzymů, které napadají buněčnou stěnu rostliny, vylučování proteáz, amyláz, celuláz a lipáz, které pomáhají snižovat obranné mechanismy rostliny . Kromě toho je pro patogenezi klíčový také shluk genů Rpf, aby X. campestris mohl mírnit produkci těchto virulentních faktorů .
Použití v biotechnologiích
X. campestris fermentuje stabilizační činidlo zvané xantanová guma, které se používá v mnoha výrobcích denní potřeby. Poprvé byla komerčně vyráběna ve společnosti Kelco Company, významné farmaceutické společnosti. Tento polysacharid je složkou výrobků, jako je francouzský dresink Kraft, potraviny Weight Watchers, výrobky Wonder Bread a další . Ze sacharidového kvašení X. campestris, pseudoplastická, snadno mísitelná vlastnost xantanové gumy umožňuje její použití jako zahušťovadla zvýšením viskozity kapaliny . Kromě toho xantanová guma také prodlužuje životnost ropných a plynových vrtů i po těžbě. Buď pumpováním do země, nebo pomocí vysokotlakého pískování pomůže míchání vody a xantanové gumy do vrtů zahustit kapalinu, aby se uvolnily surové ropné produkty a prořízly horniny v plynových a ropných vrtech. Xantanová guma stojí 7 dolarů za libru ve srovnání s kukuřičným škrobem za 89 centů za libru .
Současný výzkum
8.1 Biologická kontrola pomocí kmenů Bacillus
Provádí se sekvenování genomu při hledání základních genů potřebných k vývoji odolných rostlin. Byl proveden pokus s použitím kmenů Bacillus včetně B. cereus, B. lentimorbus a B. pumilus jako soupeře patogenu Xcc v zelí. Důkazy ukázaly určitou naději na biologickou kontrolu, když byl kmen Bacillus přidán do kořenů .
8.2 Regulační síť pro komunikaci mezi buňkami
Nedávné studie prokázaly, že X. campestris používá pro komunikaci mezi buňkami difuzní signální faktor (DSF). K tomu, aby mikrokolonie vytvořily strukturovaný biofilm, je zapotřebí syntéza DSF z klastru regulačních faktorů patogenity (Rpf). Klastr Rpf obsahuje geny nezbytné pro vznik patogeneze. Bez kritické signalizace DSF vytvoří bakterie Xcc nestrukturovaný biofilm. Probíhá další výzkum s cílem pochopit, jak je regulační síť sledována .
8.3 Genetická variabilita u planých kříženců
Výzkumníci zjistili genetickou diverzitu Xcc u planých kříženců. Vzhledem k nejrozmanitějším a nejhojnějším divokým křížatým rostlinám na světě byly v Kalifornii provedeny studie s cílem zjistit jakékoli rozdíly v genetických kmenech na Xcc u infikovaných divokých plevelů. Z nekultivovaných i kultivovaných oblastí byl Xcc izolován z různých oblastí Kalifornie. Pomocí polymorfismu délky amplifikovaných fragmentů PCR (AFLP) k identifikaci genetické variability kmenů bylo sekvenováno více než 72 kmenů, které ukázaly 7 jedinečných genotypů, jež byly omezeny na příslušné lokality. Nekultivované divoké plevele v blízkosti pobřeží měly kmeny Xcc, které byly specifické pro tuto oblast a lišily se od plevelů pěstovaných v blízkosti oblastí s produkčními plodinami.
Reference
Averre, Charles W. „Black Rot of Cabbage and Related Crops“ Přístup 16. srpna 2007.
Ritchie David F, Averre Charles W. „Bacterial Spot of Pepper and Tomato“. North Carolina State University College of Agriculture and Life Sciences. Přístup 20. srpna 2007.
Weber E, Ojanen-Reuhs T, Huguet E, Hause G, Romantschuk M, Korhonen TK, Bonas U, Koebnik R. „The type III-dependent Hrp pilus is required for productive interaction of Xanthomonas campestris pv. vesicatoria with pepper host plants“. Journal of Bacteriology. 2005. Volume 187(7) p.2458-69.
Kuntz, L. „X is for Xanthan Gum“. Design potravinářských výrobků. Přístup 26. srpna 2007.
Vorhölter FJ, Thias T, Meyer F, Bekel T, Kaiser O, Pühler A, Niehaus K. „Comparison of two Xanthomonas campestris pv. campestris genomes revealed differences in their gene composition“. Journal Biotechnology. 2003. Volume 106(203). p.193-202.
„Xanthomonas campestris pv. campestris str. ATCC 33913, kompletní genom“. Veřejná vědecká knihovna biologie. 2002. Dostupné dne 25. srpna 2007.
Thieme F, Koebnik R, Bekel T, Berger C, Boch J, Büttner D, Caldana C, Gaigalat L, Goesmann A, Kay S, Kirchner O, Lanz C, Linke B, McHardy AC, Meyer F, Mittenhuber G, Nies DH, Niesbach-Klösgen U, Patschkowski T, Rückert C, Rupp O, Schneiker S, Schuster SC, Vorhölter FJ, Weber E, Pühler A, Bonas U, Bartels D, Kaiser O. „Insights into genome plasticity and pathogenicity of the plant pathogenic bacterium Xanthomonas campestris pv. vesicatoria revleaed by the complete genome sequence“. Journal of Bacteriology. 2005. Volume 187(21). p 7254-66.
Tamir Ariel D., Navon N, Burdman S. „Identification of Xanthomonas campestris pv. vesicatoria genes induced in its interaction with tomato“. Journal of Bacteriology. 2007. Volume 189(17). S.6359-71.
Weber E, Koebnik R. „Domain structure of HrpE, the Hrp pilus subunit of Xanthomonas campestris pv. vesicatoria“. Journal of Bacteriology. 2005. Volume 187(17). p. 6175-86.
„Xanthomonas campestris pv. vesicatoria“. Kjótská encyklopedie genů a genomů. Přístup 24. srpna 2007.
Tang DJ, He YQ, Feng JX, He BR, Jiang BL, Lu GT, Chen B, Tang JL. „Xanthomonas campestris pv. campestris posesses a single gluconeogenic pathway that is required for virulence“. Journal of Bacteriology. 2005. Volume 187(17). p 6231-7.
Torres PS, Malamud F, Rigano LA, Russo DM, Marano MR, Castagnaro AP, Zorreguieta A, Bouarab K, Dow JM, Vojnov AA. „Řízená syntéza buněčného signálu DSF je nezbytná pro tvorbu biofilmu a virulenci u Xanthomonas campestris“. Environmental Microbiology. 2007. Volume 9(8). p. 2101-9.
Wang L, Tang X, He C. „The bifunctional effector AvrXccC of Xanthomonas campestris pv. campestris requires plasma membrane-anchoring for host recognition“. Molecular Plant Pathology. 2007. Volume 8(4). p 491-501.
Niehaus Karsten. „The Xanthomonas campestris pv. campestris genome project“. Dostupné dne 20. srpna 2007.
Dow JM, Crossman L, Findlay K, He YQ, Feng JX, Tang JL. „Biofilm dispersal in Xanthomonas campestris is controlled by cell-cell signaling and is required for full virulence to plants“ (Rozptyl biofilmu u Xanthomonas campestris je řízen buněčnou signalizací a je nutný pro plnou virulenci vůči rostlinám). Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2003. Volume 100(19). p 10995-1000.
„Technologie na trhu“. United States Department of Agriculture, Agricultural Research Service (ARS). Dostupné dne 21. srpna 2007.
Massomo S, Mortensen C, Mabagala R, Newman M, Hockenhull J. „Biological control of black rot (Xanthomonas campestris pv. campestris) of Cabbage in Tanzania with Bacillus strains“. Journal of Phytopathology. 2004. Volume 152(2). p. 98-105.
Torres PS, Malamud F, Rigano LA, Russo DM, Marano MR, Castagnaro AP, Zorreguieta A, Bouarab K, Dow JM, Vojnov AA. „Controlled synthesis of the DSF cell-cell signal is required for biofilm formation and virulence in Xanthomonas campestris“. Environmental microbiology. 2007. Volume 9(8). p 2101-9.
Ignatov, A., Sechler, A.J., Schuenzel, E., Agarkova, I.V., Vidaver, A.K., Oliver, B., Schaad, N.W. 2007. „Genetická diverzita v populacích Xanthomonas campestris pv. campestris v křížatých plevelech ve střední pobřežní Kalifornii“. Phytopathology. 2007. Volume 97. p. 803-812.
Zpracovala Tammie Chau, studentka Rachel Larsenové
.