镰刀菌真菌毒素的分类与研究

镰刀菌是甘蔗梢腐病的病原菌,它所产生的真菌毒素导致的病害,是当今世界上的一大生产防治难题。其中,玉米赤霉烯酮(Zearalenone),单端孢霉烯族毒素(Trichothecenes)、伏马菌素(Fumonisin)是当前研究中最受关注、影响极为广泛的三种镰刀菌毒素。本文阐述了甘蔗梢腐病病原镰刀菌所产毒素的主要种类、危害及相关研究,并探讨了未来可能的研究方向,为甘蔗真菌性病害研究提供相应的参考与借鉴。

中国甘蔗主要真菌性病害研究进展

结合课题组的研究进展,概述了中国甘蔗种植中存在的典型的梢腐病、黑穗病、卷叶病(Phoma)3种主要真菌性病害,并阐明未来相关研究的重点和思路。

甘蔗梢腐病菌Fusarium sacchari CYP51基因克隆及遗传转化

甾醇14α-去甲基化酶(CYP51)是生物细胞膜合成所需的一个非常重要的酶,在病原菌的耐药性、致病性和生长繁殖等方面发挥着非常重要的作用。研究表明干扰真菌的CYP51基因表达导致其无法正常生长,显著降低其致病性。本研究以甘蔗梢腐病菌甘蔗镰刀菌(Fusarium sacchari)为试验材料,根据基因组测序数据设计特异性引物克隆得到了FsCYP51基因全长和CDS全长。生物信息学分析表明,该基因序列全长1947 bp,编码区由2个内含子和3个外显子组成,CDS全长1554 bp,编码517个氨基酸,编码蛋白理论相对分子量为58.61 kDa。其编码蛋白的二级结构主要由α-螺旋和无规卷曲构成,具有典型的CYP51保守结构域。预测其亚细胞定位于细胞膜,且存在2个跨膜区域。系统进化分析表明,FsCYP51基因属于CYP51C这一类,与串珠镰刀菌(F.verticillioides)的CYP51C基因亲缘关系最近。同时,根据克隆到的基因全长和CDS全长构建了多价HIGS植物表达载体,并利用基因枪介导的遗传转化方法将干扰片段成功转化至甘蔗受体材料,为研究FsCYP51基因功能和创制抗梢腐病甘蔗种质奠定基础。

甘蔗镰孢菌碳水化合物结合模块效应基因Fs11724的分离鉴定及功能分析

甘蔗镰孢菌(Fusarium sacchari)是引起毁灭性病害甘蔗梢腐病(sugarcane pokkah boeng disease, PBD)的主要病原菌之一。病原菌分泌的效应蛋白在病原与植物互作中发挥至关重要的作用。本研究基于课题组前期甘蔗镰孢菌全基因测序数据,设计基因特异性引物,通过RT-PCR扩增得到一个新的含CBM4;结构域的效应蛋白基因,并对其功能进行了初步探索。序列分析表明Fs11724基因开放阅读框822 bp,编码273个氨基酸,分子量为28.24 kDa,理论pI值为4.29,亲水性平均系数–0.072,属于亲水性分泌蛋白;通过农杆菌介导的烟草瞬时表达系统证实Fs11724抑制由BAX诱导的细胞程序性死亡,表明Fs11724具有潜在抑制寄主防御反应的毒性功能;同时,利用酵母分泌系统对其编码蛋白信号肽的分泌功能进行验证,确定该基因编码蛋白为典型分泌蛋白;qRT-PCR结果分析表明Fs11724在甘蔗镰孢菌侵染前、后期上调表达,表达量在168 hpi达到峰值。该研究表明Fs11724编码蛋白为甘蔗镰孢菌F. sacchari的一个效应蛋白,其信号肽具有分泌功能,并且可以在非寄主植物烟草上抑制BAX诱导的细胞坏死,在真菌侵染植物过程中显著表达,可能在调控植物免疫反应中发挥作用。研究结果为进一步研究病原–甘蔗互作,揭示甘蔗镰孢菌发病机制奠定基础。

甘蔗镰孢菌FsANT基因的克隆及表达模式分析

甘蔗是我国主要的糖料作物,是生产蔗糖最主要的原料,甘蔗生产过程中受到的病虫害威胁给蔗糖产业造成了严重的损失。甘蔗镰孢菌(Fusarium sacchari)引起的梢腐病是一种真菌性病害,严重影响甘蔗作物生产。镰孢菌致病基因的研究对于梢腐病的防治具有重要意义。腺苷酸转移酶(adenine nucleotide translocase, ANT)介导线粒体与细胞质基质之间ADP/ATP的交换,在真核细胞能量代谢中发挥重要作用,与细胞的生长、发育和凋亡密切相关。本研究克隆获得了长936 bp具有完整开放阅读框(open reading frame, ORF)的甘蔗镰孢菌ANT基因序列,命名为FsANT,其编码311个氨基酸,并且与小麦条锈菌病原菌ANT蛋白和小麦白粉病病原菌ANT序列相似性较高。蛋白软件分析显示,该基因编码的蛋白为稳定的疏水蛋白,含有5个跨膜结构,一个ADP/ATP transporter结构域,有3个同源重复的MCF基序,与粒体转运蛋白家族(mitochondrial carrier family,MCF)的基本结构特点相吻合。软件预测分析发现FsANT基因可能定位在线粒体。qRT-PCR结果显示,FsANT基因在菌丝生长时期的表达相对稳定无显著差异;在与甘蔗互作过程的表达模式表现为:接种后12 h该基因开始上调表达,24 h表达量显著升高,72 h达到表达高峰。推测FsANT基因的表达不仅与甘蔗镰孢菌细胞的生长相关,同时可能参与F. sacchari与甘蔗的互作过程,且主要在侵染后期发挥功能。研究病原菌生长保守基因为甘蔗抗梢腐病育种提供新思路。

甘蔗梢腐病病原菌Fusarium sacchari Nep1-like蛋白的筛选鉴定及功能分析

甘蔗镰孢菌Fusarium sacchari(F.sacchari)引起的甘蔗梢腐病严重影响了甘蔗的产量和质量。解析病原菌的致病机理,对指导甘蔗抗病育种和绿色防控具有重要意义。研究发现NLPs(Nep1-like proteins)类基因在真菌侵染及定殖过程中发挥重要作用。本实验在对梢腐病病原菌基因组测序(尚未公布)基础上,通过BLASTP分析得到甘蔗梢腐病病原菌F.sacchari中4个NLP家族基因Fs_00548、Fs_03159、Fs_06646、Fs_11062。将克隆到的3个基因(Fs_00548、Fs_03159、Fs_11062;Fs_06646未克隆到)构建至PVX载体,利用农杆菌介导的烟草叶片瞬时表达系统,发现只有Fs_00548可以诱导细胞产生与Bax相似的坏死,Fs_03159和Fs_11062则不能。利用酵母信号肽分泌功能验证方法,发现Fs_00548和Fs_03159的信号肽具有分泌活性。并且Fs_00548的信号肽区域对其发挥功能具有重要作用。qRT-PCR结果显示该基因在侵染过程中均有表达,其中72 h表达量最高,是菌丝中该基因表达量的48倍。以上研究结果表明,Fs_00548在病原菌侵染过程中发挥重要作用,研究结果为进一步探究病原菌与甘蔗互作提供参考。