从功能基因到生物学性状:大丽轮枝菌致病性形成的分子基础

大丽轮枝菌为典型的土传维管束病原真菌,针对其致病相关基因的挖掘与功能解析一直是植物病理学研究的热点.大丽轮枝菌具有定殖维管束、"毒素"致萎、形成微菌核、种群分化多元化等特征,这些性状最终支撑或决定了病原对寄主的致病性基础.从进化角度来说,功能基因决定生物学性状.截至目前,在大丽轮枝菌中已鉴定出上百个功能基因;但针对其与...     

大丽轮枝菌甘油-3-磷酸脱氢酶的功能分析

大丽轮枝菌可侵染棉花、马铃薯、番茄等660余种寄主植物,引致黄萎病,造成严重的经济损失。为了深入了解大丽轮枝菌的致病机制,本研究在前期棉花提取物诱导大丽轮枝菌转录组分析的基础上,选择上调差异表达的线粒体甘油-3-磷酸脱氢酶基因VdGut2(VD592＿6958＿Chr4)和非差异表达的胞质甘油-3-磷酸脱氢酶基因VdGpd(VD592＿10256＿Chr2),进行了功能分析。结果表明,两个VdGut2敲除突变体菌株的产孢量较野生型菌株分别下降了32%和41%,病情指数分别下降了70%和51%,菌落生长速率也显著下降;VdGpd过表达菌株产孢量和病情指数较野生型菌株显著下降,但在甘油为唯一碳源的培养基上其菌落生长速率显著上升。因此,VdGut2促进了大丽轮枝菌分生孢子的形成、碳源的利用以及对寄主植物的致病过程,VdGpd抑制了大丽轮枝菌分生孢子的形成和对寄主植物的致病力,却促进了甘油的代谢。     

大丽轮枝菌VdSCH9基因的功能研究

大丽轮枝菌是一种土传性植物病原真菌,可侵染多种植物并引发黄萎病。目前,人们关于大丽轮枝菌的侵染和致病机制的了解还很不深入。本文通过敲除大丽轮枝菌编码丝氨酸/苏氨酸的蛋白激酶基因VdSCH9,阐明了其在大丽轮枝菌生长发育及致病过程中的作用。SCH9基因在酵母中的表达与cAMP-PKA途径和TOR信号通路相关,对酵母的生长、压力响应和寿命等有重要作用。大丽轮枝菌VdSCH9敲除突变体的生长速率显著下降,菌落边缘菌丝更为稀疏,菌丝分枝减少,对棉花植株为害的平均病情指数为56.6,显著低于野生型和互补突变体的平均病情指数90.5和82.8,对茄子植株为害的平均病情指数为65.9,也显著低于野生型和互补突变体的平均病情指数91.1和89.8。另外,敲除突变体对于高渗透压、氧化还原压力、细胞膜和细胞壁完整性等压力条件的敏感性增强。因此,VdSCH9对于大丽轮枝菌的生长、压力响应及致病力均有重要作用。     

大丽轮枝菌（Verticillim dahliae）突变体库的构建与分析

为了更加快捷地筛选大丽轮枝菌致病关键基因,利用聚乙二醇介导的原生质体转化法构建病原菌随机插入突变体库,对部分阳性转化子的生长表型指标和致病力进行分析,筛选生长发育与致病缺陷突变体并进行靶标基因定位。结果表明,本研究共获得13 030多个阳性转化子,随机挑选5个转化子与V991野生型菌株进行比较分析,发现其中一个突变体在PDA和不同碳源培养基上的菌落直径、产孢量以及致病力均显著降低。侧翼序列测序结果结合Blast比对分析表明,该缺陷突变体中的潮霉素抗性基因表达盒定位于大丽轮枝菌3号染色体1 528 782 bp处,属于内切葡聚糖酶1基因（VDAG＿04017）。综上所述,本研究通过大丽轮枝菌插入突变体库构建、突变体生长表型指标和致病力鉴定及靶标基因定位等一系列分子生物学手段,可初步鉴定病原菌致病相关基因,为从全基因组层面深入研究大丽轮枝菌致病机制奠定了一定基础。     

大丽轮枝菌致病及微菌核形成相关基因研究进展

大丽轮枝菌(Verticillium dahliae)致病力强且宿主范围广,能以微菌核的形式在土壤中存活多年,当遇到合适的宿主就萌发,因此极难防控,对农业生产造成巨大危害。目前已经发现多种影响大丽轮枝菌致病力的基因,最为重要的发现为大丽轮枝菌能够形成侵入钉入侵植物,许多效应因子也是由侵入钉颈环处分泌出大丽轮枝菌并最终调控植物的免疫防御。同时,研究也表明黑色素对于形成成熟的微菌核非常关键,并且许多与微菌核形成相关的基因也与大丽轮枝菌致病相关。但目前的研究尚未完全阐明大丽轮枝菌如何导致植物萎蔫坏死以及微菌核形成的分子机理。综述了近年来有关大丽轮枝菌致病及微菌核相关基因的研究进展,以期为大丽轮枝菌致病及微菌核形成机理的进一步研究奠定理论基础。     

大丽轮枝菌 VdCPMO基因克隆与功能分析

大丽轮枝菌 Verticillium dahliae是一种典型的土传病原真菌,可侵染400多种植物引致黄萎病,造成巨大的经济损失。微菌核是大丽轮枝菌的特殊休眠结构,能够在土壤中存活14年之久,是病害的主要初侵染来源。本研究在前期微菌核萌发表达谱的基础上,选择上调倍数最高的环戊酮1,2-单加氧酶基因（ VDAG_03943）,进行克隆与功能分析。结果表明,该基因全长1 929bp,cDNA序列全长1 668bp,编码555个氨基酸组成的蛋白,命名为 VdCPMO。与野生型菌株JY相比,敲除突变体菌株的菌落生长减慢,微菌核萌发率显著降低,芽管平均长度明显较短,而互补突变体菌株与野生型菌株JY间无显著性差异。致病力测定结果显示,敲除突变体菌株的微菌核丧失了对棉花的致病力。     

高效大丽轮枝菌(Verticillium dahliae) 基因敲除体系的构建

[目的]为了深入研究大丽轮枝菌(Verticillium dahliae)致病基因的功能,构建高效大丽轮枝菌基因敲除体系.[方法]融合PCR构建基因敲除载体;利用农杆菌介导法转化大丽轮枝菌;使用在T-DNA之间加入致死基因的双元载体,使T-DNA随机插入转化子在添加5-氟脱氧尿苷的培养基上不能存活,实现对随机插入转化子的"反向筛选".[结果]对大丽轮枝菌腺嘌呤合成酶基因和几丁质合成酶基因进行基因敲除验证,基因敲除转化子在总转化子中的比例分别达到87%和44%.[结论]成功构建大丽轮枝菌高效基因敲除体系,为大丽轮枝菌致病基因的功能验证提供了技术平台.     

VdToxD1和VdToxD3调控大丽轮枝菌微菌核的萌发

大丽轮枝菌Verticillium dahliae是一种土传性植物病原真菌,可侵染660多种植物,引发黄萎病。微菌核是大丽轮枝菌在侵染后期形成的特殊休眠结构,可在土壤中存活14年,是黄萎病的主要初侵染来源。本研究在前期大丽轮枝菌萌发与休眠微菌核转录组分析的基础上,选择微菌核休眠状态高表达的VdToxD1和VdToxD3基因进行功能研究。结果发现,VdToxD1和VdToxD3敲除突变体菌株的微菌核萌发率分别为87.3%和86.0%,显著高于野生型菌株的64.0%;负调控微菌核萌发的转录因子VdCrz1与VdToxD1上游的-937 bp到-349 bp中的特定基序结合,与VdToxD3上游的-752 bp到-496 bp中的特定基序结合,结合位点均位于2个基因的启动子区。     

过量表达GhPFN2基因增强棉花对大丽轮枝菌的抗性

越来越多的研究表明,微丝骨架参与植物先天免疫过程,但是其作用机制尚不明确.本研究发现,棉花(Gossypium spp.)的profilin基因(GhPFN2)在大丽轮枝菌(Verticillium dahliae)侵染条件下表达水平上调,推测GhPFN2可能参与棉花应答黄萎病过程.当棉花根部侵染大丽轮枝菌后,根表皮细胞中微丝的密度和成束度显著增加.与野生型相比,过量表达GhPFN2棉花对黄萎病的耐受性提高,并且棉花根部微丝骨架高级结构与野生型受到大丽轮枝菌侵染后的表型一致.这些结果表明,GhPFN2能够介导微丝骨架的重排,进而参与棉花抵御大丽轮枝菌的侵染过程.     

黄栌根内生真菌分离鉴定及拮抗真菌筛选

采用常规分离法从不同地区健康黄栌根系中共分离得到33株内生真菌,其优势类群主要包括无孢菌群、腐质霉属、青霉属等,而且不同地区黄栌的根系内生真菌种类和数量有一定差异。内生真菌对黄栌枯萎病病原——大丽轮枝孢的拮抗试验结果表明:团炭角菌、黑乌霉属、假丝酵母属的菌株抑制作用较强,其它内生真菌菌株对大丽轮枝孢均有不同程度的抑制作用。     

枯草芽孢杆菌对几种植物病原真菌的抑菌活性

枯草芽孢杆菌是目前国内外比较具有应用潜力的生防菌种之一。本文主要研究了枯草芽孢杆菌菌液对几种植物病原菌的菌丝抑制试验、菌丝形态影响试验以及分生孢子萌发抑制试验,了解枯草芽孢杆菌菌液对尖孢镰刀菌古巴专化型、灰葡萄孢、茄病镰刀菌、大丽轮枝菌、麦根腐平脐蠕孢、尖孢镰刀菌的抑制作用及抑菌机理。结果显示:枯草芽孢杆菌菌液对6种病原真菌的菌丝形态、菌丝生长、产孢和分生孢子萌发都有明显的破坏或抑制作用。用枯草芽孢杆菌菌液处理尖孢镰刀菌古巴专化型、灰葡萄孢、茄病镰刀菌、大丽轮枝菌、麦根腐平脐蠕孢、尖孢镰刀菌后,在PDA培养基上均形成了明显的抑菌圈,直径达3. 00 cm左右;菌液处理后分生孢子的萌发率仅30%左右。显微镜观察发现,处理组菌丝生长异常,体表凹凸不平,局部膨大,分枝变多,原生质体外泄。研究表明枯草芽孢杆菌菌株对尖孢镰刀菌古巴专化型、灰葡萄孢、茄病镰刀菌、大丽轮枝菌、麦根腐平脐蠕孢和尖孢镰刀菌有良好的抑制作用,并且可以有效控制尖孢镰刀菌古巴专化型、灰葡萄孢、茄病镰刀菌、大丽轮枝菌、麦根腐平脐蠕孢和尖孢镰刀菌病害的发生。     

红火蚁病原真菌AUGM47早期发育超微结构研究

在前期筛选已获得对红火蚁Solenopsis invicta Buren高效致病真菌罗伯茨绿僵菌Metarhizium robertsii AUGM47的基础上,为进一步明确病原真菌对寄主昆虫的侵染机制。本试验在室内条件下,以红火蚁工蚁为侵染对象,利用荧光显微镜和透射电镜观察了罗伯茨绿僵菌AUGM47侵染单元分生孢子在体表附着萌发、穿透和体内增殖的早期发育过程。结果表明,菌株AUGM47分生孢子在红火蚁体表可萌发并形成附着胞侵入,接种后12 h观察到萌发,在36 h内普遍出现穿透结构穿透体壁。接种后48 h为菌体在血腔内的增殖阶段。菌丝体在穿透表皮和体腔内增殖过程中伴随着机械压力和酶的活动。接种后96 h,观察到自噬现象,菌体通过自噬降解并回收细胞器,为从体内穿出的晚期发育过程提供物质基础。本研究对罗伯茨绿僵菌AUGM47分生孢子在红火蚁体外至体内的发育进程研究证实了菌株的高致病性,为红火蚁生防真菌菌种改良和后续开发利用奠定理论基础。     

大丽轮枝菌毒素的多糖组份对棉花致萎作用的研究

用β-葡萄糖苷酶水解大丽轮枝菌(Verticillium dahliae Kleb.)毒素中的多糖组份。发现经酶处理后的5个不同致病力类型的棉花黄萎病菌(大丽轮枝菌)菌株毒素都不能影响整个毒素复合物对棉花的致萎作用,表明毒素中的多糖组份在棉花的致萎作用中不占有重量地位。     

高毒力大丽轮枝菌特异片段SCF73突变株的构建及其致病力测定

[目的]初步明确高毒菌株VDG1特异片段SCF73与大丽轮枝菌致病力的关系.[方法]通过比较基因组学分析和PCR鉴定,明确大丽轮枝菌高毒菌株VDG1相对于低毒菌株VDG2的特异片段SCF73 ;构建SCF73片段敲除质粒,导入农杆菌AGL-1,应用农杆菌介导法转化大丽轮枝菌VDG1,抗性筛选和PCR扩增鉴定SCF73敲除转化子 ;利用果胶、纤维素和淀粉培养基模拟分析ΔSCF73降解细胞壁组分的能力,采用定量蘸根接种法鉴定其对感病棉种军棉1号的致病力.[结果]确定了大丽轮枝菌VDG1的特异片段SCF73,长度为27.1 kb,预测编码5个基因,推测2个基因具有水解酶功能 ;筛选获得了3个ΔSCF73突变株 ;突变株利用细胞壁组分的能力与野生型菌株VDG1相比无显著差异 ;突变株对感病棉种军棉1号的致病力显著减弱.[结论]高毒力菌株VDG1特异片段SCF73在大丽轮枝菌致病过程中具有重要作用.     

大丽轮枝菌黑色素合成相关基因与微菌核形成的关系

大丽轮枝菌是一种重要的土传植物病原真菌,以休眠结构微菌核作为初始接种体,可侵染660多种植物引致黄萎病。微菌核是致密的多细胞结构,表面附着大量的DHN黑色素。许多报道指出,在微菌核发育过程中,传统的DHN黑色素合成途径中有5种催化酶编码基因Vd PKS、Vd T4HR、Vd SCD、Vd T3HR和Vd LAC均被诱导表达,但这些基因与微菌核形成的关系目前尚无报道。本研究通过基因敲除技术,系统研究了传统DHN黑色素合成通路上这5种关键酶编码基因及一种缩链催化酶编码基因Vayg1在大丽轮枝菌黑色素合成及微菌核形成中的作用。结果表明,大丽轮枝菌DHN黑色素合成需要Vayg1基因的参与,且Vayg1和Vd T3HR基因还参与微菌核的形成过程。因此,Vayg1基因和Vd T3HR基因可作为黄萎病防治的新靶标。     

枯草芽孢杆菌J-15抗大丽轮枝菌次生代谢产物对棉田土壤真菌多样性的影响

【背景】目前利用拮抗菌进行作物病害防治的研究较多,但拮抗菌次生代谢产物如何影响棉花根际土壤微生物群落相关的研究较少。【目的】探讨枯草芽孢杆菌J-15抗大丽轮枝菌次生代谢产物对棉田土壤真菌多样性的影响,为利用枯草芽孢杆菌J-15及其次生代谢产物防治棉花黄萎病的土壤微生物生态安全进行评估。【方法】以新疆北部玛纳斯地区棉田为土壤采样点,随机选取10个点进行采样后混合,经枯草芽孢杆菌J-15抗大丽轮枝菌次生代谢产物处理一定时间后,提取土样总DNA,利用Illumina HiSeq高通量技术,对样品中真菌ITS1-ITS2区进行高通量测序,分析J-15抗大丽轮枝菌次生代谢产物处理对土样真菌多样性的影响。【结果】在97%相似度水平下,处理10、30d后,样品中真菌的OTU数量、Chao1和ACE丰度指数均分别高于相同时间放置的未处理的对照组,而Simpson指数低于其对照组。从群落组成分析来看,与对照组相比,受J-15次生代谢产物处理的土壤样品,子囊菌门(Ascomycota)的盘菌属(Tricharina)和被孢霉门(Mortierellomycota)的被孢霉属(Mortierella)等优势真菌相对丰度提高,而丰度高于1%的2类病原真菌轮枝孢属(Verticillium)、镰孢霉属(Fusarmm)的丰度显著降低。【结论】J-15抗大丽轮枝菌次生代谢产物对棉田土壤真菌群落及丰度有显著影响,但不改变影响农业生产的土壤真菌群落的结构。     

海岛棉几丁质酶基因GbCHI的克隆与功能分析

几丁质酶是植物主要的病程相关(PR)蛋白之一。前期工作中利用比较蛋白质组学方法,从海岛棉7124根部蛋白中分离到一个IV型几丁质酶(GbCHI)。文章通过同源克隆获得了海岛棉GbCHI基因的cDNA序列,并对该基因的表达特征及其蛋白的抑菌功能进行了分析鉴定。qRT-PCR实验结果表明GbCHI基因在棉花根、茎、叶、花和胚珠中均有表达,其表达受大丽轮枝菌、水杨酸(SA)、乙烯(ACC)和茉莉酸(JA)诱导;亚细胞定位分析显示GbCHI蛋白主要分布在细胞膜上;体外抑菌实验证明GbCHI蛋白能显著抑制大丽轮枝菌孢子的萌发和菌丝的生长。这些研究结果为了解GbCHI的功能及其在抗黄萎病棉花分子育种中的应用提供了实验依据和思路。     

根系土壤假丝酵母菌Candida sp. YIN9对大丽轮枝菌和全齿复活线虫的抑制作用

[目的] 研究黄萎病抗性棉(海 7124)根际土壤中酵母菌株对棉花黄萎病病原真菌大丽轮枝菌和全齿复活线虫的拮抗效果,为生物防治棉花黄萎病和全齿复活线虫提供理论依据。[方法] 通过镜检、糖发酵实验、碳源同化实验、26S rRNA测序对菌株的形态、生理生化特征及其系统发育关系进行鉴定,并利用七叶苷筛选、刚果红染色、平皿对峙实验、盆栽实验、平板生测实验测试其产酶活性以及抑制大丽轮枝菌和杀线虫活性。[结果] 从大批黄萎病抗性棉(海 7124)根际土壤中筛选出编号为YIN9的酵母菌菌株,分类鉴定结果表明:YIN9菌株属于假丝酵母属Candida。平皿对峙实验结果表明:菌株YIN9对大丽轮枝菌的抑菌率达59%;将菌株YIN9的无菌发酵滤液与大丽轮枝菌孢子共培养12 h后镜检发现,用菌株YIN9处理的实验组,大部分棉花黄萎病病菌孢子不能正常萌发。盆栽实验结果表明:菌株YIN9对棉花黄萎病的平均防治效果为60.02%,可以显著降低感病棉棉花黄萎病的发病率和病情指数。此外,与从黄萎病抗性棉根际土壤中筛选获得的其他酵母菌株相比,菌株YIN9具备较高的杀线虫活性:菌株作用全齿复活线虫48 和60 h后,线虫死亡率分别为90%和100%。将菌株YIN9发酵液煮沸后,其抑制大丽轮枝菌和杀线虫活性均急剧下降,进一步测试发现,该菌株拥有较高的蛋白酶和纤维素酶活性。[结论] YIN9中的生防因子可能是热不稳定性物质,具备较高的杀线虫活性,可以显著提高感病棉对黄萎病的抗性。     

基因沉默技术在抗真菌病害中的应用和展望

真菌病害严重威胁作物的产量和品质,给国家和人民造成巨大的经济损失。尤其是引起维管束病害的土传真菌,化学农药的作用效果很不理想。利用抗性基因进行遗传育种是目前生物防治的重要手段之一,但对于缺乏抗性资源的物种,面对强大的土壤真菌病害,研究者也时常束手无策。近年来,利用RNA干扰技术发展而来的宿主诱导的基因沉默(Host induced gene silencing,HIGS)策略,在抗病虫害领域逐渐崭露头角,但由于真菌侵染的复杂多样性及土壤传播的特性,HIGS在土壤真菌病害中的应用充满神秘和挑战。本研究室近期揭示了棉花黄萎病(一种严重的土壤真菌病害)的"罪魁祸首"——大丽轮枝菌的侵染结构和侵染过程;并首次证明了宿主植物内源小RNA能够跨界进入病原菌细胞中降解致病基因表达的抗病作用;在此基础上,本研究室利用HIGS在棉花上获得了对黄萎病抗性较高的品系,成功地开辟了抗土壤黄萎真菌病害的新天地,研究结果显示出基因沉默技术在这一领域强大的应用潜力和前景。     

海岛棉几丁质酶基因GbCHI的克隆与功能分析

几丁质酶是植物主要的病程相关(PR)蛋白之一。前期工作中利用比较蛋白质组学方法, 从海岛棉7124根部蛋白中分离到一个IV型几丁质酶(GbCHI)。文章通过同源克隆获得了海岛棉GbCHI基因的cDNA序列, 并对该基因的表达特征及其蛋白的抑菌功能进行了分析鉴定。qRT-PCR实验结果表明GbCHI基因在棉花根、茎、叶、花和胚珠中均有表达, 其表达受大丽轮枝菌、水杨酸(SA)、乙烯(ACC)和茉莉酸(JA)诱导; 亚细胞定位分析显示GbCHI蛋白主要分布在细胞膜上; 体外抑菌实验证明GbCHI蛋白能显著抑制大丽轮枝菌孢子的萌发和菌丝的生长。这些研究结果为了解GbCHI的功能及其在抗黄萎病棉花分子育种中的应用提供了实验依据和思路。