橡胶树胶孢炭疽菌特异效应蛋白候选基因CgNSPG1和CgNSPG3功能分析

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巴西橡胶树(Hevea brasiliensis)是多年生热带乔木,也是天然橡胶的主要来源。天然橡胶又是我国重要的工业原料和战略资源。橡胶树炭疽病严重影响天然橡胶的产量。胶孢炭疽菌(Colletotrichum gloeosporioides)和尖孢炭疽病菌(Colletotrichum acutatum)都能够引起橡胶树炭疽病,其中胶孢炭疽菌对橡胶树的致病力远强于尖孢炭疽菌,是橡胶树炭疽病的主要病原。前期研究中,实验室通过对胶孢炭疽菌和尖孢炭疽菌的基因组序列进行测定和比较分析,筛选得到了 2个新的胶孢炭疽菌特异效应蛋白基因(Novel Specific Pathogenic Gene of Colletotrichum gloeosporioides,CgNSPG),分别命名为CgNSPG1和CgNSPG3,并分别构建了这2个基因的敲除突变株ΔCgNSPG1和ΔCgNSPG3用以功能分析。本研究在此基础上,通过构建ΔCgNSPG1和ΔCgNSPG3的基因互补突变株来进一步明确其致病功能。同时,通过构建这CgNSPG1和CgNSPG3的尖孢炭疽菌转基因突变株,进一步探究它们在病菌生长和致病过程中的作用机理以及寄主专化性,为深入研究这些基因的生物学功能及其应用打下基础。具体研究结果如下:1.CgNSPG1基因的功能分析:(1)CgNSPG1包含一个435 bp的开放阅读框,编码144个氨基酸,分子量约为15.0 kDa,且不包含任何保守结构域及跨膜结构域。根据基因回补原理,以实验室已有的CgNSPG1基因敲除突变体ΔCgNSPG1为基础构建了CgNSPG1的基因互补突变株 Res-ΔCgNSPG1。(2)通过生长表型和致病性分析发现,与ΔCgNSPG1的生长减缓,产孢能力下降,致病性减弱等表型相比较,基因互补株Res-ΔCgNSPG1在以上方面都有所恢复。进一步分析发现,与Cg-WT相比,真菌生长发育和致病调节相关因子CRZ1和CMK1在ΔCgNSPG1中的表达水平显著下调和上调,在Res-ΔCgNSPG1中的表达无显著差异。以上结果表明,说明CgNSPG1参与胶孢炭疽菌的生长发育和致病力的调节,该过程可能与CRZ1介导的Ca2+信号通路以及CMK1介导的MAPK信号通路有关。(3)为了分析CgNSPG1在种寄主专化性中的可能作用,在尖孢炭疽菌中组成型异源表达CgNSPG1后能够显著提高尖孢炭疽菌的生长和致病性。qRT-PCR分析结果表明,与Ca-WT相比,Ca-NSPG1中CaCZR1和CaCMK1的表达水平显著增加,暗示CgNSPG1对尖孢炭疽菌的生长和致病性的促进作用可能与CaCRZ1介导的Ca2+信号通路和CMK1介导的MAPK信号通路有关。(4)通过DAB组织染色法分析了Cg-WT和ΔCgNSPG1侵染橡胶树叶片后组织中ROS产生和积累情况,结果表明CgNSPG1基因的缺失导致ROS产生和积累水平降低,间接证明CgNSPG1能够增强橡胶树叶片中活性氧的产生和积累。(5)为了进一步研究CgNSPG1是否具有激发子功能,通过农杆菌介导的遗传转化法将CgNSPG1基因转化模式植物拟南芥,获得转CgNSPG1基因植株。抗病性检测发现,转CgNSPG1基因植株对灰葡萄孢菌(Botrytis cinerea)的抗性明显增强。综合以上实验结果,我们认为CgNSPG1作为效应蛋白,不仅参与调控胶孢炭疽菌的生长发育和致病性,而且与病菌的寄主专化型有关;同时,CgNSPG1在植物中的表达可以提高抗病性,暗示CgNSPG1具有激发子的功能。2.CgNSPG3的功能分析:(1)CgNSPG3包含一个639 bp的开放阅读框,编码212个氨基酸,分子量约为23.0 kDa,包含一个HNH保守结构域,属于HNH家族成员。根据基因回补原理,以已有的ΔCgNSPG3为基础构建了gNSPG3的基因互补突变株Res-ΔCgNSPG3。(2)通过对Cg-WT、ΔCgNSPG3和Res-ΔCgNSPG3的表型进行分析发现,CgNSPG3基因的缺失导致胶孢炭疽菌的生长速度减缓,产孢能力下降,致病性减弱,基因回补后可部分恢复,说明CgNSPG3与胶孢炭疽菌的生长和致病力有关。(3)为了分析CgNSPG3在种寄主专化性中的可能作用,将CgNSPG3转化尖孢炭疽菌表达。表型分析结果显示,表达CgNSPG3的尖孢炭疽菌其生长速度和致病性显著高于野生型尖孢炭疽菌,暗示CgNSPG3可能与寄主专化性有关。(4)为了进一步研究CgNSPG3在植物先天免疫中的作用,通过农杆菌介导的遗传转化法将CgNSPG3基因转化模式植物拟南芥,获得了转CgNSPG3基因植株,为深入研究CgNSPG3基因的功能奠定了基础。综上所述,CgNSPG3不但参与胶孢炭疽菌菌丝体的生长发育和致病性,而且与炭疽菌的种寄主专化性有关。
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