西瓜枯萎病菌Tup1基因在致病性中的功能研究

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西瓜枯萎病是一种重要的真菌病害,由尖孢镰刀菌西瓜专化型(Fusarium oxysporum f.sp.niveum)引起,在西瓜生长发育的各个阶段发病。近些年来,因农业种植面积不断扩大,轮种存在一定困难,导致西瓜枯萎病的危害日益加剧,对我国西甜瓜产业造成严重影响。相比于其他植物病原真菌,目前关于西瓜枯萎病菌关键致病基因和作用机制的研究报道还较少。Tup1-Cyc8复合体是真核生物中高度保守的一种转录辅阻遏复合物,参与调控多种生物学过程。本文重点研究了辅阻遏蛋白基因Tup1在西瓜枯萎病菌致病性中的功能及其可能的作用机制。依靠PCR克隆技术和生物信息学分析,鉴定得到西瓜枯萎病菌中的Tup1基因,利用PEG介导的原生质体转化技术获得敲除突变体ΔFonTup1和回补菌株ΔFonTup1-C;经菌丝生长及产孢表型分析、致病性测定、环境胁迫响应能力测定和转录组测序分析等研究,探究了FonTup1的生物学功能。主要研究结果如下:(1)经过菌丝生长速率、产孢能力、分生孢子萌发情况、病原菌致病性等方面的表型测定,相比于野生型菌株WT,ΔFonTup1突变体菌丝生长受到明显抑制,产孢量极低,且孢子形态异常,伤根法接种病菌发现突变体在西瓜幼苗上的致病性显著下降。ΔFonTup1突变体中致病相关基因FOW2、MPK1、FMK1和SHO1的表达水平发生变化,镰刀菌酸合成基因FUB1、FUB3、FUB6、FUB9、FUB11和FUB12表达量显著下调,说明FonTup1基因参与调控西瓜枯萎病菌菌丝生长、产孢、孢子形态分化和致病性,且通过调控真菌毒素合成影响真菌毒力。(2)FonTup1基因参与调控细胞壁完整性。通过细胞壁胁迫因子响应实验发现,ΔFonTup1突变体对细胞壁胁迫因子Congo Red的敏感性显著降低,生长抑制率显著下降,4个几丁质合成酶基因CHS2、CHS4、CHS5和CHS6的表达量显著低于野生型。(3)FonTup1基因参与调控西瓜枯萎病菌对环境胁迫的响应。ΔFonTup1突变体对氧化胁迫因子Paraquat、渗透压胁迫因子山梨醇、金属离子NaCl的敏感性增加,对金属离子CaCl2的敏感性显著降低。表明FonTup1基因缺失会影响西瓜枯萎病菌正常的胁迫响应能力。(4)利用转录组测序技术,分析了野生型菌株WT和ΔFonTup1突变体的全转录组数据,结果显示,ΔFonTup1突变体中存在2999个差异表达基因(DEGs),其中表达上调的基因有1670个,表达下调基因有1329个。GO和EKGG富集分析发现,ΔFonTup1突变体中差异表达基因显著富集于生物学过程和分子功能类别,主要涉及到碳代谢、氨基酸代谢、柠檬酸循环、氧化磷酸化、次级代谢物质合成等途径。推测FonTup1基因缺失后西瓜枯萎病菌正常的细胞周期和基础代谢通路受到破坏,导致其生长异常,致病力下降。(5)RNA-seq分析中,三个苹果酸脱氢酶家族基因FonMDH1、FonMDH2和FonMDH3)的表达水平在ΔFonTup1突变体中显著下调。为此,分析了这三个苹果酸脱氢酶基因的功能,结果显示:FonMDH3基因敲除致死;FonMDH1敲除后严重影响生长;FonMDH2敲除后菌丝生长速率显著降低,产孢量减少且孢子形态异常,对西瓜幼苗的致病性减弱。推测FonTup1基因缺失引起苹果酸脱氢酶基因表达受抑制,导致细胞代谢异常,无法维持正常的生长状态和形态分化,是造成西瓜枯萎病菌致病力降低的原因之一。
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