镰刀菌属真菌毒素在植物和病原菌互作中的研究进展

镰刀菌是世界上最重要的植物病原菌之一,可影响植物的生长发育,严重威胁全球粮食安全和生物多样性。几乎所有的镰刀菌都会产生真菌毒素,其毒素种类多、毒性强,一方面可以作为致病因子之一参与镰刀菌的致病过程,另一方面可污染粮食和饲料,进而引起人类和动物的相关病症。已有研究表明,镰刀菌侵染植物后产生的不同种类真菌毒素不仅毒害植物细胞,引起植物组织的坏死,还会加速病原菌的侵染;同时,针对病原菌产生的毒素,植物会激活防御酶并启动防御相关基因的表达,或将致病毒素转化为无毒或低毒物质并转运到胞外,或通过分泌次生代谢物直接抑制病原菌毒素的生物合成。为全面解析镰刀菌毒素在病原菌侵染植物中的作用,提高植物对病原菌的抗性,该文综述了镰刀菌属真菌毒素的种类、毒性机理以及毒素在植物和病原菌互作中的作用,并讨论了植物对真菌毒素的防御反应策略,以期为镰刀菌毒素致病机制和病原菌防治策略研究提供参考。

植物抗病基因与病原菌无毒基因互作的分子基础

近10年来,大量的植物抗病基因和病原菌无毒基因被克隆,抗病基因和无毒基因的结构、功能及其互作关系的研究也取得重大进展。通过介绍抗病基因与无毒基因互作的两种模式,从抗病基因与病原菌无毒基因互作角度探讨了抗病基因在植物抗病育种和农作物生产中应用的问题,提出抗细菌和真菌单基因转化很难赋予农作物切实抗性。

富含羟脯氨酸糖蛋白在植物-病原物相互作用中的积累、作用及调控

在受到病原物侵染以及诱发物和乙烯等处理后,植物体内就会积累含羟脯氨酸糖蛋白 (HRGP)。在植物—病原物的相互作用过程中,HRGP可能作为凝集素、木质素沉积位点和结构屏障而在抗病性中起作用。HRGP合成与积累的调控主要在其相应的mRNA水平上进行。乙烯参与了HRGP的调控。

cDNA—AFLP技术及其在植物与病原菌互作方面的应用

cDNA—AFLP技术是近年来兴起的一种新的分子生物学实验技术,它具有起始材料量少、重复性好、假阳性低、检测率高等优点,在植物与病原菌互作研究中得到了广泛的应用。文章介绍了cDNA—AFLP技术的建立、原理和特点,并概述了该技术在植物与病原菌互作方面的新进展。

ABA在植物-病原菌互作中的多重作用

对ABA的生物合成途径、在植物抗/感反应中的作用以及ABA与其他激素互作对植物抗病性的调控机制等方面进行了综述。

植物病毒载体在植病互作研究中的应用

在植物与病原菌互作的研究中,植物抗性基因和病原菌无毒基因的研究是两个重要的热点。利用植物病毒沉默载体构建的VIGS(Virus Induced Gene Silencing)体系研究植物的防御机制;利用植物病毒表达载体克隆和研究病原菌的无毒基因,将使我们更深刻地理解植物和病原菌互作的分子机理,最终为培育番茄白粉病持久抗性品种打下理论基础。对植物病毒载体的研究进行了综述并就我们承担的课题进行了讨论。

拟轮枝镰孢与玉米籽粒互作的差异基因筛选及代谢通路分析

【目的】拟轮枝镰孢(Fusarium verticillioides)引起的玉米穗腐病是我国玉米产区发生严重的病害之一,论文旨在了解病原菌与玉米籽粒互作过程中的基因表达差异,为揭示病原菌的致病机制和玉米抗病机制提供依据。【方法】对拟轮枝镰孢侵染玉米籽粒0、4、12和72 h的样品进行转录组测序,之后采用生物信息学分析,分别以玉米和拟轮枝镰孢基因组为参考,以|log_(2)FC|≥1,P-adjust<0.05为阈值筛选互作过程中玉米和拟轮枝镰孢的差异表达基因,利用GO和KEGG对其进行功能注释及富集分析。Goatools软件分析植物-病原互作、MAPK途径和植物激素信号转导通路相关差异基因的表达变化,采用实时荧光定量PCR(qRT-PCR)方法对测序差异基因进行验证。【结果】在互作4、12和72 h后拟轮枝镰孢分别有140、400和1945个基因上调表达,有9、302和1784个基因下调表达;玉米分别有293、692和1426个基因上调表达,320、482和153个基因下调表达。GO和KEGG富集分析显示,侵染早期拟轮枝镰孢在细胞间隙生长,差异基因主要富集在RNA生物合成、细胞壁结构成分、脂肪酸生物合成、蛋白质代谢、碳水化合物代谢、生物过程和代谢过程等通路中。拟轮枝镰孢早期侵染触发了玉米活性氧(ROS)爆发,差异基因主要富集在对活性氧、过氧化氢的反应,几丁质酶、单加氧酶活性,木质素代谢过程等相关通路中。侵染后期拟轮枝镰孢继续在籽粒中定殖及扩展,差异基因主要富集在碳水化合物和细胞壁多糖分解代谢过程、跨膜转运、氧化还原酶活性等功能通路中。玉米主要通过苯丙素、木质素、类黄酮生物合成,MAPK信号通路、植物-病原互作和植物激素信号转导等途径差异基因大量表达响应病原菌侵染。随机选取6个玉米和6个拟轮枝镰孢的差异表达基因进行qRT-PCR分析,基因表达规律与转录组测序结果一致,证实了RNA-seq的准确性。【结论】在病原菌侵染早期,拟轮枝镰孢在细胞间隙生长,触发玉米活性氧爆发,相关通路差异基因表达;侵染中后期,病原菌以淀粉为营养素,继续在籽粒中定殖及扩展,玉米通过苯丙素、木质素及几丁质酶的生物合成等方面的相关基因表达响应拟轮枝镰孢侵染,同时植物-病原互作、MAPK途径和激素信号转导等途径参与抗拟轮枝镰孢侵染。

海岛棉与枯萎病菌的互作转录组分析

棉花枯萎病是棉花生产中常见的一种病害,目前在海岛棉中发病严重,直接影响海岛棉产量和品质,对海岛棉产业发展造成巨大威胁。为解析棉花与枯萎病菌尖孢镰刀菌互作的分子机制,以尖孢镰刀菌侵染48 h的抗感棉花根部组织及致病菌体为材料,利用RNA-seq测序技术分析尖孢镰刀菌与棉花互作的基因表达特性。结果表明,在抗感棉花品种中分别检测到15 218和9 358个差异基因,在侵染抗感棉花品种的尖孢镰刀菌中分别检测到3 708和3 656个差异基因。GO功能富集分析发现,互作后棉花中主要为氧化应激反应、生长素-激活信号通路、对刺激的反应、对受伤的反应和转录因子活性等基因功能;KEGG显著富集到内吞作用、植物激素信号转导、氨基酸生物合成、碳代谢、植物-病原菌互作、苯丙烷类生物合成等代谢途径,抗病品种在调控对刺激的反应和对受伤的反应中上调显著。GO功能富集分析发现,互作后尖孢镰刀菌中的差异表达基因多参与膜的组成部分、催化活性调节、ATP结合等类别;KEGG显著富集到过氧化物酶体,丝裂原活化蛋白激酶信号通路,缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸降解,甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢,碳代谢,氨基酸生物合成,淀粉和蔗糖代谢等通路。本研究为棉花响应枯萎病胁迫以及尖孢镰刀菌致病性研究提供了丰富的基因资源,为深入解析尖孢镰刀菌与棉花互作的机制研究奠定基础。

基于立枯丝核菌侵染结缕草转录组数据的植物-病原菌互作分析

植物进化出复杂而精准的信号网络以调控寄主细胞响应病原菌侵染。为探究植物与病原菌互作过程的分子机制,本研究基于立枯丝核菌侵染结缕草的Zoysia·Unigene库与差异表达基因库,利用生物信息学分析主要生物代谢过程并筛选出结缕草与立枯丝核菌互作的分子过程,发现Ca2+调节与磷酸化两条路径与结缕草响应立枯丝核菌密切相关,且侵染24 h是互作的重要时间节点。本研究揭示结缕草与立枯丝核菌互作的分子机制,以期为草坪草在抗褐斑病的分子机制方面的研究提供理论依据。

植物免疫反应中的小RNA

植物中的小RNA参与多种生物学过程，依据其起源及前体结构的不同主要分为两类：微小RNA（miRNAs）和小干扰RNA（siRNAs），它们的长度通常为21～24个核苷酸，在生物合成途径以及作用机制等方面存在差异。病原物侵染植物后常通过诱导或抑制小RNA分子来调节抗病相关基因的表达，进而调控植物与病原物的互作反应。文章就小RNA的生物合成、作用途径及其在植物与病原物互作中的调控机制等方面进行了综述。

病毒诱导的基因沉默在茄科植物基因功能研究中的应用进展

茄科植物中有许多重要的经济与药用植物,随着茄科植物基因组测序工作的陆续完成,急需对基因组中大量功能未知基因的生物学功能进行鉴定。病毒诱导的基因沉默(VIGS)是近20 a发展起来的一种研究植物基因功能的高效反向遗传学技术,在总结VIGS作用原理、VIGS载体开发和改良研究现状的基础上,就近年来VIGS在茄科植物品质性状、生长发育、植物-病原真菌互作以及代谢产物生物合成和调控相关重要基因功能分析等方面的国内外研究进展进行了综述,并讨论了VIGS技术应用于茄科植物存在的问题和前景展望。

蛋白磷酸化修饰在植物-病原微生物互作中的作用研究进展

蛋白磷酸化修饰是植物细胞信号调控的普遍机制。植物-病原微生物互作过程中,关键调控蛋白的磷酸化状态影响免疫信号的激活。多种病原微生物通过干扰宿主蛋白的磷酸化状态攻击免疫系统,以提高致病性。该文对植物免疫调控过程中关键元件的磷酸化修饰及其在免疫信号中的调控作用进行了综述。研究植物-病原菌互作过程中关键蛋白的磷酸化修饰,有助于深入探讨植物-病原微生物互作的分子机理。该文将为寻找广谱抗病的新途径提供理论依据。

植物执行者抗病基因研究进展

在与病原菌的长期斗争过程中,植物进化出复杂而精细的免疫防御系统。抗病(resistant,R)基因的克隆和功能研究极大地促进了人们对植物免疫防御系统的理解。执行者(executor,E)基因作为一类新的植物抗病基因,具有独特的抗病特点,同时也是重要的抗病基因资源,因此成为植物免疫领域的研究热点。近年来,E基因的克隆和功能机制研究取得了一系列重要进展,但尚未见相关中文综述。该文全面总结了E基因的蛋白序列特征、与病原菌的互作机制、生物学功能及育种应用,以期为深入理解植物-病原菌互作机制和作物抗病育种提供重要参考。

基于三者互作解析的虫媒植物病害前沿防控技术研发策略

虫媒病害是我国农业高产稳产的重大威胁之一,粮食作物、经济作物以及柑橘等多年生木本作物的病毒病害、细菌病害给我国乃至全球农业生产带来了严重的损失。介体昆虫在虫媒病害的流行和传播过程中发挥着重要作用,而虫媒病原的抗性基因研究在主要作物中匮乏,介体昆虫的抗性基因研究尚属空白,所以目前农业生产高度依赖化学杀虫剂对虫媒病害进行防治,导致昆虫耐药性和环境污染等问题,严重影响了我国和世界人民"舌尖上的安全"和生态文明建设。因此,深入探索病原—昆虫—植物三者互惠共生、协同进化的机制,研究农业生态系统中多病原、微生物组、昆虫群落包括天敌等生态因子和环境因子,明确病害流行、爆发、控制过程中的机制和调控关键节点,设计靶向性强、生态安全的新型调控剂和植物保护方案,均将为虫媒病毒的绿色防控提供新的理论基础。本文提出了病原—昆虫—植物三者互作的理论假说体系,包括了三者互作的核心、内层和外围组成;简要总结了三者互作的主要科学问题和目前研究现状;明确了现阶段主要集中于植物挥发物、植物激素以及外界环境在病原—昆虫—植物三者互作中的作用研究;分析了未来在三者互作研究过程中可能存在的瓶颈问题;力求为虫媒病害的绿色防控提供有力的理论基础和技术支持。

黑胫病菌侵染过程中油菜响应基因的表达分析

油菜黑胫病是造成油菜产量损失的病害之一,致病菌为Leptosphaeria biglobosa。该研究采用形态学观察和转录组测序技术,分析油菜接种病原菌Leptosphaeria biglobosa 4、12、24、36、48和96 h后的表型及基因表达变化情况,以探讨响应死体营养型真菌L.biglobosa侵染时油菜的防御反应及抗病机理,为揭示油菜与L.biglobosa互作的分子机制提供理论依据,并为培育油菜抗病品种积累了基因资源信息。结果显示:(1)接种4~96 h,叶片病斑逐渐扩大,病原菌侵染48~96 h后形成菌丝网。(2)通过RNA-Seq测序,在L.biglobosa侵染油菜的不同时间点(4、12、24、36、48和96 h)分别得到3384、2270、3802、5811、6155和7153个差异表达基因。(3)15个油菜差异表达基因的qRT-PCR检测表达水平与转录组测序结果基本一致。(4)利用短时间序列聚类和KEGG富集分析差异表达基因,结果发现植物病原菌互作、蛋白激酶、茉莉酸/乙烯/水杨酸和芥子油苷合成途径中的基因被强烈诱导表达,而且基因表达呈动态变化趋势。

基于转录组分析苹果水杨酸特异响应基因MdWRKY40的启动子鉴定

【目的】探明水杨酸(SA)对苹果叶片基因转录调控的影响,鉴定SA信号途径及其调控基因,为研究SA介导的抗病分子机制提供理论依据。【方法】生长30 d的‘嘎啦’组培苗叶片用2 mmol·L-1水杨酸(SA)处理12 h,以CTRL(0.2%乙醇)处理作为对照,利用Illumina Hi Seq TM 2000进行转录组测序,通过综合的生物信息学分析(差异基因筛选、条件特异性分析、GO分类及KEGG富集分析等)筛选SA信号途径的调控基因。克隆受SA特异性诱导表达基因的启动子,利用苹果细胞原生质体转化技术,进行启动子活性鉴定,确定对SA进行特异性响应的核苷酸序列。【结果】CTRL和SA处理分别获得750 439 459 bp和751 596 153 bp的原始数据,分别有44.77%和43.88%与‘金冠’苹果基因组完全匹配。获得3 329个显著性差异基因,包括苯丙烷类、类黄酮等次生代谢物生物合成途径的相关基因(如木质素合成关键酶CAD、细胞色素P450、真菌抗性相关的β-1,3-葡聚糖酶等),调控植物病原菌互作途径重要功能基因(钙调蛋白Ca M、抗病蛋白RPM1、热激蛋白HSP90、WRKY转录因子等)以及33个条件特异性诱导表达基因(NAC转录因子、NIMIN1、WRKY40、ERF转录因子等)。其中1 085个基因上调,2 244个基因下调。差异基因主要涉及细胞过程、代谢过程和基因绑定、催化活性等;根据转录组学的结果,将SA响应基因Md WRKY40的启动子序列克隆到含有荧光素酶基因的表达载体中,置于荧光素酶基因的上游,转化苹果原生质体细胞。SA处理的原生质体细胞,荧光素酶的活性为未经SA处理的20.6倍,而脱落酸(ABA)、茉莉酸(JA)、1-氨基环丙烷羧酸(ACC)对荧光素酶的活性没有影响,说明该启动子为苹果中对SA进行特异性响应的启动子序列。不同区段的启动子片段对SA响应能力不同,从Md WRKY40翻译起始位点ATG向上游500—1 000 bp只能响应高浓度SA,而对低浓度SA不具有响应能力,1 500 bp片段对高浓度SA响应能力进一步显著增强,对低浓度SA响应也有微弱提高;而长度为2 000 bp的核苷酸片段无论对高浓度SA还是对低浓度SA都具有显著响应能力,且达到最强。与2 000 bp片段相比,2 500 bp的核苷酸片段没有进一步增强启动子片段对SA的响应能力。超表达Md WRKY40蛋白对其自身的转录具有抑制作用。【结论】2 mmol·L-1 SA处理所影响的基因主要参与了苯丙烷类、类黄酮的生物合成,植物病原菌互作及植物激素信号转导途径。位于Md WRKY40开放阅读框上游的2 500 bp核苷酸序列,为对SA进行特异性响应的核苷酸启动子序列。在1 000—1 500 bp及1 500—2 000 bp具有显著提高启动子对SA敏感性的未知核苷酸序列,另外,Md WRKY40转录调控存在反馈抑制机制。

植物响应病原真菌的代谢组学研究进展

代谢组学是对特定条件下的生物体内代谢物进行定性或定量分析,从而得到与特定生理或病理反应相关的代谢物变化的一门新学科,并因此被广泛应用于植物学、微生物学、毒理学及疾病诊断等领域。近年来,代谢组学开始应用到植物–微生物互作研究领域,尤其是在植物响应病原菌胁迫的研究中。该文综述了代谢组学的定义、研究方法及其在植物–病原真菌互作领域中的应用,并讨论了其研究前景和所面临的挑战。

Alteration in Biochemical Response in Sesamum indicum upon Different Plant-Pathogen Interactions

Sesamum, an important oil yielding crop suffers a huge loss in its yield due to attack of large number of fungal pathogens. In semi-arid regions Sesamum is mainly affected by two major plant-pathogenic fungus viz. Macrophomina phaseolina and Fusarium oxysporum. The aim of the study was to analyze the metabolic alterations in Sesamum after infection with both pathogens. This accomplished by individually by （the word estimating is not quantitative） the levels of total phenolic compounds and the activities of phenylalanine ammonia lyase （PAL） of one week old plants. The PAL showed high activity in infected plants, revealing the active phase in the synthesis of secondary metabolites in the Sesamum plant after infection. As a consequence, in infected plants the contents of polyphenols along with salicylic acid （SA） considerably exceeded when compared to control plants. This in vivo study of M. phaseolina and F. oxysporum infection reveals the differences of resistance levels in sesame against these two pathogens. These results provide important information regarding the plant-pathogen interactions and also forfor Sesamum improvement programs seeking the adaptation to diverse range of fungal attack along with adverse environmental factors.

基于TALE的生物工程技术在植物抗病性上的应用

植物病原菌通过T3SS(typeⅢsecretion system)注射TALEs(transcription activator-like effectors)即转录激活类效应物进入寄主细胞并诱导寄主基因表达。TALEs通过重复氨基酸序列模块-对应识别DNA碱基序列并与之结合,激活基因转录。TALEs识别碱基的模块能够被预测和设计,可根据此推测其在植物中的功能和合成理想的靶DNA结合序列。利用植物与TALEs之间的抗性机制为疾病控制提供新的策略。