¿Cómo entender la diferenciación patogénica?

Diferenciación patógena de patógenos

Li Zhenqi

La patogenicidad de diferentes cepas de patógenos para diferentes géneros, especies o variedades de plantas hospedantes es diferente. También se denominan parásitas. especialización o especialización fisiológica. Especialización fisiológica. En general, cuanto mayor es el grado de parasitismo, mayor es el grado de diferenciación patógena de patógenos, como la roya del trigo, el oídio, etc. Cuanto menor es el grado de parasitismo, menor es el grado de diferenciación patógena de los patógenos, como algunos parásitos partenogenéticos.

Han pasado más de 100 años desde que el ser humano descubrió el fenómeno de diferenciación patogénica de las bacterias fitopatógenas. En 1894, el sueco J. Eriksson confirmó mediante experimentos con la roya del tallo que la patogenicidad de las bacterias patógenas se diferencia en función de las diferencias en las respuestas de los diferentes géneros, especies y variedades, y confirmó que existen 6 tipos especializados de hongos de la roya del tallo de los cereales. . En 1917, Elvin Charles Stakman de los Estados Unidos descubrió la patogenicidad de los hongos de la roya del tallo. En 1917, el estadounidense Elvin Charles Stakman descubrió la existencia de diferenciación racial entre tipos especializados de hongos de la roya del tallo del trigo. En 1950, durante el estudio de la pérdida de resistencia a la roya del tallo en la variedad de trigo Thatcher, también se descubrió la diferenciación de biotipos dentro de especies menores. Los resultados de esta investigación sientan las bases para futuras investigaciones sobre la diferenciación patógena de patógenos desde el punto de vista teórico y técnico.

La formación del fenómeno de diferenciación

El fenómeno de diferenciación patógena de las bacterias patógenas se forma por la adaptación mutua y la selección mutua entre las bacterias patógenas y las plantas hospedadoras durante el proceso de evolución a largo plazo. De acuerdo con el tipo de resistencia de la planta huésped, generalmente se puede dividir en patogenicidad especializada (o vertical) y patogenicidad no especializada (o no vertical). La patogenicidad especializada y la resistencia a enfermedades especializadas y la patogenicidad no especializada y la resistencia a enfermedades no especializadas son dos conjuntos de rasgos biológicos que son requisitos previos entre sí y existen de forma independiente. La teoría del "gen por gen" de Flor cree que durante el proceso de evolución, hay genes que controlan la resistencia a las enfermedades en la población huésped, y también hay genes correspondientes que controlan la patogenicidad en la población patógena. Los patógenos y los huéspedes interactúan, y el proceso de desarrollo es el siguiente: los microorganismos chupadores superan la inmunidad natural de las plantas superiores, ganan infectividad, evolucionan de chupadores a parasitismo y comienzan a tener patogenicidad universal, mientras que el lado huésped tiene resistencia universal a las enfermedades. Durante la continuación de la supervivencia a largo plazo, el huésped y el patógeno desarrollan resistencia especializada debido a diversas mutaciones y selección mutua, y tarde o temprano el patógeno producirá genes causantes de enfermedades que pueden superar esta resistencia especializada. (Ver concepto de gen a gen.)

La patogenicidad específica de un patógeno se caracteriza por interacciones específicas o específicas con diferentes especies de huéspedes a los que está adaptado, mientras que la patogenicidad no específica de un patógeno El sexo es caracterizado por interacciones no específicas con diferentes especies de huéspedes a los que está adaptado.

Virulent

La especificidad y patogenicidad vertical de una determinada cepa de un patógeno sobre variedades con ciertos genes de resistencia. También llamada virulencia. El estudio de la virulencia de las bacterias patógenas adopta principalmente el análisis de las razas de bacterias patógenas, la frecuencia de la virulencia y los métodos patógenos combinados.

Raza

Unidad taxonómica bajo una especie, variante o tipo especializado de patógeno. No existen diferencias morfológicas entre razas y las diferentes razas (razas) se distinguen principalmente por diferencias en su patogenicidad para especies identificadas con diferentes genes de resistencia a enfermedades. Las razas de bacterias a veces se denominan cepas o patógenos.

Métodos de identificación de cepas bacterianas

Los métodos de identificación de cepas bacterianas de diferentes patógenos son diferentes. La identificación de hongos y cepas bacterianas patógenas es principalmente un conjunto de métodos de identificación. En la identificación de cepas, la raza se determina en función de la patogenicidad de las cepas que se van a probar (como la identificación de tallos de trigo). Identificación de cepas de roya) Algunos utilizan la identificación de hospedante aceptada internacionalmente, otros (como la identificación de cepas de roya lineal del trigo) utilizan hospedantes de identificación cambiantes, y otros (como la identificación del tizón tardío de la papa, el hongo del añublo del arroz, el tizón bacteriano, etc. especies) adoptan métodos de identificación de huéspedes aceptados internacionalmente, y algunas (como la identificación del tizón tardío, el tizón del arroz y el tizón bacteriano) utilizan cambios en los métodos de identificación de huéspedes.

En algunos casos (por ejemplo, identificación de las razas Phytophthora infestans, Rhizoctonia solani y Rhizoctonia solani), se utilizan como identificadores genes conocidos o variantes de un solo gen. Además, la identificación de razas de organismos huéspedes no especializados también puede verse facilitada por las propiedades fisiológicas y bioquímicas, las propiedades culturales, la serología y las reacciones de fluorescencia del patógeno. La distinción entre cepas virales se basa en las diferencias en sus síntomas en ciertos huéspedes. Las diferencias entre diferentes cepas del mismo virus también se pueden determinar en función de las respuestas serológicas y la presencia de protección cruzada entre sí, así como de la presencia de rangos de huéspedes y modos de transmisión similares.

Nomenclatura de bacterias

La nomenclatura de las diferentes bacterias patógenas no es exactamente igual. Algunas utilizan el método de numeración secuencial, es decir, según la numeración unificada internacionalmente, como es el caso de la roya de la paja del trigo. algunos hongos utilizan el método de numeración nacional o el código de área, como la denominación de la roya lineal del trigo; algunos, como la denominación de la roya de la paja de avena, utilizan el método de la fórmula de virulencia, es decir, el gen de resistencia eficaz de la cepa. el numerador y el gen de resistencia ineficaz es el denominador para escribir la fórmula: no tóxico (R). La fórmula es: no tóxico (R)/tóxico (S); algunos, como la denominación de Magnaporthe oryzae, adoptan el método de adición segmentada (resistencia añadida o susceptibilidad añadida).

El procedimiento de identificación de la raza

Generalmente hay cinco pasos. Por ejemplo, el procedimiento de identificación de la raza de la roya rayada del trigo es el siguiente: ① Recolección de cepas. La recolección de especímenes de especies bacterianas es el primer paso en la identificación racial. Generalmente, las plantas u hojas enfermas en el campo de diferentes regiones y variedades deben recolectarse de variedades recién infectadas. Las muestras recolectadas deben colocarse en diferentes bolsas de celofán para evitar que se mezclen y contaminen, y se debe anotar el lugar y la hora de recolección para su registro y análisis. Cepas purificadas y propagadas. Para la purificación de cepas bacterianas, se toman montones de esporas frescas en verano, se aíslan y se propagan como cepas únicas. Cuando hay pocas cepas, también se pueden inocular en plántulas de variedades representativas identificadas. Cuando se presenta la enfermedad, se pueden inocular montones de esporas de una sola planta con diferentes. Los tipos de reacción se seleccionan por separado. La propagación de cepas se realizó en invernadero en variedades altamente susceptibles. 3) Preservación de cepas bacterianas. Existen muchos métodos de conservación, los más utilizados son la conservación criogénica y la conservación por liofilización. El método de criopreservación consiste en almacenar las cepas cultivadas en un refrigerador a 4 a 8°C y trasplantarlas cada 6 a 8 meses, teniendo cuidado de evitar la contaminación. Algunos hongos patógenos con poca viabilidad se pueden almacenar en un frigorífico de baja temperatura a -20°C. En los últimos años, se han utilizado cada vez más métodos para conservar cepas bacterianas a temperaturas ultrabajas (-196°C con nitrógeno líquido o -70°C con hielo seco). Las ventajas son un largo tiempo de almacenamiento y buenos efectos de almacenamiento. la desventaja es que se requiere más equipo. El método de conservación por liofilización también es uno de los métodos de conservación de cepas bacterianas más utilizados. ④Vacunar e identificar al huésped. Las variedades de identificación generalmente se siembran en macetas, con 2 a 4 variedades en cada maceta, separadas entre sí, con variedades de control altamente susceptibles insertadas en el medio. El método de inoculación puede ser recubrimiento con los dedos, pulverización, etc., según la situación. Después de la inoculación, aislar, mantener caliente y cultivar a la temperatura adecuada. ⑤ Determinar el tipo de carrera. Después de la inoculación, después de un período de tiempo, el tipo de reacción de las especies de prueba se ha estabilizado, especialmente después de que la enfermedad de las especies susceptibles se ha estabilizado, y luego se registrarán los registros. Los elementos registrados son principalmente el tipo de reacción, seguido de la incidencia y gravedad de las plantas enfermas, y luego el tipo de reacción registrado se compara con las razas conocidas en la identificación de variedades para determinar el tipo de raza.

La patogenicidad de una misma raza se puede dividir a su vez en diferentes tipos patógenos, llamados biotipos, es decir, un grupo de individuos genéticamente consistentes dentro de una raza. En una microespecie, puede haber un biotipo o varios biotipos. La identificación del biotipo de una microespecie se basa principalmente en la respuesta de la cepa de prueba para ayudar a identificar la especie.

Frecuencia virulenta y patogenicidad integral (sintética)

La frecuencia virulenta (frecuencia de virulencia) se refiere a la resistencia a una determinada resistencia en la población de patógenos. de aparición de cepas de una especie (genes de resistencia) que son virulentas (cepas virulentas). La asociación de patogenicidad se refiere a la frecuencia (%) de cepas (genes patógenos) que son patógenas para más de dos variedades probadas (genes de resistencia a enfermedades) en una población de patógenos. El análisis de frecuencia de virulencia refleja la relación entre una especie probada y múltiples especies (cepas) en la población de patógenos, mientras que el análisis de co-patogenicidad refleja la relación entre más de dos especies probadas y múltiples especies en la población de patógenos. Con los resultados de estos dos análisis, los esfuerzos de mejoramiento y utilización de variedades estarán mejor informados.

Idoneidad del huésped

Se refiere a la adaptabilidad, tasa de reproducción o producción de esporas y cantidad de organismos huésped para colonizar el huésped.

Si la idoneidad del huésped es alta, los dos formarán una combinación de afinidad y la capacidad del patógeno para infectar (infectar) será más fuerte.

Genes relacionados con la patogenicidad

Genes relacionados con la patogenicidad

He Chenyang

Genes relacionados con patógenos que determinan la patogenicidad de las plantas. Los genes de patogenicidad determinan el proceso por el cual los patógenos infectan las plantas, establecen una relación parasitaria con las plantas y destruyen las funciones fisiológicas normales de las plantas. Regulan la adsorción, infección, colonización y expansión de patógenos en las plantas y, en última instancia, muestran síntomas durante el proceso de destrucción. el anfitrión.

Tipos

Según sus funciones, se pueden dividir en genes de virulencia, genes de avirulencia y genes que determinan el rango de hospedadores.

Genes de toxicidad

Genes que determinan la afinidad básica por las plantas y regulan los procesos patógenos necesarios para el desarrollo de enfermedades. Según la naturaleza del producto genético, los genes de virulencia conocidos incluyen genes de enzimas degradativas extracelulares, genes de toxinas, genes de hormonas, genes de polisacáridos extracelulares y genes de productos desconocidos. Los genes de enzimas degradativas extracelulares incluyen genes codificantes estructurales, genes reguladores y genes de secreción. Las enzimas degradativas incluyen pectinasas, celulasas, proteasas, hemicelulasas y enzimas degradantes de fitoquelatinas. Para la clonación genética de estos factores patógenos bien caracterizados, los productos de ADN clonados se pueden detectar directamente en placas. El gen hrp determina la patogenicidad del patógeno en las plantas hospedantes e induce reacciones alérgicas en plantas no hospedantes; el gen dsp determina la capacidad de infección del patógeno y participa en el metabolismo. Para clonar genes de virulencia de productos desconocidos, se suelen utilizar métodos de mutagénesis física, química o biológica para inducir mutaciones en genes relacionados con la patogenicidad en patógenos y obtener los mutantes correspondientes. El método de complementación de la biblioteca de genes se usa para seleccionar clones recombinantes que puedan complementar la función del mutante de la biblioteca de genes o el método de hibridación molecular se usa para obtener el clon del gen diana de la biblioteca de genes e hibridar con el gen mutante; secuencia.

Genes no virales

Los genes que determinan la incompatibilidad específica con las plantas huésped también se denominan genes específicos del huésped o genes de rango de huéspedes de regulación inversa. En la relación gen a gen que existe entre un patógeno y una planta huésped, los genes de avirulencia del patógeno (genes avixina) se expresan e interactúan con los correspondientes genes de resistencia a enfermedades en la planta huésped, lo que da como resultado una respuesta no compatible. La colonización y expansión de patógenos en la planta se inhibe o las relaciones de afinidad se interrumpen al inicio de la infección. Los genes de avirulencia de patógenos no sólo determinan la avirulencia para diferentes tipos de plantas, sino que también determinan la avirulencia para diferentes tipos de plantas y plantas no hospedantes. Los genes de avirulencia se clonan a partir de bacterias, hongos y virus patógenos. Por ejemplo, avrA se clonó a partir del cuerpo patógeno de la variedad 6 de soja de Pseudomonas syringae, avr9 se clonó a partir de Xanthomonas (moho de la hoja del tomate) y avrA avirulento se clonó a partir del virus del mosaico del tabaco (TMV) Función genética del gen de la proteína de la cubierta. Sin embargo, las características y funciones de los productos genéticos antivirales no se comprenden completamente. En general, se cree que los genes de avirulencia codifican directa o indirectamente la producción de excitones. Por ejemplo, Pseudomonas lycopersicon avr9 codifica un polipéptido de 63 aminoácidos, un excitón especializado que estimula respuestas alérgicas en variedades de tomate que albergan el correspondiente gen de resistencia a enfermedades cf9. El producto de avrD en especies patógenas de Pseudomonas lycopersicon es una enzima que convierte los metabolitos bacterianos en elicitores de lípidos de bajo peso molecular y los libera. La clonación de genes avirulentos suele utilizar el método de complementación de la biblioteca de genes. Transfiera el ADN de la biblioteca de genes patógenos a otras razas, variantes bacterianas patógenas u otros tipos diferentes de bacterias patógenas. Al medir el fenotipo patógeno de los conjugados transformados para plantas, las bacterias receptoras pueden examinarse para mostrar no toxicidad para plantas específicas. Clonación recombinante para obtener genes avirulentos.

Genes determinantes del rango de huéspedes

Genes que amplían el rango de huéspedes de patógenos. Se introdujo ADN de la biblioteca de genes de la cepa de Pseudomonas syringae clonada recombinantemente en una cepa de tomate que no era patógena para el maní, lo que hizo que este último fuera patógeno para el maní. Los clones de ADN recombinante derivados de una biblioteca genética de cepas de Agrobacterium tumefaciens con una amplia gama de huéspedes permiten que las cepas de Botrytis con una gama estrecha de huéspedes amplíen la variedad de plantas que infectan.

Características

Existe una gran cantidad de genes causantes de enfermedades, la mayoría de los cuales están dispuestos en clusters, están muy conservados y tienen funciones pleiotrópicas.

Cantidad

Los genes patógenos se refieren a genes que son necesarios para el proceso patógeno en las plantas, pero estos genes no son necesarios para el crecimiento in vitro.

Se estima que el número de genes patógenos en bacterias patógenas está entre 50 y 100, según la frecuencia de mutación del gen patógeno y la frecuencia de mutación nutricional del mutante. Se han descubierto y aislado a partir de bacterias más de 50 genes que causan enfermedades, pero estos genes no están necesariamente presentes en bacterias que causan enfermedades específicas.

Clústeres

Los genes que causan enfermedades se encuentran en los cromosomas y/o plásmidos. La mayoría de los genes que causan enfermedades están organizados en grupos. Los genes patógenos de Agrobacterium tumefaciens se concentran principalmente en la región T y la región V del plásmido. La región V por sí sola contiene ocho factores reguladores, virA, virB, virC, virD, virE, virF, virG y virH. Los genes hrp de las bacterias patógenas también son grandes grupos de genes. El grupo de genes hrp de la variante patógena del frijol coliflor de Pseudomonas butyricum contiene 9 grupos complementarios y tiene 22 kilobases de longitud. El fragmento de ADN del gen hrp de P. solani tiene una longitud de 17 a 22 kilopares de bases y al menos 9 unidades de transcripción. Los genes de enzimas degradativas y de secreción extracelulares y los genes de polisacárido sintasa existen en forma de grupos de genes. Los cinco genes de isoenzimas de la pectinasa de Asteriodactylus chrysosporium están presentes en dos grupos de genes. Los genes relacionados con la secreción de enzimas extracelulares y la síntesis de polisacáridos en especies patógenas de Xanthomonas campestris (hongo de pudrición negra de Brassica oleracea) también formaron grupos de genes.

Conservadurismo

Debido a las similitudes básicas en los requisitos nutricionales y el metabolismo bioquímico, los genes patógenos clonados de una bacteria patógena se encuentran en otras microespecies, variantes patógenas y otras especies de bacterias patógenas. Se pueden encontrar secuencias homólogas estructurales en bacterias no patógenas e incluso en bacterias patógenas de animales. Las propiedades bioquímicas de sus productos son básicamente similares, pero las funciones patógenas no son necesariamente las mismas. En muchas variedades patógenas de Pseudomonas syringae, el gen hrp es homólogo también existe homología entre el gen hrp de Pseudomonas syringae y diferentes variedades patógenas de Xanthomonas campestris (ver figura). Un fragmento de 32 kb del gran grupo de genes hrp clonado de la var. syringae patógena de Pseudomonas syringae puede provocar reacciones alérgicas en las plantas de tabaco. Los genes relacionados con la biosíntesis de auxinas y citoquininas también son homólogos en Bacillus rhizogenes y Pseudomonas oleifera del suelo. Aunque los genes de avirulencia tienen diferentes funciones especializadas, existe una homología de secuencia significativa entre muchos genes de avirulencia. Por ejemplo, avr Bs3 clonado a partir de la variedad patógena Xanthomonas campestris en pimiento es altamente homólogo a genes de avirulencia en otras especies patógenas. También se encontró una amplia homología en avr10, la especie patógena de Xanthomonas oryzae (tizón de la hoja del arroz), con secuencias homólogas no sólo presentes en diferentes razas sino también en otras especies patógenas y otros géneros. También existen secuencias homólogas.

Homología estructural de las regiones del gen hrp de especies patógenas de Pseudomonas syringae y Xanthomonas campestris (los puntos negros y las áreas diagonales indican regiones mutuamente homólogas) (citado de Arlat, M et al. Human, 1991)

Pleiotropía

Los efectos de las mutaciones de genes patógenos sobre los cambios fenotípicos del patógeno son pleiotrópicos. Las mutaciones en los genes de avirulencia pueden hacer que los patógenos sean virulentos para huéspedes específicos, bloqueando así el proceso de inducción e identificación de respuestas alérgicas en las plantas. Los genes de avirulencia mutados desactivarán los correspondientes genes de resistencia a enfermedades del huésped, pero no tendrán un impacto significativo en la virulencia u otras características biológicas del patógeno. Las mutaciones del gen de virulencia tienen efectos variables sobre la patogenicidad y el parasitismo. Algunos mutantes exhiben una patogenicidad incompleta para los huéspedes homólogos, ya sea perdiendo completamente la patogenicidad o reduciéndola parcialmente, y afectando la capacidad de las plantas no huéspedes para inducir respuestas alérgicas. Algunos mutantes pueden crecer y colonizar plantas pero no producen síntomas. Las mutaciones de genes patógenos también pueden conferir fenotipos bioquímicos ricos y diversos a las bacterias patógenas y sufrir cambios relacionados con factores bioquímicos patógenos, como una variedad de enzimas degradativas extracelulares, polisacáridos, toxinas y hormonas. Algunos factores bioquímicos patógenos tienen capacidades de producción más bajas que las silvestres. cepas tipo, y algunas tienen capacidades de producción más bajas que las cepas de tipo salvaje, es mayor que la de la cepa de tipo salvaje. Esto ilustra la complejidad de los genes que causan enfermedades y las posibles relaciones reguladoras entre los genes que causan enfermedades y los genes relacionados involucrados en las vías metabólicas.

Regulación de la expresión

La expresión de genes patógenos de muchos patógenos es inducida por componentes de la planta y regulada por un sistema regulador de dos componentes.

Inducción de componentes vegetales

Existen tres métodos para estudiar la inducción de genes patógenos por componentes vegetales. (1) Enfoque de sonda promotora inducible Utilice sondas promotoras para determinar el promotor patógeno inducido por la planta huésped, examinar la biblioteca de genes en busca de secuencias homólogas al promotor y, de ese modo, aislar el gen patógeno completo bajo el control del promotor. (ii) Preparación de antisueros utilizando péptidos producidos por patógenos inducidos por plantas. Busque bibliotecas de genes expresados ​​para aislar genes estructurales o hibridar específicamente con ARNm inducido y no inducido transcrito en ADNc para identificar genes cuya expresión está regulada. (iii) Método de fusión de genes. Inserta parte del transposón después de la secuencia del gen causal para formar un gen informador (como lux, cat lacZ) y genera una fusión de genes para mostrar la expresión y regulación del gen causal.

Los componentes de las células vegetales pueden servir como señales estimulantes para inducir la expresión de genes causantes de enfermedades. Estos componentes incluyen fenoles, azúcares y sustancias de bajo peso molecular cuyas propiedades aún no se conocen. Por ejemplo, muchas dicotiledóneas liberan algunos fenólicos después de una lesión, especialmente acetosiringona e hidroxiacetosiringona, que estimulan la activación y expresión de genes de la región V de Agrobacterium tumefaciens. La expresión del gen hrp en muchas bacterias patógenas, el gen sym B en Pseudomonas syringae var patogenicum y el gen wts en la marchitez de Erwinia zeae se ha asociado con la inducción en la planta huésped. Algunos genes que causan enfermedades se expresan en niveles altos en medios inorgánicos, pero no se expresan o se expresan en niveles bajos en medios complejos.

Mecanismo regulador de dos componentes

La principal forma de regular la expresión de genes patógenos de bacterias patógenas de plantas. Un sistema regulador típico de dos componentes consta de un par de proteínas sensoras y proteínas reguladoras codificadas por dos genes diferentes. Las proteínas receptoras suelen ser proteínas transmembrana que detectan señales de estimulación del entorno extracelular y las transmiten al citoplasma mediante transferencia. La señal detectada por el extremo N de la proteína sensora interactúa con el extremo N conservado de la proteína reguladora a través del extremo C conservado de la proteína sensora, y la señal se transduce mediante el proceso de fosforilación. Capacidad de regular la expresión de otros genes a nivel de transcripción. En muchos sistemas de dos componentes, las proteínas reguladoras son proteínas de unión al ADN que se unen específicamente a secuencias de ADN aguas arriba de los promotores de genes para activar la transcripción genética. Las proteínas sensoriales o proteínas reguladoras de todos los sistemas reguladores de dos componentes están altamente conservadas en sus secuencias de aminoácidos. Por ejemplo, alrededor de 250 aminoácidos en el extremo C de las proteínas sensoriales tienen una homología obvia, aunque el extremo N no tiene homología, la mayoría de ellos tienen múltiples regiones hidrofóbicas. Los genes de virulencia virA y virG codificados por Agrobacterium tumefaciens (Soilobacillus virulentus) forman un sistema regulador de dos componentes. virA es una proteína transmembrana que detecta directamente los fenólicos y azúcares liberados por las heridas de las plantas y luego transmite la señal a la proteína reguladora virG. expresión de otros genes vir después de la activación. La activación de genes vir promueve la transferencia e integración del ADN (ADN-T) en las células de la planta huésped. La expresión de los genes hrp en muchas bacterias también está regulada por un sistema regulador de dos componentes.