Factors affecting biosynthesis by Xanthomonas albilineans of albicidin antibiotics and phytotoxins

Albicidins are important factors in systemic pathogenesis by Xanthomonas albilineans, which causes the devastating leaf scald disease of sugar cane. They ale also of substantial interest as antibiotics that selectively block prokaryote DNA replication. Albicidin biosynthesis is highly sensitive to medium composition. An optimized, chemically defined medium (SMG3) yielded 30-fold more albicidin from half the accumulated biomass, relative to sucrose peptone (SP) medium. Phosphate starvation stimulated albicidin production in SMG3 and SP media. Addition of other amino acids, ammonium ions or peptones to the defined medium increased the growth rate of X albilineans XA3, but differentially inhibited albicidin biosynthesis. Knowledge of these factors indicates new approaches to understanding mechanisms of pathogenesis and resistance to sugar cane leaf scald disease, and to strain improvement for production of albicidin antibiotics.

Analysis of the genes flanking xabB: a methyltransferase gene is involved in albicidin biosynthesis in Xanthomonas albilineans

Transposon mutagenesis and complementation studies previously identified a gene (xabB) for a large (526 kDa) polyketide-peptide synthase required for biosynthesis of albicidin antibiotics and phytotoxins in the sugarcane leaf scald pathogen Xanthomonas albilineans. A cistron immediately downstream from xabB encodes a polypeptide of 343 aa containing three conserved motifs characteristic of a family of S-adenosyl-L-methionine (SAM)-dependent O-methyltransferases. Insertional mutagenesis and complementation indicate that the product of this cistron (designated xabC) is essential for albicidin production, and that there is no other required downstream cistron. The xab promoter region is bidirectional, and insertional mutagenesis of the first open reading frame (ORF) in the divergent gene also blocks albicidin biosynthesis. This divergent ORF (designated thp) encodes a protein of 239 aa displaying high similarity to several IS21-like transposition helper proteins. The thp cistron is not located in a recognizable transposon, and is probably a remnant from a past transposition event that may have contributed to the development of the albicidin biosynthetic gene cluster. Failure of 'in trans' complementation of rhp indicates that a downstream cistron transcribed with thp is required for albicidin biosynthesis. (C) 2000 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Characterization of the acyl carrier protein gene and the fab gene locus in Xanthomonas albilineans

A genomic region containing the fatty acid biosynthetic (fab) genes was isolated from the sugarcane leaf-scald pathogen Xanthomonasalbilineans. The order and predicted products of fabG (beta -ketoacyl reductase), acpP (acyl carrier protein), fabF(ketoacyl synthase II) and downstream genes in X. albilineans are very similar to those in Escherichia coli, with one exception. Sequence analysis, confirmed by insertional knockout and specific substrate feeding experiments, shows that the position occupied by pabC (encoding aminodeoxychorismate lyase) in other bacteria is occupied instead by pabB (encoding aminodeoxychorismate synthase component I) in X. albilineans. Downstream of pabB, X. albilineans resumes the arrangement common to characterized Gram-negative bacteria, with three transcriptionally coupled genes, encoding an ORF340 protein of undefined function, thymidylate kinase and delta' subunit of DNA polymerase III holoenzyme (HolB). Different species may obtain a common advantage from coordinated regulation of the same biosynthetic pathways using different genes in this region. (C) 2000 Federation of European Microbiological Societies. Published by Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Mechanisms of biocontrol by Pantoea dispersa of sugar cane leaf scald disease caused by Xanthomonas albilineans

Albicidins, a family of phytotoxins and antibiotics produced by Xanthomonas albilineans, are important in sugar cane leaf scald disease development. The albicidin detoxifying bacterium Pantoea dispersa (syn. Erwinia herbicola) SB1403 provides very effective biocontrol against leaf scald disease in highly susceptible sugar cane cultivars. The P. dispersa gene (albD) for enzymatic detoxification of albicidin has recently been cloned and sequenced. To test the role of albicidin detoxification in biocontrol of leaf scald disease, albD was inactivated in P. dispersa by site-directed mutagenesis. The mutants, which were unable to detoxify albicidin, were less resistant to the toxin and less effective in biocontrol of leaf scald disease than their parent strain. This indicates that albicidin detoxification contributes to the biocontrol capacity of P. dispersa against X. albilineans. Rapid growth and ability to acidify media are other characteristics likely to contribute to the competitiveness of P. dispersa against X. albilineans at wound sites used to invade sugar cane.

Genes for albicidin biosynthesis and resistance span at least 69 kb in the genome of Xanthomonas albilineans

All Tn5 insertion mutants of Xanthomonas albilineans, the cause of leaf scald disease of sugar cane, which failed to produce albicidin antibiotics failed to cause chlorosis in inoculated sugar cane but- remained resistant to albicidin. Southern analysis revealed that mutants deficient in albicidin production carried the transposon on different chromosomal restriction fragments spanning at least: 50 kb in the X. albilineans genome, which is larger than any reported cluster of genes involved in the production of a bacterial phytotoxin. Albicidin-resistant cosmid clones from a Tox(-) Tn5 insertion mutant did not carry the transposon, and the subcloned albicidin resistance gene did not hybridize to any of the restriction fragments carrying Tn5 in the Tox(-) mutants, indicating that the albicidin biosynthesis and resistance genes are not closely linked in X. albilineans.

The gene for albicidin detoxification from Pantoea dispersa encodes an esterase and attenuates pathogenicity of Xanthomonas albilineans to sugarcane

Albicidin phytotoxins are pathogenicity factors in a devastating disease of sugarcane known as leaf scald, caused by Xanthomonas albilineans. A gene (albD) from Pantoea dispersa has been cloned and sequenced and been shown to code for a peptide of 235 amino acids that detoxifies albicidin, The gene shows no significant homology at the DNA or protein level to any known sequence, but the gene product contains a GxSxG motif that is conserved in serine hydrolases, The AlbD protein, purified to homogeneity by means of a glutathione S-transferase gene fusion system, showed strong esterase activity on p-nitrophenyl butyrate and released hydrophilic products during detoxification of albicidins. AlbD hydrolysis of p-nitrophenyl butyrate and detoxification of albicidins required no complex cofactors, Both processes were strongly inhibited by phenylmethylsulfonyl fluoride, a serine enzyme inhibitor, These data strongly suggest that AlbD is an albicidin hydrolase, The enzyme detoxifies albicidins efficiently over a pH range from 5.8 to 8.0, with a broad temperature optimum from 15 to 35 degrees C, Expression of albD in transformed X. albilineans strains abolished the capacity to release albicidin toxins and to incite disease symptoms in sugarcane, The gene is a promising candidate for transfer into sugarcane to confer a form of disease resistance.

A multifunctional polyketide-peptide synthetase essential for albicidin biosynthesis in Xanthomonas albilineans

Albicidins, a family of potent antibiotics and phytotoxins produced by the sugarcane leaf scald pathogen Xanthomonas albilineans, inhibit DNA replication in bacteria and plastids. A gene located by Tn5-tagging was confirmed by complementation to participate in albicidin biosynthesis. The gene (xabB) encodes a large protein (predicted Mr 525695), with a modular architecture indicative of a multifunctional polyketide synthase (PKS) linked to a non-ribosomal peptide synthetase (NRPS). At 4801 amino acids in length, XabB is the largest reported PKS–NRPS. Twelve catalytic domains in this multifunctional enzyme are arranged in the order N terminus–acyl-CoA ligase (AL)–acyl carrier protein (ACP)–ß-ketoacyl synthase (KS)–ß-ketoacyl reductase (KR)–ACP–ACP–KS–peptidyl carrier protein (PCP)–condensation (C)–adenylation–PCP–C. The modular architecture of XabB indicates likely steps in albicidin biosynthesis and approaches to enhance antibiotic yield. The novel pattern of domains, in comparison with known PKS–NRPS enzymes for antibiotic production, also contributes to the knowledge base for rational design of enzymes producing novel antibiotics.

Genes diferencialmente expressos em cana-de-açúcar inoculada com Xanthomonas albilineans, o agente causal da escaldadura da folha

A escaldadura da folha, causada pela bactéria Xanthomonas albilineans colonizadora do xilema, é uma das principais doenças da cana-de-açúcar. A sintomatologia na fase crônica é caracterizada principalmente pelo aparecimento de uma faixa branca paralela à nervura central da folha, que evolui até queimar totalmente, sendo também observado brotação de gemas laterais no colmo. Neste trabalho, a técnica de macroarranjos de cDNA foi empregada para o estudo da expressão de 3.575 ESTs (espressed sequence tags) em folhas de cana-de-açúcar. Foram utilizadas duas variedades, uma resistente (SP82-1176) e outra suscetível (SP78-4467) a Xanthomonas albilineans as quais foram infectadas mecanicamente por ferimentos. As membranas dos macroarranjos foram confeccionadas a partir de ESTs de bibliotecas de folha e cartucho de cana-de-açúcar provenientes do projeto SUCEST e hibridizadas contra sondas de cDNA de plantas infectadas e controle marcadas com isótopos radioativos. Analisando os resultados dos macroarranjos foi possível verificar um comportamento diferenciado para cada variedade durante o ataque do patógeno. Após realizadas análises estatísticas identificamos na variedade resistente ESTs com expressão induzida relacionadas com biossíntese de isoprenoides, proteínas LRR transmembrânica, "ziper" de leucina, lignificação, tolerância ao frio, diferenciação de plastídeos, sistemas de defesa e de adaptação da planta ao meio ambiente. As ESTs reprimidas na variedade resistente foram àquelas relacionadas com genes responsáveis pela síntese de proteínas do controle da expansão da parede celular, detoxificação e transporte de auxina. Na variedade susceptível foram reprimidas ESTs relacionadas a genes de proteínas das respostas de defesa da planta, biossíntese de Etileno e regulação da transcrição.

Caracterização molecular e patogênica de isolados de Xanthomonas albilineans (Ashby) Dowson, agente causal da escaldadura das folhas da cana-de-açúcar

A escaldadura das folhas, causada pela bactéria Xanthomonas albilineans (Ashby) Dowson, é uma das cinco doenças mais importantes da cana-de-açúcar e sua ocorrência reduz o rendimento e a longevidade da cultura. Variedades resistentes têm sido usadas para o controle, porém há evidências da ocorrência de variantes do patógeno. Em campos comerciais do Estado de São Paulo, tem sido observado que a mesma variedade de cana se apresenta como resistente em uma região e suscetível em outra, sugerindo a ocorrência de variantes na população do patógeno. Assim, o objetivo deste trabalho foi investigar a presença de diversidade genética da bactéria em áreas comerciais. Um total de 50 isolados foram obtidos em cultura pura a partir de plantas sintomáticas coletadas em Piracicaba (SP), Jaú (SP), região de Ribeirão Preto (SP) e Iturama (MG). Os isolados foram confirmados como pertencentes à espécie X. albilineans por meio de características de colônias, serologia e PCR com 'primers' específicos. Para caracterização da diversidade genética, foi usado o método de Rep-PCR, a partir do DNA extraído de cada isolado. Oito isolados, provenientes dos diferentes grupos identificados por rep-PCR, foram usados em testes de patogenicidade, por meio de inoculação em duas variedades de cana. Os resultados confirmaram todos os isolados como pertencentes à espécie X. albilineans. Por meio de rep-PCR, foi demonstrada diversidade genética entre os isolados, os quais foram separados em três grupos: um grupo composto somente pelos isolados de Piracicaba; um segundo, contendo todos os isolados amostrados em Jaú e na região de Ribeirão Preto, e um isolado de Iturama; e, no terceiro, somente dois isolados coletados em Iturama. Os testes de patogenicidade revelaram diferenças na agressividade entre isolados, porém sem relação com sua região de origem. Este trabalho revelou a ocorrência de diversidade genética e de agressividade dentro da espécie X. albilineans, evidenciando uma possível relação entre ocorrência de variantes do patógeno e reação de variedades de cana cultivadas no estado de São Paulo.

Comparação de dois métodos diagnósticos de escaldadura-das-folhas (Xanthomonas albilineans) da cana-de-açúcar

A escaldadura-das-folhas (Xanthomonas albilineans) é uma das principais doenças da cana-de-açúcar devido ao dano que causa e à dificuldade da sua correta identificação, especialmente quando a planta, embora infectada, não apresenta sintomas visíveis (fase latente da doença). Essa característica faz com que sua disseminação para novas áreas ocorra através do plantio de toletes aparentemente sadios. A redução na produtividade ocorre quando, em condições de stress hídrico, plantas passam a exibir sintomas crônicos e agudos da doença. Como a maioria das variedades comerciais atualmente cultivadas no Brasil são portadoras assintomáticas da doença, a correta diagnose da doença se constitui numa das principais medidas para o sucesso do controle. O presente trabalho objetivou examinar a eficiências de diferentes métodos diagnósticos de X. albilineans. Dados obtidos demonstraram que o método clássico de isolamento do patógeno em meio de cultura a partir da seiva dos internódios do colmo não foi confiável enquanto o método de amplificação por PCR detectou a bactéria em plantas com os três diferentes sintomas da doença.

Genes diferencialmente expressos em cana-de-açúcar inoculada com Xanthomonas albilineans, o agente causal da escaldadura da folha

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Caracterização da variabilidade genética em isolados de Xanthomonas albilineans oriundos de diferentes regiões do Brasil

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Perfil de expressão gênica de cana-de-açúcar submetida a estresse biótico com Xanthomonas albilineans

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Molecular and Pathogenic Diversity Among Brazilian Isolates of Xanthomonas albilineans Assessed with SSR Marker Loci

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)