辣椒胶孢炭疽菌两个CFEM效应蛋白的生物学功能研究

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辣椒炭疽病作为危害辣椒的真菌性病害,导致辣椒品质急剧下降和产量损失,每年因炭疽病危害造成严重的经济损失。当前辣椒炭疽病的防治以化学农药防治+抗性品种为主的措施。由于田间炭疽病菌复合侵染、病原菌种群遗传变异复杂、品种抗性丧失、病原菌抗药性产生等突出问题,导致辣椒产区炭疽病频发,防治困难。近年来,CFEM(Common in several Fungal Extracellular Membrane proteins)效应蛋白一直是病原真菌与寄主植物互作的研究热点,尽管效应因蛋白的CFEM结构域相对保守,但是不同真菌之间的CFEM结构域数目差异较大,分泌信号肽、跨膜结构域等存在明显差异,暗示了CFEM效应因蛋白存在生物学功能的分化。辣椒胶孢炭疽菌作为危害我国辣椒的优势种群,目前未见其CFEM效应蛋白生物学功能的报道。为此,本研究以辣椒胶孢炭疽菌(Colletotrichum gloeosporioide)CSLL-11的CFEM效应蛋白Cghn13279和Cghn13471为研究对象,明确其在病原菌生长发育和致病性的生物学功能,研究结果将为病原菌与寄主植物互作与识别,以及新型防控技术提供科学依据。具体研究结果如下:基于辣椒胶孢炭疽菌CSLL-11的基因组,利用生物信息学分析发现CSLL-11共编码30个CFEM效应蛋白,其中26个具有信号肽并可分泌至胞外;17个含有数目不等的跨膜结构域,其他不含跨膜结构域。供试病原菌分生孢子人工接种辣椒果实后12hrs、48hrs和96hrs的转录组分析发现,与对照比较,Cghn01651、Cghn07586、Cghn10235、Cghn12664、Cghn13471和Cghn14998等7个效应蛋白在三个时段的表达水平均较低;而Cghn02929、Cghn09727、Cghn12645和Cghn14146等4个效应蛋白在三个时段表达水平均较高;Cghn07893整个侵染过程中表达水平整体呈下降趋势,并伴随先降后升的波动;Cghn06262、Cghn09571和Cghn13279等3个效应蛋白在接种后48hrs和96hrs表达水平较高。成功构建了潮霉素标记的pCX62::Cghn13279敲除载体和pCX62::Cghn13471敲除载体,利用PEG介导的原生质体转化法,其转化子阳性率分别为10.00%和11.11%,Southern杂交证实目的基因Cghn13279和Cghn13471均成功敲除。成功构建了遗传霉霉素(G418)标记的pGTN::Cghn13279回补载体和pGTN::Cghn13471回补载体,以突变体菌株ΔCghn13279和ΔCghn13471为目标菌株,利用PEG介导的原生质体转化法,PCR验证目的基因Cghn13279和Cghn13471均回补成功,其ΔCghn13279和ΔCghn13471菌株阳性回补率为94.12%和93.75%,获得回补菌株ΔCghn13279/CgHN13279和ΔCghn13471/CgHN13471。基于前期CFEM效应蛋白转录组分析,分别克隆Cghn13279、Cghn13471、Cghn02929、Cghn09727和Cghn14146等5个不同表达水平的效应蛋白,分别构建植物亚细胞定位分析载体pBin-GFP:Cghn13279、pBin-GFP:Cghn13471、pBin-GFP:Cghn02929、pBin-GFP:Cghn09727和pBin-GFP:Cghn14146,利用农杆菌GV3101在本氏烟叶片中进行瞬时表达,结果显示Cghn14146,Cghn09727和Cghn13279均定位于细胞膜和细胞质;Cghn02929定位于细胞核、细胞膜和细胞质;Cghn13471定位于细胞核、细胞膜、细胞质和胞间连丝。同时发现Cghn13471和Cghn02929有伴随诱导寄主细胞坏死的现象。突变体和回补菌株生物学表型分析表明:与野生型菌株比较,突变体ΔCghn13279和ΔCghn13471菌丝生长速率分别下降、菌丝极性生长受阻伴随尖端钝化,但是ΔCghn13471突变体同时伴随菌丝尖端畸形;突变体产孢量均下降,但是分生孢子大小和形态均未变化;ΔCghn13279和ΔCghn13471菌丝和分生孢子的致病性均大幅度下降,在本氏烟和辣椒叶片上观察到菌丝扩展能力受阻;突变体对过氧化氢的耐受力下降;另外,突变体菌丝细胞质膜的完整性受损。但是相应回补菌株ΔCghn13279/CgHN13279和ΔCghn13471/CgHN13471相关生物学表型与野生型一致。综上所述,本研究分析了辣椒胶孢炭疽菌CFEM效应蛋白的组成及其侵染果实后表达水平存在的差异,明确了5个差异CFEM效应蛋白的亚细胞定位,解析了其CFEM效应蛋白Cghn13279和Cghn13471的生物学功能,为病原菌与寄主互作研究和抗性育种奠定了基础。
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