柑橘黄龙病菌亚洲种‘Candidatus Liberibacter asiaticus’效应子CaLasSDE115致病机理的研究

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柑橘黄龙病(Huanglongbing,HLB)是世界柑橘产业上危害最严重的病害,其主要致病菌为韧皮部杆菌属亚洲种‘Candidatus Liberibacter asiaticus’(Ca Las)。Ca Las主要通过昆虫媒介柑橘木虱进入柑橘韧皮部,引起系统性病害。Ca Las难以人工分离培养,其致病分子机制的研究进展也非常缓慢。Ca Las具有完整的Sec依赖型分泌系统,能分泌Sec依赖型效应子(Sec-dependent effectors,SDEs)参与病原菌侵染寄主的调控。有研究认为Ca Las编码的CLIBASIA_05115(CaLasSDE115)效应蛋白可能是一个致病因子,但其确切的致病机制依然不清楚。本研究从生物信息学、基因表达、蛋白质的亚细胞定位等方面解析了CaLasSDE115的蛋白特征,进一步通过柑橘转基因技术研究了CaLasSDE115对柑橘黄龙病抗性的影响,并结合转录组测序探索CaLasSDE115在Ca Las侵染柑橘过程中的作用机制,为后续研究黄龙病致病机理,挖掘抗(感)病基因用于柑橘抗病育种奠定基础。主要研究结果如下:1、CaLasSDE115蛋白的生物信息学与亚细胞定位分析生物信息学分析表明,CaLasSDE115在所有报道的Ca Las菌株中100%保守,但与其他"Candidatus liberibacter"的同源物相比有序列差异。蛋白质结构预测表明,CaLasSDE115的晶体结构与巴尔通体菌(Bartonella henselae)等病原菌毒力因子Ial B(invasion-related protein B)相似。信号肽预测显示,CaLasSDE115蛋白质N端32个氨基酸为Sec依赖型信号肽,大肠杆菌碱性磷酸酶活性系统证实预测的信号肽具有原核胞外分泌活性,能将CaLasSDE115分泌到细菌细胞外。烟草亚细胞定位显示,CaLasSDE115的成熟蛋白主要分布在细胞质和细胞核中。2、CaLasSDE115基因的表达特征分析荧光定量PCR(q RT-PCR)分析显示,CaLasSDE115在柑橘木虱中的表达水平是晚锦橙中的45倍,在显症叶片中的表达高于无症叶片,暗示CaLasSDE115的表达与Ca Las定殖木虱和柑橘黄龙病症状的发展相关。3、CaLasSDE115对柑橘黄龙病抗性的影响(1)超量表达m SDE115转基因晚锦橙的筛选与鉴定为了研究CaLasSDE115参与调控Ca Las感染柑橘的功能,本研究构建了不含信号肽序列的m SDE115超量表达载体,以易感黄龙病的晚锦橙为受体,农杆菌介导法转化其上胚轴,GUS组织化学染色、PCR和q RT-PCR筛选获得m SDE115超量表达转基因植株4株。转基因植株温室表型与野生型植株没有明显差异。(2)超量表达m SDE115对转基因植株黄龙病抗性的影响利用嫁接传毒技术对转基因植株进行为期6个月的抗性评价。传毒六个月时,转基因植物新叶中出现黄化或斑驳黄化症状,而野生型植株没有出现明显病变。Ca Las含量分析显示,m SDE115的过量表达促进感染早期(两个月)Ca Las的增殖。树脂切片观察发现感病转基因植株韧皮部明显变厚,胼胝质沉积加重。结果表明,CaLasSDE115促进Ca Las侵染柑橘早期病原菌的增殖和寄主症状的发育。4、CaLasSDE115调控柑橘黄龙病抗性的分子机制解析(1)超量表达m SDE115转基因植株的转录组测序分析对选取的代表性转基因植株进行转录组测序分析,共获得1011个差异表达基因(Differentially expressed genes,DEGs),其中329个上调表达,682个下调表达。Map Man分析显示,与生物胁迫(Biotic Stress)相关的386个DEGs中280个下调表达,说明超量表达m SDE115显著抑制柑橘生物胁迫的转录活性。进一步,KEGG富集分析显示,8个上调表达的DEGs显著富集在ABC transporters(ABC转运)通路,而27和23个下调表达的DEGs分别显著富集在Phenylpropanoid biosynthesis(苯丙烷生物合成)和MAPK signaling pathway-plant(MAPK信号级联)通路。结合抗性评价结果,我们推测CaLasSDE115可能通过干扰寄主苯丙烷生物合成、MAPK信号级联途径和ABC转运通路负调控柑橘防御反应。(2)超量表达m SDE115对柑橘系统获得抗性SAR的影响水杨酸(Salicylic acid,SA)、茉莉酸(Jasmonacid,JA)、水杨酸甲酯(Methl salicylate,Me SA)是植物系统获得抗性的信号分子。与野生型相比,转基因植株中SA、JA含量降低,Me SA含量上升。转基因植株中SAR相关基因Cs PR1、Cs PR2、Cs PR5、Cs WRKY45和Cs WRKY70的表达水平显著降低。Cs PR1、Cs PR2、Cs PR5是植物SAR的标志基因,暗示CaLasSDE115参与病原菌抑制柑橘SAR抗性反应过程。
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