必需基因(essential gene)是对细胞生命活动至关重要，突变后会导致生物死亡或不育的基因。病原细菌的必需基因可作为药物分子设计的理想靶标。过去认为，必需基因受功能限制和自然选择的强烈作用，在进化上应比较保守，其在功能上发生重要进化需要通过基因重复等方式解除自然选择的压力。然而，通过实验分析，已经在各类物种中发现了快速进化的必需基因，表明必需基因的进化速率并不一定保守，有必要对其进化的分子生物学机制进行深入探索。前期研究发现多数革兰氏阴性菌，包括植物病原菌水稻黄单胞菌(Xanthomonas oryzae pv.oryzae，Xoo)中，phoP-phoQ基因可以被突变，是非必需基因。phoP-phoQ编码一个调控细菌致病力的双组分信号转导系统。然而，在十字花科黑腐病病原菌-野油菜黄单胞菌（X.eampestris pv.campestris，Xcc）中，pho PXcc-phoQXcc难以通过常规遗传学方法被敲除，可能是一对发生了快速进化的必需基因。本研究首先利用严谨的遗传学分析方法，证明在Xcc中phoPXcc-phoQXcc是必需基因:只有通过质粒反式提供额外的、具有功能的基因拷贝时，染色体上的phoXcc-phoQXcc基因才能被成功突变。如果质粒基因拷贝的转录被抑制，会导致突变体生长完全停滞，影响细菌的繁殖。　　本研究利用比较蛋白质组学方法筛选到58个在phoPXcc突变体中差异表达的蛋白。其中，发现PhoPXcc能结合自身基因的启动子并正调控phoPXcc-phoQXcc转录，形成正反馈调控通路。此外，通过凝胶阻滞实验(EMSA)及qRT-PCR证明，PhoPXcc能结合细胞分裂相关基因ftsAXcc的启动子并负调控ftsAXcc的转录。细胞生物学观察发现，与野生型细菌相比，phoPXcc及phoQXcc基因突变体的细胞畸形，呈拉长的纤丝状，并且细胞分裂后子细胞不分离，同时子细胞之间的间隔区出现形态异常。由于FtsA的功能是在细菌分裂过程中招募Z-ring形成关键蛋白FtsZ，通过荧光共聚焦显微镜观测FtsZ-GFP在野生型菌株、phoPXcc及phoQXcc基因突变体中的定位，发现在野生型菌株中FtsZ-GFP大部分定位在细胞的分裂点或两端，而在突变体中，FtsZ-GFP荧光信号散布于整个细菌细胞内，而少有极性或中间定位。这些结果表明PhoP能负调控ftsAXcc的转录，通过后者的表达影响FtsZ在细胞分裂时的正确定位。在进化过程中该调控通路的建立可能是导致Xcc中phoXcc-phoQXcc具有必需性的重要原因之一。为了分析PhoP的结合一致序列及其变异模式，首先通过ChIP-seq技术分析了PhoP在磷酸化和非磷酸化状态下的调控元，发现PhoP在磷酸化状态下调控更多的靶基因，其中包括phoP自身和oar基因。基于上述分析，预测PhoP结合的一致序列为[(T/C)(T/C)GT(T/G)CA(G/A)]。通过EMSA和DNase I footprinting分析证明了该位点确实是PhoP的结合序列，同时发现在代表性的基因中，PhoP与PfisA的结合亲合力较弱。为了研究PhoP-PftsA调控关系在Xcc和Xoo中的区别，利用EMSA分析表明:Xcc的sA基因启动子可以与Xcc或Xoo的PhoP发生结合，但Xoo的ftsA基因启动子不能与Xcc或Xoo的PhoP发生结合。序列比对分析发现PhoP的结合位点在黄单胞菌属中相对保守，但该序列在Xoo ftsA基因的启动子区发生了包含5个碱基的缺失;利用化学合成方法将对应的碱基增加到Xoo ftsA基因的启动子区序列中后，能够使PhoP与这一突变形式的DNA区域结合。上述结果证明，在Xoo中，由于碱基缺失的发生，导致PhoP-PftsA之间不能结合，PhoP并不直接调控Xoo中的ftsA基因的转录，这与Xcc中的情况完全不同。由于Xcc和Xoo的PhoP序列完全相同，而黄单胞菌与铜绿假单胞菌PhoP的结合序列高度相似，研究利用PhoP结合一致序列在Xcc8004、Xoo PXO99及铜绿假单胞菌PAO1基因组上搜索了可能的结合序列，发现即使是在Xcc和Xoo这两个极近缘的基因组中，PhoP结合序列的数量和位置均发生了较大的变异，它们的PhoP共有的同源基因仅75个（约总数的30％）;铜绿假单胞菌PAO1基因组上PhoP结合的序列多于黄单胞菌，且数量和位置变异的程度更明显，这些结果表明在物种分化过程中，PhoP-PhoQ系统及其调控元发生了剧烈的变异和分化，从而使细菌能够适应特殊的环境。