小麦纹枯病菌效应因子的分离及功能研究

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小麦纹枯病也被称之为小麦尖眼斑病(Wheat Sharp Eyespot),是一种发生普遍并严重危害小麦生产的土传性真菌病害。现今该病已成为威胁小麦高产稳产的重要限制因素,因此加强对该病害的研究力度已十分必要。禾谷丝核菌(Rhizoctonia cerealis Van der Hoeven)是引起小麦纹枯病的主要病原菌。小麦纹枯病菌根据菌丝融合情况划分为不同的菌丝融合群(anastomosis group,简称AG)。其中禾谷丝核菌AG-D群和立枯丝核菌(AG-4和AG-5菌丝融合群)均可引起小麦纹枯病,我国小麦纹枯病的主要致病菌群是禾谷丝核菌的AG-D群,约占90%以上。效应因子(Effector)是植物原核和真核病原菌所分泌的一类蛋白质分子,该类蛋白质分子可改变寄主植物的防御机制使病原菌增强对寄主植物的感染,还可以调控病原菌的侵染过程,利于其在寄主体内的生长和繁殖。随着生物信息学的发展以及对植物病原菌的深入研究,效应因子已经成为现今研究病原菌与寄主植物互作分子机制的重要内容。至今,对禾谷丝核菌效应因子的发现和研究还尚未见到相关的报道。在本研究中我们从禾谷丝核菌中克隆到了一个能够诱发小麦产生过敏性坏死反应(HR)的效应因子,经NCBI,SMART数据库比对后发现该基因属于糖基转移酶家族(Glyeosyltransferas family 2,GT-2),有相关文献报道糖基转移酶是一类效应因子,本研究初步证明该基因确实是一个与小麦纹枯病菌致病性密切相关的效应因子,这可为研究禾谷丝核菌与寄主小麦互作分子机制提供一定的理论参考。本研究的主要结果如下:1.小麦纹枯病的接种及侵染过程运用牙签嵌入接种法使强致病力禾谷丝核菌菌株WK207侵染感纹枯病小麦温麦6,观察禾谷丝核菌的侵染过程及小麦病情的动态发展变化。实验结果表明,接种72 h小麦的叶鞘部位开始出现微小的肉眼可见的病斑,接种7 d在叶鞘部位可明显的观察到典型的中间灰白色,四周褐色的近圆形或椭圆形小麦纹枯病病斑,接种10 d叶鞘部位已变黄坏死。扫描电镜结果显示禾谷丝核菌菌株WK207侵染小麦可从伤口部位侵入,直接穿透侵入和通过气孔侵入。在侵染过程中可形成侵染垫,侵染钉等侵染结构。2.小麦受禾谷丝核菌侵染后ROS及Caspase3-like的变化选取接种12、24、48、72、96 hpi(hours post inoculation)及5、6、7、8、9、10dpi(days post inoculation)检测温麦6体内ROS(O2-和H202)的产生和Caspase3-like活性的变化。结果表明,O2-的含量在接种12 h已达到很高,随着病斑的扩大,染色逐渐加深,在发病后期即接种9-10 d叶鞘和茎秆均被染为深蓝色。受禾谷丝核菌WK207侵染,温麦6体内的H202在接种48 h出现第一个峰值,随着病情的逐步发展,H202的产量增多,染色愈渐加深,且主要集中在发病部位,在接种9-10d出现另一个高峰。温麦6体内Caspase3-like在受禾谷丝核菌WK207侵染的12 h,36 h和72 h分别有三个活性高峰,且在72 h活性最高。3.禾谷丝核菌菌株R0301和WK207候选效应因子的克隆我们参考已经报道的立枯丝核菌候选效应因子的基因序列后,从禾谷丝核菌菌株R0301和WK207中克隆到了候选效应因子,经生物信息学软件比对后证明该基因属于GT-2,其中R0301候选效应因子大小为1056bp,WK207候选效应因子大小为1038bp,均含有signal peptide。4.禾谷丝核菌候选效应因子的原核表达对上述候选效应因子构建载体后进行原核表达,R0301所编码的氨基酸为351个,翻译38kDa大小的蛋白,该蛋白的等电点为8.099;WK207所编码的氨基酸为345个,翻译37kDa大小的蛋白,该蛋白的等电点为7.18;将菌体破碎后可得到候选效应因子的粗蛋白,过层析柱后可得到纯的融合蛋白。5.禾谷丝核菌候选效应因子的功能验证将上述融合蛋白涂抹到感纹枯病小麦温麦6的叶片上,在25℃条件下处理4天,可观察到小麦叶片褪绿黄化,诱发小麦的HR反应,证明GT-2是一个效应因子。下一步可对该效应因子进行深入研究。本研究初步确定了GT-2编码的蛋白具有效应因子的生物功能,为禾谷丝核菌与小麦互作机制的研究提供了分子水平的证据。
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