ประวัติการศึกษาโรคพืชที่เกิดจากแบคทีเรีย
(History of plant pathogenic bacteria)
ค.ศ. 1683 Antonie van Leeuwenhoek ประดิษฐ์กล้องจุลทรรศน์ ทำให้มองเห็นแบคทีเรียเป็นครั้งแรก ซึ่งขณะนั้นยังมีความเชื่อในทฤษฎี spontaneous generation กล่าวว่า “สิ่งมีชีวิตเกิดขึ้นได้เอง” ในปี 1861 Louis Pasteur จึงพิสูจน์ให้เห็นว่าสิ่งมีชีวิตกำเนิดจากสิ่งมีชีวิตเท่านั้น
ค.ศ.1876 Louis Pasteur และ Robert Koch ได้พิสูจน์ให้เห็นว่าโรค anthrax ในกระบือมีสาเหตุจาก Bacillus anthracis ซึ่งต่อมานักโรคพืชได้นำวิธีการ ทดสอบการทำให้เกิดโรคจากแบคทีเรียมาใช้ในการศึกษาโรคพืช และเรียกชื่อหลักการนี้ว่า Koch’s Postulation
ค.ศ. 1878 Burrill เป็นคนแรกที่พบว่าอาการโรค fire blight ที่เกิดขึ้นกับ apple, pear และ stone fruit อื่นๆ มีสาเหตุจากแบคทีเรีย ต่อมามีรายงานโรคพืช อีกหลายโรคที่มีสาเหตุมาจากแบคทีเรีย ผู้ที่ได้รับการยกย่องให้เป็นบิดาแบคทีเรียสาเหตุโรคพืช (Father of phytopathogenic bacteria) คือ Erwin F.Smith ที่เขียน ตำรา Bacteria in Relation to Plant Diseases Vol.1-3 และตำรา Introduction to Bacterial Diseases of Plants ซึ่งชื่อของ Erwin ได้รับเกียรติตั้งเป็นชื่อยีนัส Erwinia นั่นเอง โรคที่เกิดจากแบคทีเรียที่สำคัญที่พบในยุคแรกๆ ได้แก่ crown gall, bacterial wilt ของแตงและกูลกะหล่ำ และ solanaceous crops การค้นพบโรคพืช ที่มีสาเหตุมาจากแบคทีเรียมีอีกจำนวนมาก แม้กระทั่งในปัจจุบันยังมีรายงานการพบโรคพืชใหม่ๆที่มีสาเหตุจากแบคทีเรีย จุดที่นับว่ามีความสำคัญในการเปลี่ยน โฉมหน้าวิชาโรคพืชให้ก้าวสู่ยุคของ Molecular Plant Pathology เริ่มต้นในปี ค.ศ. 1970 โดย Agrobacterium tumefaciens ซึ่งเป็นสาเหตุโรค crown gall ปล่อยสาร พันธุกรรมที่มีชื่อเรียกภายหลังว่า Ti-plsmid เข้าไปในเซลล์พืช และมีผลทำให้พืชเกิดโรค จากการค้นพบอันนี้ นับว่าเป็นการเปิดศักราชของวิชาโรคพืชให้เข้า สู่การศึกษาในระดับโมเลกุลโดยต่อมามีการปรับปรุงและนำเอา Ti-plsmid มาดัดแปลงโดยการใช้ความรู้ด้านพันธุวิศวกรรม ทำให้ Ti-plsmid กลายเป็นพาหะ (cloning vehicle) ที่สำคัญในการนำเอายีนเข้าสู่ต้นพืชเพื่อให้ได้สิ่งมีชีวิตที่มีพันธุกรรมตามต้องการ
ค.ศ. 1972 Windersor และ Black พบแบคทีเรียที่อาศัยในท่ออาหาร (phloem-inhabiting bacterium) เป็นครั้งแรกที่เป็นสาเหตุโรค club leaf ของต้น clover นอกจากนี้ยังพบจุลินทรีย์ในท่อน้ำ (xylem-inhabiting bacterium) ของต้นองุ่นที่เกิดโรคที่เรียกว่า Pierce’s disease (Xylella fastidiosa), ต้น alfafa ที่มีลักษณะ แคระแกรน (dwarf), ต้นท้อเกิดโรค phony peach disease, อ้อยที่เกิดโรค ratoon stunting (Clavibacter xyli) และต้นส้มที่เกิดโรค greening (Phytoplasma)
ลักษณะของแบคทีเรียสาเหตุโรคพืช (Characteristics of phytopathogenic bacteria)
1. เซลล์เป็นแบบเดี่ยว นิวเคลียสไม่มีเยื่อ nuclear membrane หุ้ม เรียกว่า nucleoid
2. องค์ประกอบภายในเซลล์ที่เกี่ยวข้องกับขบวนการสร้างและสังเคราะห์โปรตีน ที่มีชื่อว่า ribosomes เป็นชนิดที่เรียกว่า 70 S (S = Svedberg unit เป็นค่าคงที่ของการตกตะกอน)
3. ภายในเซลล์ไม่มี mitochondria สำหรับสร้างพลังงานให้กับเซลล์แต่มีโครงสร้างที่เรียกว่า mesosome ซึ่งเกิดการพับซ้อนของเยื่อหุ้ม cytoplasm ที่ทำ หน้าที่เก็บพลังงานแทน
4. ทวีจำนวนโดยการแบ่งตัว binary fission
ลักษณะของแบคทีเรียโรคพืช
1. Rod-shaped ยกเว้น Streptomyces sp.
2. Non-spore forming ยกเว้น Streptomyces, Bacillus, Clostridium, coryneform bacteria (Corybactrium, Arthrobacter, Claribacter, Curtobactrium, Rhodococcus)
3. แกรมลบ ยกเว้น Streptomyces sp. และ coryneform bacteria
4. Aerobes ยกเว้น Erwinia facultative
5. ส่วนใหญ่เป็น soil borne และ facultative parasites
6. มี 7 genera ที่สร้าง pigment
7. ส่วนใหญ่มี slime layer/capsule
8. มี flagella (ยกเว้น Streptomyces sp., E.stewartii, coryneform bacteria) ที่ยาวกว่าขนาดของเซลล์
9. เป็น intercellular bacteria (ทวีจำนวนระหว่างเซลล์, ไม่ penetrated cell wall/protoplast พืช, เป็น parasite ใน extracellular) ยกเว้น Agrobacteria, Rhizobium
10. ไม่เป็น acid-fast staining (กรดล้างสีไม่ออก) ยกเว้น Curtobacterium sp.
เซลล์แบคทีเรียสาเหตุโรคพืช
ประกอบด้วยส่วนต่างๆและโครงสร้างที่สำคัญต่อบทบาทในการทำให้เกิดโรคพืชดังนี้
1. ส่วนชั้นผิว (Cell surface complex)
1. Cell envelope: หมายถึง ส่วนที่ทำหน้าที่หุ้มโครงสร้างและองค์ประกอบต่างๆที่อยู่ภายในเซลล์ทั้งหมด ได้แก่
1.1 Plasmic membrane หรือ cytoplasmic membrane หรือ inner membrane
1.2 Peptidoglycan : เป็นโครงสร้างที่ทำหน้าที่เสมือน cell wall ของแบคทีเรีย
1.3 Outer membrane: เป็นโครงสร้างที่พบในเฉพาะแบคทีเรียแกรมลบเท่านั้น ประกอบด้วย lipopolysaccharide (LPS), lipoprotein, phospholipid และโปรตีนต่างๆซึ่งทำหน้าที่เป็นโปรตีนลำเลียง (transport protein) และ receptor
2. Periplasmic space: เป็นช่องว่างระหว่างชั้น peptidoglycan และ outer membrane เป็นชั้นที่มีโปรตีนหลายชนิดที่เป็นเอนไซม์
3. Capsule /slime layer ประกอบด้วย polysaccharides บางครั้งเรียกว่า extracellular polysaccharide (EPS) โครงสร้างนี้ช่วยป้องกันเซลล์และมี บทบาทในเรื่อง pathogenesis ดังนี้
3.1 ทำหน้าที่เป็น virulence factorโดยทำให้เชื้อนั้นมีความรุนแรงหรือเป็น virulence strain
3.2 EPS เมื่อถูกสร้างในปริมาณที่มากในขณะที่แบคทีเรียเจริญในท่อลำเลียง (vascular system) ทำให้เกิดอาการอุดตันเช่น Clavibacter michiganensis ทำให้เกิดโรคเหี่ยวในมะเขือเทศ
3.3 EPS มีบทบาทในการเกิดแผลฉ่ำน้ำ (watersoak) ในพืช
4. Surface appendages = flagella, fimbriae, protuberances : ยื่นออกมาจาก inner membrane ทำหน้าที่ตอบสนองต่อสิ่งเร้า แบคทีเรียสาเหตุโรคพืช เกือบทั้งหมด ยกเว้นยีนัส Clavibacter (Corynebacterium) มีการเคลื่อนที่โดยใช้โครงสร้างที่เรียกว่า หาง (flagella) ชนิดของ Flagella ที่พบในแบคทีเรียสาเหตุ โรคพืชมีดังนี้
4.1 แฟลเจลลาที่ออกมารอบตัว เรียกว่า peritrichous เช่นที่พบในยีนัส Erwinia และ Agrobacterium
4.2 แฟลเจลลาที่ออกมาจากขั้วด้านเดียว หรือสองด้านเรียกว่า polar flagella (monotrichus/liphotrichous) เช่นที่พบในยีนัส Pseudomonas หรือ Xanthomonas โดยจำนวนแฟลเจลลามีตั้งแต่ 1 เส้นขึ้นไปจนถึงหลายเส้น
Fimbriae (pilli) มีลักษณะสั้นกว่าแฟลเจลลา แต่ละเซลล์จะมีไพไลจำนวนมากน้อยแตกต่างกัน
Protuberance = LPS vesicles ถุงที่โป่ง ปลดปล่อยออกมาระหว่างพัฒนาการโรค จากการตอบสนองต่อพืช
2. ส่วนที่อยู่ภายในเซลล์ (Peripheral ribosomal area)
Mesosome คือ ส่วนที่ยื่นออกมาจาก cellwall เกี่ยวข้องกับการแบ่งเซลล์ของแบคทีเรีย
Ribosome ทำหน้าที่สังเคราะห์โปรตีนให้แก่เซลล์ ประกอบด้วย RNA 60 % และโปรตีน 40 % เป็นชนิด 70 S ประกอบด้วย 2 subunits คือ 50S และ 30S ไรโบโซม
Granular inclusion ลักษณะเป็นเม็ดเล็กๆ (granules) พบกระจัดกระจายอยู่ภายในเซลล์ ทำหน้าที่เก็บสำรองพลังงานหรือส่วนประกอบซึ่งจะเป็น โครงสร้างบางชนิดภายในเซลล์ Vacuole บรรจุของเหลวเช่น เอนไซม์ หรือแก๊ส เป็นโครงสร้างที่ช่วยให้เกิดการลอยหรือจมของเซลล์แบคทีเรียได้
Plasmid เป็นสารพันธุกรรมที่อยู่นอกโครโมโซม (extrachromosomal DNA) แบคทีเรียที่มีพลาสมิดส่วนใหญ่จะมีคุณสมบัติพิเศษ เช่น ดำรงชีพใน สภาพแวดล้อมได้ดีขึ้น และสามารถต้านทานสารปฏิชีวนะ มียีนควบคุมการสร้าง toxin กำหนด race ของแบคทีเรีย การต้านทานต่อสารเคมี และควบคุมการ สร้างสาร bacteriocin
3. ส่วนของ Central nucleoid
สิ่งมีชีวิตพวกโปรคาริโอตไม่มีนิวเคลียสที่แท้จริงเหมือนในพวกยูคาริโอต บริเวณนิวเคลียสจะประกอบด้วยสาร DNA เป็น double strand พันเป็น กระจุกเป็นวงกลม โดยไม่มี membrane ห่อหุ้ม (without nuclear membrane)
