《Virulence》：Pathogenicity and virulence of Xanthomonas in plants: Toward understanding specificity and achieving durable genetic resistance
植物病原细菌黄单胞菌属（Xanthomonas）可侵染超过400种寄主植物，其中包括众多具有重要经济价值的作物。本文综述了该属的概况，继而重点阐述了黄单胞菌病原菌的侵染与毒力策略：如何在叶际（phyllosphere）存活、进入植物组织、操控寄主免疫与生理以及调控毒力途径，并特别关注寄主与组织特异性。随后，本文聚焦于植物对黄单胞菌的免疫，包括细胞表面免疫、胞内免疫及黄单胞菌特异性免疫，探讨各层面研究发现作为工程化防御基础的潜力。尽管已取得显著进展，持续开展关于黄单胞菌毒力机制多样性及植物防御对抗机制的研究，对于此类工程化策略至关重要，同时有望加深对病原-寄主互作的理解。
黄单胞菌属（Xanthomonas）是植物相关细菌中的一个大属，主要为植物病原菌。该属成员各自表现出寄主物种特异性，且常具有寄主基因型特异性。它们还表现出组织特异性，部分成员侵染木质部（"维管"病原菌），另一些则定殖于叶肉或果实表皮组织（"非维管"病原菌）。在同一黄单胞菌种内，寄主或组织特异性不同的菌株通过亚种以下 designation "致病变种"（pathovar，pv.）加以区分。该属内不同种和致病变种合计可侵染至少400种植物，其中包括众多重要作物物种，造成重大经济损失并威胁全球粮食安全，尤其是全球南方的自给农民。一个典型例子是撒哈拉以南非洲的香蕉黄单胞菌枯萎病，该地区香蕉是许多人的主粮。近期模型预测，若无法实现有效控制，10年内产量将下降55%或更多，估计造成250亿美元损失，并且在香蕉为主要热量来源的人群中，面临饥饿风险的人口比例将增加近5%。黄单胞菌还导致多种观赏作物病害，加剧了该属的负面经济与环境影响。一个例子是天竺葵细菌性疫病，在整个产业中造成10–15%的损失，在单个温室运营中常导致100%损失。
正如其他植物细菌病原菌一样，针对黄单胞菌的化学、栽培和生物防治手段有限，寄主遗传抗性也面临挑战。由单显性基因赋予的质量抗性往往因病原菌群体进化出逃避识别或克服植物防御的能力而寿命短暂。由多个非连锁基因赋予的数量抗性通常更为稳定，但在育种中往往难以操作。这些限制推动了研究人员对病原菌毒力和寄主感病性的遗传与分子决定因素的关注，以发掘遗传和分子病害管理创新的靶标。尤其引人关注的是受病原-寄主协同进化塑造的黄单胞菌基因组位点、编码适合度性状的位点以及相应的寄主靶标。黄单胞菌的遗传与分子研究已历时近50年，从早期借助Sanger测序和重组DNA技术开展的遗传与分子研究，到近期借助高通量测序和定向诱变对病原菌和寄主进行的大规模比较与功能基因组学研究。
若干优秀综述文章已详细覆盖了这些工作。本文旨在综合研究人员认为最有意义且最有前景的两个领域的最新进展，作为病害管理的基础：1）黄单胞菌-植物互作中的分泌系统与毒力因子，特别是其对寄主和组织特异性的贡献；2）植物寄主对黄单胞菌的抗性。本文首先概述该属的组成与多样性，特别关注寄主和组织特异性的变异。
黄色单元：黄单胞菌属
黄单胞菌属属于γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria），涵盖从侵袭性植物病原菌到共生或机会性细菌的广泛生态生活方式，反映了该属内显著的进化与功能多样性。细胞为革兰氏阴性杆菌，具单根极生鞭毛。菌落通常呈黄白色至黄色，这是由于产生色素黄单胞菌素（xanthomonadin，源自希腊语xanthós，意为黄色），并因产生胞外多糖黄原胶（xanthan gum）而呈粘液状。该属内的物种经历了多次分类学修订，且有进一步修订的提议，但目前确认的有39个种。虽然致病变种是根据寄主和组织特异性指定的，并非公认的分类学 designation，但比较基因组分析正在厘清进化关系，并在某些情况下呼吁将命名的致病变种重新归类到不同的种。在系统发育上，该属包含两个主要分支：一个较小的早期分支分支，主要包含单子叶植物的维管病原菌，具有独特的遗传特征，包括无或非典型III型分泌系统；第二个分支包含绝大多数已描述的植物病原黄单胞菌种。
该属中的维管病原菌通常通过水孔或伤口进入木质部。通过水孔的进入可能在植物呼吸期间夜间分泌的吐水中发生。叶表面水孔处或附近的细菌细胞可能悬浮于该液体中，早晨随着光合作用恢复、蒸腾作用增加以及叶内负水势将液体吸入木质部而被带入内部。通过伤口的进入，例如由食草动物、暴雨、冰雹或机械损伤造成的伤口，如果伤口处存在细菌，或如果叶表面湿润，细菌迁移至伤口后，可直接发生。一旦进入，黄单胞菌可系统性地侵染木质部系统。在某些情况下，已记录了从木质部向其他组织的扩散，例如甘蓝黑腐病病原菌X. campestris pv. campestris（Xcc）和甘蔗叶灼病病原菌X. albilineans（Xa）。维管感染的症状包括叶脉变色、萎蔫、沿叶脉的褪绿和坏死（可融合，导致例如Xcc在甘蓝叶片上引起的标志性"V"形病斑）、矮化及死亡。病原菌可通过溅雨、食草动物、传粉者、灌溉水或农用设备传播。此外，一些维管黄单胞菌可定殖种子并从中重新引发感染；这也是一种重要的传播方式。黄单胞菌还可在植物残体中越冬。除Xcc、Xa和前述香蕉枯萎病病原菌X. vasicola pv. musacearum（Xvm）外，具有重要经济意义和/或作为模型的维管病原菌例子包括水稻白叶枯病病原菌X. oryzae pv. oryzae（Xoo）、木薯细菌性枯萎病病原菌X. phaseoli pv. manihotis（Xpm）、棉花细菌性枯萎病病原菌X. citri pv. malvacearum（Xcm）、饲草枯萎病细菌X. translucens pv. graminis（Xtg）以及引起大麦细菌性叶条斑、枯萎和黑颖病的X. translucens pv. translucens（Xtt）。
非维管黄单胞菌通过气孔进入叶片或通过皮孔进入果实。它们也可能通过伤口进入叶肉。这些病原菌的特征是无法在植物中系统性移动。例如，即使直接接种到切开的叶尖，水稻细菌性叶条斑病原菌X. oryzae pv. oryzicola（Xoc）也无法侵入木质部，这与其近缘维管病原菌Xoo不同。然而，在适宜条件下，非维管病原菌可产生大的扩展性病斑并局部传播，造成与维管病原菌相当的损害。病斑通常以褪绿开始，然后进展为坏死。根据寄主叶片解剖结构，病斑可发展为斑点或（脉间）条斑。一些非维管黄单胞菌，如柑橘溃疡病病原菌X. citri subsp. citri（一个单系亚种，不再指定为致病变种；常缩写为Xcc，但本文中缩写为Xc-c以区别于黑腐病病原菌）和大豆脓疱病病原菌X. axonopodis pv. glycines（Xag），在感染部位引起增生和/或肥大，导致 eruption 性病斑。此类病斑被认为在病原菌传播中发挥作用。若无此类病斑，细菌可能通过气孔渗出回到叶表面，与维管病原菌一样，可通过雨水、昆虫、动物或机械传播。除Xoc、Xc-c和Xag外，具有重要经济意义和/或作为模型的非维管黄单胞菌包括X. euvesicatoria（Xe）、X. vesicatoria（Xv）、X. perforans（Xp）和X. hortorum pv. gardneri（Xhg），每种均引起番茄和辣椒细菌性斑点病；X. campestris pv. raphani（Xcr，原名pv. armoraciae），引起芸薹属叶斑病；以及X. translucens pv. undulosa（Xtu），引起小麦细菌性叶条斑。
同一黄单胞菌种内感染相同或近缘寄主的维管和非维管致病变种已成为理解组织特异性的比较研究目标。这些配对包括水稻病原菌Xoo和Xoc、芸薹属病原菌Xcc和Xcr以及谷类病原菌Xtt和Xtu。图1展示了这些及其他选定黄单胞菌引起的病害图像，以及Xcc和Xoc作为代表性维管和非维管病原菌的侵染循环。
黄单胞菌毒力机制：寄主和组织特异性的线索
在叶际存活
黄单胞菌种作为叶表面（叶际）的表生菌开始感染，叶际是一个以营养可用性、水合作用、温度和辐射波动为特征的严酷环境。尽管此阶段先于寄主侵染，但表生适合度通过决定能够到达植物进入点的细菌种群大小、持久性和空间分布，直接贡献于毒力。维管和非维管致病变种均依赖 largely 保守的机制在叶表面持续存在，强调了表生阶段作为感染成功关键决定因素的重要性。
为在叶表面定位有利生态位，黄单胞菌种依赖运动和趋化性，引导细胞趋向水膜和营养丰富位点。碳等营养源在叶际中短暂且异质分布，对表生细菌生长构成主要限制。黄单胞菌通过扩展的高亲和力TonB依赖性受体和转运蛋白（TBDR/TBDT）库来应对这一限制。这些使细菌能够摄取蔗糖和木糖等单糖以及更复杂的碳源。TBDR/TBDT库的多样化可能反映了对波动的表生营养池的适应，并贡献于竞争适合度。外膜囊泡（OMV）也可能在营养获取中发挥作用以支持表生生长。在Xe中，OMV含有蛋白酶、酯酶和木聚糖降解酶，可能作用于叶表面底物。最后，针对叶际干湿循环驱动的渗透胁迫的保护机制至关重要。一种此类机制是细菌积累相容性溶质如海藻糖、甘氨酸甜菜碱和脯氨酸，以缓解渗透胁迫。由胞外多糖（EPS）介导的表面附着对于表生定殖至关重要。EPS生物合成由保守的gum基因簇编码。EPS促进水合、保护细胞免受干燥，并在波动条件下稳定细菌聚集体。EPS功能由V型分泌系统（T5SS）黏附素XadA和FhaB补充，它们促进对寄主的附着、微菌落形成和早期生物膜发育。生物膜形成增强耐干燥性并在角质层微生境（如沟槽和毛状体基部）内提供保护。
除应对叶表面的物理环境外，黄单胞菌还必须与叶表面存在的其他微生物竞争。T4SS介导接触依赖性细菌间拮抗，并贡献于竞争适合度。微生物互作还受T6SS影响。T6SS存在于维管和非维管黄单胞菌种中，并调节运动性、生物膜形成和毒力。有趣的是，在Xp中删除核心T6SS基因导致更严重的病害，表明T6SS可能起到平衡侵袭性与持久性和传播的作用。比较分析揭示这些竞争策略在进化上具有可塑性，在属内观察到T4SS和T6SS介导的拮抗之间的转换。
进入植物组织
在叶表面建立定殖后，黄单胞菌感染的下一步是侵入植物组织。从表生存活到活跃定殖的转变通过机械损伤、昆虫取食或环境胁迫造成的伤口，或通过气孔、水孔、皮孔和蜜腺等自然开口发生。活跃定殖的侵入代表了感染循环中的关键瓶颈。
如前所述，Xcc等维管致病变种优先利用水孔，这是直接将木质部与外部环境连接的特化叶缘器官。虽然对植物水分稳态至关重要，但水孔构成脆弱性，因为这些水孔在响应非生物或生物信号时不会完全关闭，通过它们的吐水和吸收循环可将表面细菌带入叶组织内部。虽然水孔处缺乏结构性防御，但在拟南芥中已表明，孔基部上皮细胞强烈的侵染后免疫反应构成屏障。该位点的防御主要通过细胞表面共受体BAK1和胞内EDS1-PAD4-ADR1信号复合体介导。通过系统转录组分析和条形码转座子插入测序，已在适应水孔的病原菌Xcc中鉴定了克服该屏障的关键因子。在水孔定殖早期，与运动性相关的基因下调，表明向固着状态的转变。在上皮内，T3SS效应子和T2SS分泌的细胞壁降解酶（CWDE）被部署以促进细菌增殖和抑制免疫信号。在此定殖期间，碳水化合物和磷酸盐摄取转运蛋白及硫同化途径上调，表面上是为了支持Xcc生长并对抗寄主作为防御反应一部分施加的任何营养限制。在上皮中建立后，突破屏障以进入木质部代表疾病进展的关键转变。CWDE，包括CbsA，是木质部进入所特别需要的，使Xcc能够通过维管网络系统性传播。
相比之下，非维管致病变种主要利用气孔作为进入点，尽管成功进入取决于寄主基因型、环境条件、叶片发育阶段和表生种群密度。多个III型分泌效应子（T3E）汇聚作用于气孔保卫细胞信号。来自Xe的XopS通过操控WRKY40稳定性及改变水杨酸和茉莉酸防御激素串扰，阻止辣椒中PAMP触发的 stomatal closure。来自Xoc的XopAP结合磷脂酰肌醇3,5-二磷酸（一种膜磷脂），并通过与液泡H+-焦磷酸酶竞争磷脂结合，抑制保卫细胞液泡酸化并阻止气孔关闭。X. fragariae效应子XopK干扰脱落酸积累和信号传导，阻断脱落酸和茉莉酸甲酯诱导的气孔关闭。这些功能上趋同的策略说明了非维管黄单胞菌病原菌如何可靠地将寄主调控的屏障转化为允许性进入途径。
操控植物免疫系统
进入叶内部后，黄单胞菌经历快速转录重编程以定殖其偏好生态位，即非维管致病变种的叶肉质外体或维管致病变种的木质部导管。然而，仅进入并不保证成功定殖。相反，在诱导的寄主防御中存活并侵染后增殖的能力最终决定感染结果。在寄主体内，黄单胞菌遇到多层植物免疫系统，传统上概念化为两个相互关联的层面，本文稍后详述。简言之，第一层，模式触发免疫（PTI），代表在胞外空间由寄主质膜定位的模式识别受体（PRR）识别保守微生物相关分子模式（MAMP）后启动的防御反应。除PAMP外，PTI还可由植物细胞损伤相关分子模式（DAMP）触发。第二层，效应子触发免疫（ETI），当通过细菌T3SS注入植物细胞的特定病原效应蛋白被胞内抗性蛋白识别时激活，导致局部植物细胞死亡和病原生长受限。
通过保守的xps和xcs T2SS分泌的各种黄单胞菌酶通过促进组织穿透和营养获取贡献于感染。这些包括几种类型的CWDE，如果胶酶、木聚糖酶、酯酶和葡聚糖酶，还包括蛋白酶。这些酶的活性产生DAMP。因此，这些酶既能促进寄主侵染，又同时增加免疫可见性。与这一约束一致，比较基因组分析揭示致病、弱致病和共生黄单胞菌菌株之间CWDE库的显著变异，表明CWDE组成反映了生态和生活方式特化。
无论PAMP还是DAMP激活，PTI代表入侵黄单胞菌的主要屏障。在许多致病菌株中，它被抑制PTI的T3E克服。事实上，PTI可能对T3SS的获取和抑制PTI的T3E的进化施加了选择。比较分析表明，黄单胞菌种合作编码近62个不同的T3E家族，反映了属内广泛的功能特化和谱系特异性库重塑。T3E通过一系列机制抑制PTI，包括直接干扰免疫信号组分、扰动蛋白质周转和操控防御激活所需的寄主细胞过程。充分表征的PTI抑制因子包括XopQ、XopX、XopZ和XopN，它们共同抑制PTI。其他效应子如XopL（一种E3泛素连接酶）和XopR通过靶向参与免疫激活和信号放大的寄主调控枢纽来减弱PTI信号。其他效应子，包括XopK、XopP、XopS、XopH、XopAU、XopD、XopJ，也贡献于PTI抑制。
正如MAMP和II型分泌酶可能暴露病原存在并触发PTI，一些T3E可能被寄主识别并触发ETI。然而，并不意外的是，已鉴定出几个直接干扰ETI的T3E。其中一些靶向ETI信号组分。一个例子是XopQ，它通过靶向ETI相关MAPK级联的组分和14-3-3异构体TFT4，抑制辣椒中对AvrBs2的Bs2介导ETI和番茄中对AvrXv3的Xv3介导ETI。另一个是AvrBsT，它与SNF1相关激酶1（SnRK1）互作，后者是辣椒中有效诱导AvrBs1触发免疫所需的糖代谢调节因子。其他T3E通过与触发ETI的效应子互作来干扰ETI。一个例子是XopG，它干扰水稻中XopQ和XopX触发的免疫。植物在细胞核中共同识别XopQ和XopX，但XopG通过将XopQ和XopX隔离在细胞质中阻止识别（和ETI）。XopU、XopV、XopP和AvrBs2也已被证明干扰水稻中XopQ和XopX触发的免疫。机制尚不清楚，但在拟南芥和烟草中分别关于XopP和AvrBs2的证据表明，这些效应子作用于植物组分，是ETI的通用抑制因子。考虑这些例子，ETI抑制似乎已冗余且迭代地进化，突显了在不同寄主中对抗寄主免疫识别的强选择压力。
不同黄单胞菌菌株抑制、逃避或耐受植物免疫的程度在很大程度上决定其致病性。共生或机会性菌株可能部分抑制PTI但未能克服ETI，而致病菌株通常编码能够对抗两层防御的大而特化的效应子库。在某些情况下，未能绕过ETI直接限制寄主范围。例如，效应子AvrBsT增强Xp在番茄中的适合度但在辣椒中触发抗性。同样，广泛保守的效应子XopQ在Nicotiana物种中作为寄主范围决定因子，其识别贡献于非寄主抗性。近期工作强调，这些决定致病性的互作不仅依赖基因型，而且在进入位点如水孔处受到空间约束。虽然水孔是进入维管系统的门户，但它们受到前述免疫枢纽的积极守卫。这些防御限制水孔内细菌增殖和细菌逃逸到木质部。虽然适应性病原菌可通过CWDE的作用推进到木质部，但非适应性病原菌更有效地被限制，因此无法做到。涉及哌啶酸和水杨酸的第二个激素依赖性层面进一步限制维管传播。图2所示的概念框架将植物免疫描绘为连续防御层，并非所有黄单胞菌菌株都具备穿越能力。
重编程寄主生理
T3E在抑制寄主免疫中发挥核心作用。但它们也以其他方式重编程寄主生理以促进病原增殖。XopD是一种SUMO蛋白酶，作用于寄主蛋白以重塑寄主转录程序和激素响应，特别是防御相关衰老和乙烯响应，延长与活寄主组织的关联并增加细菌种群生长。像AvrBs2这样含有甘油磷酸二酯酶结构域的效应子，在递送到植物细胞后，可催化尿苷5'-二磷酸-α-D-半乳糖转化为糖黄单胞糖（磷酸二酯，双-[1,6]-环状二聚α-D-半乳糖-磷酸）。黄单胞糖随后被释放到胞外空间，在那里可被细菌分解代谢。转录激活样效应子（TALE）是寄主核定位的DNA结合蛋白，上调效应子特异性"感病性"（S）基因的转录，进而促进病原定殖植物、引起症状或两者兼有。迄今鉴定的S基因包括营养转运蛋白、植物细胞壁修饰酶和转录因子，包括发育调节因子。这些S基因的假定或已证明作用包括支持病原代谢、调节寄主细胞壁特性以促进水浸和病斑扩展，以及通过 eruption 性病斑发育促进病原外逃和传播。柑橘中的一个例子特别有趣，因为它展示了细菌T3SS和T2SS在从寄主获取营养中的协同作用。由Xc-c TALE PthA4激活的S基因CsLOB1编码一个转录因子，进而激活参与果实成熟的寄主基因，包括许多CWDE基因，导致从植物细胞壁释放糖。在这些糖中，木糖（半纤维素木聚糖的组分）激活细菌中T2SS分泌的木聚糖酶的表达。使用这种酶，Xc-c降解木聚糖以供摄取和利用。PthA4和此处呈现的其他例子说明，虽然T3E通常被认为主要功能是对抗防御（包括对抗细菌T2SS分泌酶产生的DAMP），但它们以许多其他方式贡献于病害，包括通过与T2SS分泌酶的协同作用。
定殖特定寄主和组织
尽管已有广泛的基因组资源，确定黄单胞菌中的寄主特异性决定因子仍是一个活跃的研究领域。虽然单个T3E可通过在特定寄主物种的特定基因型中激活ETI而使菌株无毒，但其丢失或突变可能或可能不会导致寄主特异性的扩展。效应子本身可能在新寄主物种中是毒力所需的，或者可能需要一个不同的、正作用的寄主特异性毒力因子。早期研究寄主范围扩展的工作使该领域从单基因解释转向"库对库"假说。寄主范围与T3E库（"效应子组"）之间的相关性支持这一假说，即多个毒力因子共同影响细菌定殖特定植物寄主的能力，反过来，寄主驱动的免疫选择作为塑造效应子组组成的主要力量。然而，后续研究表明寄主特异性不能完全由T3E内容解释，需要更整体的观点。对感染辣椒的黄单胞菌菌株的比较基因组学和全基因组关联分析揭示了额外位点的贡献，包括TonB依赖性受体和邻近编码的CWDE位点。MAMP的变异也可能贡献于寄主特异性，受植物类群中PRR演化景观的塑造。同样，趋化传感器、附着介体和转录调节因子的变异可能作为影响寄主特异性的生态过滤器，相应同源寄主分子的变异在进化时间中塑造该特异性的演化。因此，黄单胞菌中的寄主特异性最好理解为多基因性状。结合功能基因组学和实验进化等方法的研究对于破译寄主特异性决定因子至关重要。
除寄主特异性外，组织特异性是特化的另一轴。组织特异性反映了使细菌能够定殖植物物种内不同生态位（如维管或非维管组织）的适应。这些不同组织呈现独特的结构、化学和免疫环境。对不同组织向性黄单胞菌菌株中致病相关基因簇的比较分析未能鉴定与组织特异性相关的基因获得或丢失多态性。然而，在xcs T2SS和hrp T3SS的组分中检测到正选择，并且在T2SS蛋白XpsD和T3SS相关蛋白HpaA的少数氨基酸位置，变异与组织特异性相关。因此，黄单胞菌中的组织向性可能由保守毒力机制内的精细功能多样化 and/or 谱系特异性适应塑造。一个明显的例外是T2SS分泌酶纤维二糖苷酶CbsA。在几个黄单胞菌种和致病变种中，CbsA的存在与维管致病性强烈相关，在X. translucens中，它作为组织向性的必要且充分决定因子发挥作用。cbsA的获得使通常定殖质外体的X. translucens菌株能够侵入维管系统，而cbsA的丢失使维管病原菌向非维管定殖转变。
毒力调控
黄单胞菌中的毒力受一个高度互联的调控网络支配，该网络将环境、寄主来源和种群水平线索的感知与适当的致病反应联系起来。控制毒力的调控网络已被广泛综述。此处重点介绍关键模块，说明黄单胞菌如何利用群体感应、全局转录调节因子和小RNA整合细胞密度、氧化还原状态、营养可用性和寄主线索的信息，以动态时空部署毒力因子。
由双组分系统（TCS）检测扩散信号因子（DSF）介导的群体感应在协调细菌种群依赖性行为中发挥核心作用。DSF是由细菌RpfF合酶产生的脂肪酸信号分子。TCS RpfC传感器组氨酸激酶在检测到胞外DSF后发生自磷酸化，进而RpfG响应调节因子被磷酸化以激活其磷酸二酯酶活性并水解胞内环二GMP（c-di-GMP）水平。高胞内c-di-GMP水平结合Clp转录调节因子，抑制Clp结合毒力基因启动子并阻断毒力基因上调。在高细菌种群水平下DSF感知和RpfG激活后，c-di-GMP被降解，允许Clp结合靶DNA位点并正调控毒力基因。除毒力基因上调外，Clp还激活运动性和T3SS调控基因fhrR以及锌摄取和输出调控基因zur的表达。其他TCS，如RavS和RavR，感知不同的环境信号但以类似方式贡献于c-di-GMP周转。RavS含有涉及氧感知的PAS结构域，推测响应低氧条件。通过TCS，群体和氧化还原感知与毒力基因和分泌系统的转录控制耦合。
毒力调控的核心还包括HrpG-HrpX级联，协调T3SS、T2SS和其他毒力相关基因的表达。HrpG是一种OmpR家族响应调节因子，响应多个上游TCS和环境刺激。激活后，HrpG诱导HrpX（一种AraC型转录调节因子）的表达。HrpX通过结合植物诱导型启动子（PIP）框基序直接上调T3SS机制组分和T3E。HrpG调节子还延伸至参与代谢、运输和细胞壁降解的基因，强调其在毒力中的作用。HrpG和HrpX调控由多个交叉调节因子精化。转录调节因子Zur和HrpG共同诱导hrpX表达，而hrp基因表达受FhrR负调控。比较转录组分析表明，虽然HrpG-HrpX核心在属内广泛保守，但下游调节子高度菌株和致病变种特异性。这种调控可塑性表明，黄单胞菌中毒力的进化经常通过保守枢纽下游调控输出的重连而非毒力因子的获得或丢失来进行。HrpG还可负调控rpfG，表明响应环境条件和细胞密度协调部署能量昂贵的毒力功能。
除细胞密度外，黄单胞菌中的毒力调控与碳可用性，特别是寄主来源的糖紧密耦合。在Xoo中，木糖作为HrpX积累和hrp基因表达的关键信号，反映了对富含木聚糖的水稻木质部的适应。Xoo可能通过T2SS分泌的木聚糖酶解聚木聚糖获取木糖，将该糖既用作碳源又用作毒力诱导物。hrp基因的诱导是糖特异性的且在黄单胞菌中不保守。例如，在感染柑橘和番茄/辣椒的黄单胞菌中，半乳糖、蔗糖和果糖单独诱导hrp表达，但木糖不诱导，表明寄主依赖性调控特化。已知调节半乳糖代谢的GamR调节因子通过结合共享上游区域直接激活Xoo中的hrpG和hrpX。值得注意的是，GamR介导的半乳糖代谢相关基因表达是半乳糖依赖性的，而GamR依赖性的hrp调节因子激活是半乳糖非依赖性的，表明黄单胞菌已征用代谢调节因子进行毒力控制。在其他致病变种如Xc-c中，半乳糖本身作为hrpX表达的诱导物，表明保守调节因子与寄主特异性碳线索接口的多样化。
转录后调控在毒力调控中增加了一层控制。小RNA与RNA伴侣Hfq和RNA结合蛋白CsrA一起，实现毒力基因表达的快速可逆调节。Hfq影响T3SS基因、胁迫响应途径和代谢功能的表达。通过稳定sRNA并促进与靶mRNA的碱基配对，Hfq使环境线索感知下游的调节因子丰度和信号放大得以快速调节。Hfq缺失导致毒力的多效性缺陷。一个这样的例子涉及Hfq依赖性sRNA sx13。sx13通过调节关键调控转录本（包括hfq本身）的转录后控制正向影响hrp基因表达。通过这种反馈机制，sx13强化Hrp调控网络并有助于在启动后稳定毒力激活。这种基于RNA的强化可能支持早期寄主定殖期间持续的T3SS表达，同时保留条件变化时快速关闭的能力。CsrA通过直接结合靶mRNA以调节翻译和mRNA稳定性增加额外的转录后控制层。在黄单胞菌中，CsrA影响运动性、EPS产生、代谢和分泌系统输出，将其定位为连接代谢状态与毒力行为的关键节点。通过在多个靶标上协调翻译抑制或激活，CsrA使黄单胞菌能够响应营养可用性和胁迫平衡生长、持久性和致病性。
因此，通过动态整合种群密度、环境和寄主来源线索，通过包括转录因子和小RNA在内的互联调控网络，黄单胞菌种时空协调不同的毒力程序，使其能够定殖特定寄主和组织。将黄单胞菌的感染过程解析为阶段特异性和生态位适应过程，涵盖表生适合度、进入位点利用、免疫抑制和生态位特异性调控，为鉴定寄主靶标和病原脆弱性提供了框架，可用于破坏感染和设计管理病原的策略。
植物对黄单胞菌的防御：理解与工程化抗性
植物免疫的多层互联
黄单胞菌病原菌要定殖寄主，必须克服多层植物免疫。如前所述，植物细胞表面的PRR检测PAMP和DAMP，后者分别来源于植物病原菌的保守元件或质外体中寄主来源的分解产物。PRR对PAMP或DAMP的识别导致PTI，涉及离子流（包括钙内流）、活性氧（ROS）爆发、防御基因级联诱导和胼胝质沉积，共同阻止病原增殖和疾病进展。为克服这一初始植物免疫反应，黄单胞菌（与其他革兰氏阴性植物病原菌一样）进化出分泌到植物细胞的T3E，可颠覆PTI或以其他方式贡献于适合细菌增殖的环境，导致效应子触发感病性。植物反过来进化出胞内核苷酸结合富亮氨酸重复受体蛋白（NLR）来检测这些效应子或其活性。NLR激活启动ETI，一种汇聚于程序性细胞死亡或超敏反应（HR）的防御反应，限制病原传播。虽然最初被认为是不相通的途径，但PTI和ETI相互依赖并相互增强；两者都是强大免疫反应所需的。除PTI和ETI外，还描述了黄单胞菌特异性防御机制。本节讨论PTI、ETI和黄单胞菌特异性防御，随后考虑工程化抗黄单胞菌的潜力。图3描绘了植物对黄单胞菌病原菌多层互联免疫中的关键角色。
植物细胞表面的防御
细胞表面PRR可被视为必须被黄单胞菌病原菌克服的第一道防线。例如，广泛分布的FLS2受体样激酶（RLK）检测源自鞭毛的flg22肽，许多黄单胞菌依赖鞭毛进行运动和植物定殖。各种柑橘物种的FLS2-1和FLS2-2基因检测Xc-c flg22并提供一定程度的柑橘溃疡病抗性。在Xe、Xp和Xhg中，flg22表位中存在天冬氨酸到缬氨酸的替换，消除了番茄和辣椒中FLS2对其的检测。然而，番茄和辣椒PRR FLS3可通过检测鞭毛蛋白的不同区域flgII-28来克服这种检测丢失。反过来，一些物种如Xe的鞭毛在flgII-28区域具有天冬酰胺到赖氨酸的替换，允许逃逸FLS3检测。另一个检测黄单胞菌的PRR是拟南芥脂寡糖特异性降低激发子（LORE）蛋白，它特异性检测X. campestris脂多糖（LPS）的脂质A部分。在拟南芥中发现的ReMAX蛋白PRR检测一种称为eMax（黄单胞菌神秘MAMP）的PAMP，存在于几个黄单胞菌种中。其他保守黄单胞菌分子，如T3SS菌毛HrpE蛋白、对寄主表面附着和生物膜形成重要的黏附蛋白XacFhaB，以及从黄单胞菌细胞壁释放的肽聚糖和胞壁肽，也通过尚未表征的PRR触发PTI。除源自保守细菌结构的经典PAMP外，一些分泌到质外体的菌株或物种特异性病原蛋白被PRR检测。例如，水稻PRR Xa21通过检测某些Xoo菌株分泌的RaxX蛋白赋予白叶枯病抗性。RaxX也存在于感染玉米、木薯和番茄的黄单胞菌中。鉴于前述CWDE在感染中的关键作用，DAMP激活的PTI在植物对黄单胞菌的防御中也发挥作用是直观的。例如，Xcc exbD2基因编码一种分泌型果胶酸裂解酶，释放植物细胞壁寡聚半乳糖醛酸苷，激活PTI。黄单胞菌PAMP和DAMP及寄主PRR的多样性、逃逸PTI的PAMP的出现以及PRR检测物种特异性PAMP的能力，指向这些模式及其相应PRR基因在寄主植物病害结果中发挥的关键作用。
植物细胞内部的防御
黄单胞菌病原菌与其他细菌病原菌一样，已进化出利用分泌到植物寄主细胞的T3E（如上一节毒力机制中所述）来阻碍PTI。然而，这些蛋白本身可通过NLR介导的ETI触发防御。NLR检测对毒力重要的良好保守细菌T3E可广泛有效。例如，辣椒NLR Bs2检测Xcv T3E AvrBs2，后者在感病辣椒和苜蓿寄主中完全毒力所需，且在该病原不同菌株中高度保守。AvrBs2也存在于其他黄单胞菌种中，Bs2作为转基因已显示可保护柑橘免受Xc-c和引起番茄细菌性斑点的四种黄单胞菌种。另一个例子是Nicotiana benthamiana NLR Roq1。它检测免疫抑制效应子XopQ，后者在黄单胞菌中广泛保守。
检测含有共享结构蛋白的效应子家族也可赋予对多种细菌致病变种乃至种的抗性。水稻核NLR Xa1和Xo1检测Xoc和Xoo中TALE家族成员。虽然大多数Xoc和Xoo菌株分泌多个具有不同DNA结合特异性和毒力贡献的TALE，但Xa1和Xo1被认为通过保守结构特征检测多样TALE，因为无转录激活活性的突变TALE仍触发Xo1免疫。有趣的是，与水稻NLR一样，番茄NLR Bs4检测多个Xe和X. campestris pv. amoraciae TALE。然而，与核定位的水稻NLR相反，Bs4预测为细胞质定位且序列不同，提供了NLR趋同进化以检测对黄单胞菌毒力重要的效应子家族的例子。
除识别保守效应子或具有相似结构的效应子家族外，一些NLR检测效应子活性。拟南芥ZAR1 NLR检测Xcc AvrAC的活性，后者修饰植物激酶PBL2。ZAR1与RKS1等假激酶形成复合体。ZAR1-RKS1复合体检测修饰后的PBL2，后者成为复合体的一部分，并启动免疫。同样，Nicotiana benthamiana中的ZAR1直系同源物通过XopJ4修饰JIM2假激酶检测Xp XopJ4。除检测效应子活性外，NLR可在效应子作用或病原感染位点定位或特异性表达。上述水稻Xa1和Xo1 NLR是一个例子。这些NLR驻留在细胞核中，TALE在III型递送后定位于此。SUT1 NLR在水孔处提供免疫，维管病原菌如Xcc在此进入寄主组织，这与ZAR1形成对比，后者在水孔、木质部和叶肉中广泛有效对抗Xcc。
黄单胞菌病原菌如何克服ETI？如前所述PTI抑制的情况一样，它们已进化出针对ETI的逃避和阻碍机制。前者的一个例子是辣椒Bs2 NLR介导的ETI。一些Xcv田间菌株在AvrBs2效应子中具有点突变，损害Bs2的识别。然而，Bs2仍是大多数番茄品种的首选抗性，因为具有Bs2逃逸AvrBs2效应子的Xcv菌株在辣椒和番茄寄主上显示毒力受损，且可能不如具有Bs2激活AvrBs2的菌株具有竞争力。阻碍的一个例子可见于TALE触发的Xo1免疫。一些X. oryzae菌株携带截短TALE，也称为干扰TALE，抑制免疫，可能通过阻断TALE检测。
黄单胞菌特异性防御机制
虽然PRR守卫质外体而NLR守卫胞内空间，植物寄主还可能以其他方式运行效应子活性以 mount 防御。TALE激活的执行者（E）基因说明了这一现象。如前所述，在亲和互作中，TALE结合感病性（S）基因的启动子以诱导其表达。E基因同样通过TALE结合其启动子上调。然而，E基因激活不是贡献于感病性，而是导致寄主细胞死亡并阻止感染传播，可能通过植物发育途径共享的一种程序性细胞死亡。E基因存在于不同植物物种中。例子包括水稻中由Xoo TALE AvrXa7上调的Xa7基因和辣椒中由Xv TALE AvrBs3和Xp TALE AvrHah1上调的Bs3。
对于依赖一个或多个S基因激活TALE进行毒力的黄单胞菌病原菌，植物对它们的防御可涉及TALE结合位点序列的等位变异，阻止S基因激活。遗传隐性水稻xa13（OsSWEET11）和xa25（OsSWEET13）抗性基因相对于显性等位基因在其启动子中具有突变，阻止TALE结合和基因激活。OsSWEET基因编码蔗糖输出蛋白，其激活被认为为细菌在 otherwise 营养贫乏的木质部中提供糖源；OsSWEET激活的缺乏阻碍细菌增殖和病害。除阻止S基因激活外，S基因编码序列内的突变也可贡献于防御。一个例子是水稻xa5基因，OsTFIIAγ5转录因子亚基基因的等位基因。TALE依赖与TFIIAγ5互作以发挥完全活性。xa5相对于显性等位基因编码单个氨基酸替换，损害该互作并降低Xoo TALE转录激活OsSWEET（和其他）S基因的能力，通过感病性丧失提供抗性。另一个是辣椒bs5基因，编码一种富含半胱氨酸的跨膜模块蛋白，相对于显性等位基因缺少两个氨基酸。它赋予对Xcv的抗性，可能通过破坏效应子递送到寄主细胞。
工程化防御
如上例所示，黄单胞菌与所有病原菌一样，已进化并将继续进化出克服植物防御的方式。然而，理解黄单胞菌-植物互作中发生的多样抗性机制及病原如何克服它们，为分子干预以对抗病原适应打开了大门。一个这样的例子集中在TALE激活的S基因上。只要S基因启动子中TALE结合位点的破坏没有有害效应，S基因编辑就可以是工程化抗依赖TALE的黄单胞菌的有效手段。由于TALE DNA识别的模块化机制，鉴定可编辑用于此类感病性丧失抗性的重要S基因相对直接。对毒力重要的TALE的候选靶标可通过预测全基因组所有基因启动子中的结合位点并从中选择被TALE上调的基因来鉴定。可能出现识别编辑位点或激活替代S基因（如果存在）的新TALE，但完全基因敲除（如果无有害效应）或堆叠多个编辑启动子（如对OsSWEET S基因家族所做）可能提供持久解决方案。
营养争夺，如TALE和OsSWEET互作所例示，可引导感染结果。最近展示了另一种靶向营养可用性的工程化抗性方法。如前所述，发现黄单胞菌T3E AvrBs2驱动植物细胞中糖磷酸二酯黄单胞糖的产生，细菌将其用作碳源。在水稻中，黄单胞糖特异性磷酸二酯酶XanP的转基因表达有效对抗Xoc递送的AvrBs2活性，使细菌缺乏该营养并赋予细菌性叶条斑抗性。
工程化寄主抗性的另一种方式是将一个物种的免疫受体引入另一个物种。PRR如Xa21在水稻品种间或跨物种转移到香蕉和柑橘，分别赋予对Xoo、Xvm和Xc-c的新抗性。来自拟南芥的EFR PRR转移到番茄也赋予对Xp的增强抗性。并且，玉米NLR Rxo1转移到水稻后提供对Xoc的抗性。辣椒Bs2 NLR及其所需下游辅助NRC共转移到水稻也赋予对Xoc的抗性。参与植物免疫的非NLR基因也已被转移，如来自甜椒的Hrap和Pflp基因转移到香蕉，在其中赋予对黄单胞菌枯萎病的强健抗性。总之，这些例子突显了一个病理系统中机制理解用于转移到另一个系统的效用。
寄主抗性还可通过敲除负调控因子来增强。虽然植物防御的去抑制通常伴随生长代价，但在香蕉中，CRISPR诱变两个调节PTI的E3泛素连接酶基因导致植物完全抗Xvm且未观察到对生长的影响。
最后，理解免疫受体配体检测或抑制的分子机制为近期受体工程努力奠定了基础。一个例子涉及来自Citrus maxima的SCORE PRR，它检测源自细菌冷休克蛋白（CSP）csp15的肽。利用CSP和检测它们的相应SCORE直系同源物之间的多样性，鉴定了SCORE中关键的csp15互作残基。然后工程化PRR以检测来自各种植物病原菌（包括多个黄单胞菌种）的CSP。虽然目前针对黄单胞菌的免疫受体工程例子很少，但通过编辑配体识别位点、工程化NLR诱饵靶标以通过其活性捕获效应子、交换NLR中的整合结构域以及将纳米抗体整合到NLR中，展示PRR或NLR分别对新型PAMP或效应子的识别，展示了工程化植物免疫以增强抗性的潜力。
展望
如上综述，在鉴定决定黄单胞菌与寄主互作结果的关键分子和机制方面已取得实质性进展。这些知识启发了减轻该属全球危害的新遗传方法。然而，随着黄单胞菌病原菌不断进化新颖毒力机制以在植物中取得成功，持续努力理解这些机制（包括所涉及的毒力因子和受影响的植物过程）对于防范这些细菌造成的严重损失至关重要。研究人员认为，通过干扰毒力因子功能和通过植物育种和基因组编辑工程化抗性来阻止病原攻击，是两个最有前景的领域。这些干预措施的关键在于更深入地理解寄主和组织特异性以及黄单胞菌病原菌逃避或抑制植物免疫的多样性。对于前者，阐明影响寄主和组织特异性的病原和寄主因子将继续重要。几个关键问题仍未解答。不同病害中寄主和组织特异性决定因子有多保守或多变？不同寄主或组织中的营养景观在多大程度上定义感染结果？一些近缘菌株如何在寄主范围上差异如此巨大？远缘黄单胞菌如何趋同于相同寄主？在进化上，寄主和组织特异性有多可塑？对于工程化抗性，表征T3E、其靶标及识别效应子的任何免疫受体将继续是核心。哪些效应子家族或活性在进化上最保守，因此是工程化抗性的最佳靶标？T3E效应子靶标在植物正常生理中如何运作，能否修饰它们以保护免受效应子活性而不扰动那些内源功能？免疫受体识别效应子的机制多样性是什么，哪些机制通过蛋白质工程最可微调？最后，虽然互作特异性和免疫值得最大关注，但还有其他几个主题也值得进一步关注。一个例子是环境线索如何被感知并转译以协调毒力因子部署，例如通过T2SS和T3SS。此外，该调控在不同寄主病原菌中有多多样化，以及响应如何在时间和空间上在种群水平协调？另一个例子，在气候变化背景下尤其重要，是 non-biological 因素对黄单胞菌-植物互作的影响，包括对毒力、特异性和免疫的影响。我们能否建立对这种影响的预测性理解以支持主动病害管理？还有一个是植物微生物组对黄单胞菌-植物互作的影响，以及气候变化预期下微生物组变异的影响。能否利用对这些影响的理解进行微生物组工程以控制病害？总之，虽然已奠定坚实基础，但持续研究黄单胞菌病原菌毒力和植物对其防御既代表紧迫需求，也代表可持续改善粮食和经济安全的一系列令人兴奋的机遇。
