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        禾谷絲核菌原生質(zhì)體的制備及遺傳轉(zhuǎn)化體系的探索

        2013-08-02 00:51:48任向榮孫海燕陳懷谷于漢壽
        關(guān)鍵詞:禾谷核菌原生質(zhì)

        任向榮, 李 偉, 孫海燕, 陳懷谷, 于漢壽

        (1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)院,江蘇 南京 210095;2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所,江蘇 南京 210014)

        由禾谷絲核菌(Rhizoctonia cerealis Van der Hoeven)引起的小麥紋枯病已成為中國小麥主產(chǎn)區(qū)小麥高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的重要威脅[1-2]。該菌通常以菌絲和菌核的形態(tài)習(xí)居于土壤中,自然條件下只發(fā)現(xiàn)無性世代[3-5]。國內(nèi)外學(xué)者對禾谷絲核菌的田間快速檢測、化學(xué)防治及生物防治等方面做了大量研究[6-10]。但對該病原菌的流行學(xué)、基因之間的交流和致病機(jī)理等方面的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其他一些病原菌,其主要原因是到目前為止尚未建立禾谷絲核菌有效的遺傳轉(zhuǎn)化體系,而制備高質(zhì)量的與原始菌株遺傳背景一致的原生質(zhì)體是進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)化的前提。

        原生質(zhì)體是通過機(jī)械破碎或酶消解細(xì)胞壁而得到的裸露細(xì)胞,質(zhì)膜為細(xì)胞質(zhì)和外界環(huán)境間的唯一屏障,對外界環(huán)境的變化非常敏感。因此,原生質(zhì)體常被用于生化分析[11]、細(xì)胞壁再生過程觀察[12]、發(fā)育學(xué)的研究[13]、標(biāo)記蛋白質(zhì)的細(xì)胞定位[14]、蛋白質(zhì)間關(guān)系的分析[15-16]以及染色體的改造[17]等。另外,原生質(zhì)體是絲狀真菌細(xì)胞融合、誘變育種和遺傳轉(zhuǎn)化等的理想材料。隨著分子生物學(xué)技術(shù)在植物病理學(xué)研究中的不斷應(yīng)用和發(fā)展,真菌的遺傳轉(zhuǎn)化越來越受到重視。目前,已有100多種真菌實(shí)現(xiàn)了遺傳轉(zhuǎn)化[18]。絲狀真菌的遺傳轉(zhuǎn)化方法有多種,包括PEG-原生質(zhì)體轉(zhuǎn)化和農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)化法 (Agrobacterium tumefaciens mediated transformation,ATMT)等。

        有研究結(jié)果表明多核的立枯絲核菌(R.solani)原生質(zhì)體再生菌株無論從形態(tài)、生長速率還是分子水平上都與原始菌株有較大差異[19],這一現(xiàn)象對進(jìn)一步的遺傳轉(zhuǎn)化等是不利的。禾谷絲核菌細(xì)胞為雙核,其原生質(zhì)體的制備方法,再生菌株與原始菌株之間是否存在差異,以及遺傳轉(zhuǎn)化體系的構(gòu)建等研究目前尚未見報(bào)導(dǎo)。本研究采用多種酶消解菌絲細(xì)胞壁的方法探索禾谷絲核菌原生質(zhì)體的制備方法,比較原生質(zhì)體再生菌株和原始菌株在形態(tài)、生長速率、致病力及遺傳組成等方面的差異,并利用PEG-原生質(zhì)體的轉(zhuǎn)化和土壤農(nóng)桿菌介導(dǎo)的轉(zhuǎn)化等方法嘗試構(gòu)建禾谷絲核菌的遺傳轉(zhuǎn)化體系,為進(jìn)一步研究其致病機(jī)理奠定基礎(chǔ)。

        1 材料和方法

        1.1 原生質(zhì)體制備

        采用4種方法獲得用于酶解的菌絲:(1)直接從PSA平板上挑取一定量的禾谷絲核菌R0301菌株(該菌株分離自江蘇省南京市,是強(qiáng)致病力菌株,保藏于江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所)的氣生菌絲;(2)參照張穎等[20]的方法并有所改進(jìn),將挑取的氣生菌絲在研缽中研磨后轉(zhuǎn)移到液體TB3(0.3%酵母浸提物,0.3%蛋白胨和20%蔗糖)培養(yǎng)基中,28℃再培養(yǎng)44 h左右,過濾收集菌絲并用無菌水沖洗;(3)參照Liu等[21]的獲取菌絲的方法,在鋪有玻璃紙的PDA平板上28℃培養(yǎng)44 h左右,將玻璃紙連菌碟一起放進(jìn)無菌水中從而分離獲得菌絲;(4)PDA平板上培養(yǎng)3~5 d后,在菌落邊緣打菌碟,轉(zhuǎn)移到鋪有玻璃紙的PDA平板上28℃再培養(yǎng)44 h左右,用金屬小勺柄或接種針刮取菌絲,該方法是對第3種方法的改良。

        將收集得到的菌絲等量轉(zhuǎn)入含2%消化酶(分別是纖維素酶、裂解酶、崩潰酶及溶壁酶)的10 ml 0.7 mol/L滲透壓穩(wěn)定劑(山梨醇、蔗糖、NaCl和MgSO4)中,在30℃、120 r/min條件下酶解。每間隔0.5 h進(jìn)行顯微鏡檢測。酶解0.5~3.0 h后,3層過濾膜過濾收集原生質(zhì)體。

        1.2 原生質(zhì)體的計(jì)數(shù)、核染色及再生

        用STC(15%山梨醇,0.7%CaCl2·H2O和5%Tris/HCl,pH 8.0)溶解原生質(zhì)體沉淀,進(jìn)行一定的稀釋后計(jì)數(shù);用10 μg/ml核熒光染料Hoechst 33258(碧云天生物技術(shù)研究所產(chǎn)品)對菌絲和原生質(zhì)體處理5 min后,熒光顯微鏡(Nikon ECLIPSE E400)下觀察核染色情況;將一定量的原生質(zhì)體加入已冷卻至室溫的RM(1.6 mol/L蔗糖,0.4%干酪素水解物,0.4%酵母浸提物和0.85%的瓊脂粉)固體培養(yǎng)基中,輕輕混勻后倒平板;28℃培養(yǎng)6~7 d后,挑取再生培養(yǎng)基上的單菌落,轉(zhuǎn)接到PDA平板上28℃培養(yǎng),觀察它們與原始菌株在形態(tài)和生長速率等方面的差異。

        1.3 原生質(zhì)體再生菌株致病力測定

        試驗(yàn)選小麥品種揚(yáng)麥158,將種子播種于裝有滅菌土、口徑為8 cm的塑料盆缽中,每缽播25粒,并蓋上滅菌土。在人工氣候培養(yǎng)箱內(nèi)20℃培養(yǎng),待小麥長到二葉期在莖基部接入直徑為0.5 cm的菌碟,每個菌株3個重復(fù),接種14 d后參照 Lipps等[22]的分級標(biāo)準(zhǔn)調(diào)查病情。計(jì)算病情指數(shù),使用DPSv7.05軟件對病情指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

        1.4 菌株DNA的提取及AFLP差異分析

        從200個再生菌株中隨機(jī)選取100株進(jìn)行差異分析。菌株DNA的提取采用快速基因組DNA試劑盒(東盛生物公司產(chǎn)品)。AFLP試驗(yàn)方法參照Ceresini等[23]和 Vos 等[24]的方法,預(yù)擴(kuò)增引物為EcoRI+G(5'-GACTGCGTACCAATTCG-3')和 MseI+G(5'-GATGAGTCCTGAGTAAG-3'),選擇性擴(kuò)增引物為 EcoRI+GT(5'-GACTGCGTACCAATTCGT-3')和 MseI+GT(5'-GATGAGTCCTGAGTAAGT-3')。AFLP選擇性擴(kuò)增產(chǎn)物變性后在6%聚丙烯酰胺凝膠上電泳分離,硝酸銀染色顯影。

        1.5 遺傳轉(zhuǎn)化

        1.5.1 測定禾谷絲核菌對潮霉素B的敏感濃度設(shè)置潮霉素 B 濃度梯度為:0 μg/ml、25 μg/ml、50 μg/ml、75 μg/ml、100 μg/ml,測定禾谷絲核菌對潮霉素B的敏感濃度。

        1.5.2 PEG-原生質(zhì)體轉(zhuǎn)化 按照方法1.1獲得的原生質(zhì)體沉淀,1 ml STC溶解,轉(zhuǎn)入2 ml離心管中;5 000 r/min離心5 min,棄上清;STC懸浮原生質(zhì)體;轉(zhuǎn)化液:90 μl STC+10 μl質(zhì)粒 +100 μl原生質(zhì)體,使原生質(zhì)體數(shù)達(dá)到104個、105個和106個,輕輕混勻,室溫靜置20 min;加1 ml SPTC(STC+50%PEG)輕輕混勻,室溫靜置20 min;加5 ml TB3混勻,18℃,121 r/min搖培過夜;第2 d倒制平板,先加入一定體積的潮霉素B到RM培養(yǎng)基中,再倒入過夜的轉(zhuǎn)化液,混勻后倒平板;倒置,28℃培養(yǎng)。

        1.5.3 土壤農(nóng)桿菌(A.tumefaciens)AGL-1介導(dǎo)的轉(zhuǎn)化 從新鮮培養(yǎng)的LB平板上挑取土壤農(nóng)桿菌AGL-1的單菌落,接種到5 ml液體LB培養(yǎng)基中(含50 μg/ml的卡那霉素),200 r/min,28 ℃ 下過夜培養(yǎng);將 200 μl上述培養(yǎng)液轉(zhuǎn)移到5 ml含50 μg/ml卡那霉素的誘導(dǎo)培養(yǎng)基(IM)中,OD600值約為0.15,加入乙酞丁香酮(AS),濃度為 200 μg/ml,28 ℃ 培養(yǎng)5~6 h使OD600達(dá)到0.5~0.6;用TB3懸浮原生質(zhì)體沉淀;取100 μl經(jīng)處理的農(nóng)桿菌菌液和100 μl原生質(zhì)體,使原生質(zhì)體數(shù)達(dá)到104個、105個和106個,混勻后輕輕涂布在含200 μg/ml乙酞丁香酮(AS)的IM固體平板上的玻璃紙上,22℃黑暗培養(yǎng)48 h;把玻璃紙倒置轉(zhuǎn)移到選擇培養(yǎng)基上(PSA+50 μg/ml潮霉素 B+400 μg/ml頭孢氨芐 +60 μg/ml鏈霉素),28℃黑暗培養(yǎng)。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 菌絲獲得方法及細(xì)胞壁消解酶和滲透壓穩(wěn)定劑處理對原生質(zhì)體制備的影響

        在以溶壁酶為消解酶和以0.7 mol/L NaCl為滲透壓穩(wěn)定劑的酶解體系中,4種不同方法獲得的菌絲用于制備原生質(zhì)體,得到的原生質(zhì)體量有很大差異。方法(1)得到的原生質(zhì)體數(shù)為1 ml 101~102個;方法(2)得到的原生質(zhì)體數(shù)為1 ml 0.5×102~1.5×102個;方法(3)制備的原生質(zhì)體數(shù)達(dá)到1 ml 5×103~104個;方法(4)得到的幼嫩菌絲制備原生質(zhì)體時(shí),原生質(zhì)體數(shù)達(dá)到1 ml 106個。而其他消解酶和滲透壓穩(wěn)定劑組合的體系中,沒有觀察到原生質(zhì)體出現(xiàn)。

        采用方法(4)得到的幼嫩菌絲,用0.7 mol/L NaCl為滲透壓穩(wěn)定劑,濃度為2.0%的4種消化酶處理,每間隔0.5 h檢測。直到酶解3 h時(shí),在含崩潰酶、纖維素酶和裂解酶3種酶的酶解體系中都沒有原生質(zhì)體出現(xiàn);而在溶壁酶的酶解體系中,0.5 h就發(fā)現(xiàn)大量的原生質(zhì)體(圖1)。結(jié)果表明,在本試驗(yàn)條件下,崩潰酶、纖維素酶和裂解酶3種酶對禾谷絲核菌的細(xì)胞壁幾乎沒有消解能力而不能釋放原生質(zhì)體,溶壁酶對禾谷絲核菌的細(xì)胞壁的降解起著非常重要的作用。

        圖1 4種滲透壓穩(wěn)定劑對原生質(zhì)體釋放的影響Fig.1 Four kinds of osmotic pressure stabilizers influencing protoplast liberation

        同種酶的作用下,不同的滲透壓穩(wěn)定劑對原生質(zhì)體的釋放有很大影響。崩潰酶、纖維素酶和裂解酶3種酶分別在山梨醇、蔗糖、NaCl和MgSO4中酶解直到3 h都沒有原生質(zhì)體出現(xiàn)。在以溶壁酶為細(xì)胞壁消解酶的作用體系中,直到酶解3 h,以山梨醇為滲透壓穩(wěn)定劑的體系中原生質(zhì)體的釋放量幾乎都為零;而以蔗糖、NaCl和MgSO4為滲透壓穩(wěn)定劑的體系中,酶解0.5 h 1 ml原生質(zhì)體數(shù)已達(dá)到105。以蔗糖滲透壓穩(wěn)定劑的體系中原生質(zhì)體釋放量低于以NaCl和MgSO4為滲透壓穩(wěn)定劑的體系(圖1)。無機(jī)鹽滲透壓穩(wěn)定劑NaCl和MgSO4比有機(jī)物滲透壓穩(wěn)定劑更有利于禾谷絲核菌原生質(zhì)體的釋放,NaCl尤其明顯。酶處理1.5 h時(shí),在NaCl為滲透壓穩(wěn)定劑的體系中,1 ml原生質(zhì)體數(shù)達(dá)到106,但隨著時(shí)間的延長原生質(zhì)體數(shù)并沒有增加反而越來越少(圖1)。長時(shí)間的酶處理可能對原生質(zhì)體有一定的破壞作用。因此,禾谷絲核菌菌絲酶解處理1.5 h左右是收集原生質(zhì)體的相對最佳時(shí)間。

        2.2 原生質(zhì)體核染色、萌發(fā)及再生

        所制備的原生質(zhì)體純化濃縮后鏡檢呈規(guī)則的球形,大小不一,并有聚集現(xiàn)象(圖2a)。原生質(zhì)體在液體培養(yǎng)基中的萌發(fā)類似孢子,先長出牙管,慢慢伸長,長到一定長度開始分叉并小于90°(圖2b~d)。在再生培養(yǎng)基(RM)上培養(yǎng)7 d后長出單一分散的白色菌落(圖2e)。對菌絲及原生質(zhì)體細(xì)胞核進(jìn)行染色和鏡檢,觀察到菌絲及原生質(zhì)體的細(xì)胞核數(shù)目一致,均為雙核(圖3)。把再生培養(yǎng)基上(圖2e)的單一菌落轉(zhuǎn)接到普通PDA培養(yǎng)基上生長,隨機(jī)挑取部分原生質(zhì)體再生菌株,共200株,再生菌株在形態(tài)上與原始菌株沒有差異。

        圖2 禾谷絲核菌的原生質(zhì)體萌發(fā)及再生Fig.2 The protoplast germination and regeneration of R.cerealis

        圖3 菌絲及原生質(zhì)體的細(xì)胞核Hoechst 33258染色Fig.3 Nuclear staining of hypha and protoplasts with Hoechst 33258

        2.3 再生菌株的生長速率及致病力分析

        從100個再生菌株(用于后面的AFLP試驗(yàn))中隨機(jī)挑選15株,在PDA培養(yǎng)基上培養(yǎng),測定其生長速率,結(jié)果表明原生質(zhì)體再生菌株與原始菌株的生長速率無顯著差異(圖4a)。對原始菌株R0301和15個再生菌株進(jìn)行了致病力測定,病情指數(shù)調(diào)查結(jié)果表明,15個禾谷絲核菌再生菌株的致病力沒有明顯差異,與原始菌株的差異也不顯著(圖4b)。

        圖4 禾谷絲核菌原始菌株和原生質(zhì)體再生菌株生長速率(a)及致病力(b)比較Fig.4 The growth rate(a)and pathogenicity(b)of regenerated and original strains of R.cerealis

        2.4 原生質(zhì)體再生菌株的AFLP差異分析

        隨機(jī)選擇了100個再生菌株,提取其基因組DNA。通過AFLP分子標(biāo)記差異分析共得到20個片段,分布在50 bp~2 000 bp之間。電泳結(jié)果表明再生菌株之間不存在多樣性,再生菌株與原始菌株之間也沒有差異(圖5)。

        圖5 原生質(zhì)體再生菌株的AFLP分子標(biāo)記Fig.5 The analysis of protoplast regenerated strains by AFLP

        2.5 遺傳轉(zhuǎn)化體系

        潮霉素B濃度為50 μg/ml時(shí),對禾谷絲核菌的抑制率已經(jīng)達(dá)到了100%(表1)。因此,選擇轉(zhuǎn)化子的潮霉素B濃度為50 μg/ml。原生質(zhì)體數(shù)量為104個、105個和106個時(shí),分別采用 PEG-原生質(zhì)體轉(zhuǎn)化和農(nóng)桿菌介導(dǎo)的原生質(zhì)體轉(zhuǎn)化,多次嘗試沒有獲得轉(zhuǎn)化子。針對禾谷絲核菌的遺傳轉(zhuǎn)化,通過多次探究沒有成功建立其遺傳轉(zhuǎn)化體系。

        表1 禾谷絲核菌R0301對潮霉素B的敏感性Table 1 The susceptibility of R.cerealis R0301 to hygromycin B

        3 討論

        原生質(zhì)體是遺傳轉(zhuǎn)化、融合、誘變育種、觀察細(xì)胞壁構(gòu)成及了解內(nèi)生病毒傳播情況等的理想材料,有助于探索絲狀真菌的生化特性及遺傳學(xué)及生理學(xué)研究等[19]。原生質(zhì)體的制備與很多因素有關(guān),如酶的種類、滲透壓穩(wěn)定劑、酶作用時(shí)間及溫度和菌齡等。

        一般處于對數(shù)生長期的真菌幼嫩菌絲用于酶解制備原生質(zhì)體效果最好[25]。幼嫩菌絲的獲得對原生質(zhì)體的制備也非常關(guān)鍵。禾谷絲核菌在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)條件下不產(chǎn)生孢子[3],所以不能像大多數(shù)產(chǎn)孢真菌那樣通過孢子萌發(fā)獲得幼嫩菌絲。培養(yǎng)長時(shí)間之后的氣生菌絲質(zhì)地過密且已老化,去壁較難不適于原生質(zhì)體的制備。采用從鋪有玻璃紙的PDA培養(yǎng)基上獲得的幼嫩菌絲用于酶解,可得到大量的原生質(zhì)體,并且方法簡單易行,耗時(shí)短。

        原生質(zhì)體的制備很大程度上依賴細(xì)胞壁消解酶的選擇,而細(xì)胞壁消解酶的選擇又和該菌的細(xì)胞壁組成相關(guān)。禾谷絲核菌是一種擔(dān)子菌,它的細(xì)胞壁主要成分是葡聚糖、幾丁質(zhì)等[26]。纖維素不是禾谷絲核菌的細(xì)胞壁主要成分,單一的纖維素酶對禾谷絲核菌幾乎沒有消化作用。崩潰酶(Driselase)和裂解酶(Lysing enzymes)是立枯絲核菌的高效細(xì)胞壁消解酶[21],在本試驗(yàn)中,它們對禾谷絲核菌的細(xì)胞壁幾乎都沒有消解作用。禾谷絲核菌同立枯絲核菌在胞壁組成上可能存在一定的差異。

        滲透壓穩(wěn)定劑可維持原生質(zhì)體細(xì)胞膜內(nèi)外的滲透壓平衡,也影響酶的活性[27]。不同的細(xì)胞壁消化酶在作用同一底物時(shí),也會有它們適宜的滲透壓穩(wěn)定劑。崩潰酶、纖維素酶和裂解酶3種酶分別在山梨醇、蔗糖、NaCl和MgSO44種滲透壓穩(wěn)定劑中都沒有原生質(zhì)體出現(xiàn),溶壁酶在本試驗(yàn)所用的滲透壓穩(wěn)定劑(除山梨醇外)中都有大量原生質(zhì)體產(chǎn)生。無機(jī)鹽滲透壓穩(wěn)定劑特別是NaCl更有利于禾谷絲核菌原生質(zhì)體的產(chǎn)生。

        顯微鏡下的原生質(zhì)體呈規(guī)則的球形,并存在聚集現(xiàn)象。有研究結(jié)果表明原生質(zhì)體通過細(xì)胞壁的殘余物質(zhì)粘連,這一現(xiàn)象有助于原生質(zhì)體的細(xì)胞壁復(fù)原及再生。Liu等[28]制備立枯絲核菌的原生質(zhì)體,恢復(fù)原生質(zhì)體細(xì)胞壁可制成人工孢子。在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)條件下,禾谷絲核菌也不產(chǎn)生任何有性或無性孢子,利用立枯絲核菌制造人工孢子的原理,可能得到禾谷絲核菌的人工孢子,用于篩選禾谷絲核菌的殺菌劑和抗病小麥品種等。另外,根據(jù)產(chǎn)孢菌單孢分離的方法,進(jìn)行單原生質(zhì)體分離[29],可以對不產(chǎn)孢的禾谷絲核菌進(jìn)行菌株純化等應(yīng)用。

        制備得到的原生質(zhì)體與原始菌株的遺傳背景一致是進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)化、誘變育種等的前提。Thomas等[19]的研究結(jié)果表明立枯絲核菌的原生質(zhì)體不僅細(xì)胞核數(shù)目不同,而且生長速率和形態(tài)都有很大差異。本研究通過細(xì)胞核染色發(fā)現(xiàn),制備的禾谷絲核菌原生質(zhì)體都以雙核的形式存在,與原始菌株菌絲細(xì)胞內(nèi)的核數(shù)目一致。再生菌株的形態(tài)、生長速率等與原始菌株也沒有差異。AFLP分子標(biāo)記檢測的結(jié)果表明,禾谷絲核菌原生質(zhì)體再生菌株之間遺傳組成可能沒有差異,并且與原始菌株之間也可能無差異。致病力測定結(jié)果也顯示原生質(zhì)體再生菌株與原始菌株之間無顯著性差異。以上結(jié)果表明,禾谷絲核菌再生菌株和原始菌株之間幾乎不存在差異,我們的制備體系沒有改變原始菌株的遺傳背景。本研究建立的體系可制備大量的與原始菌株遺傳背景一致的原生質(zhì)體,可用于轉(zhuǎn)化及誘變等一系列遺傳操作。

        本試驗(yàn)通過多次嘗試PEG-原生質(zhì)體轉(zhuǎn)化和土壤農(nóng)桿菌介導(dǎo)的轉(zhuǎn)化,沒有成功建立禾谷絲核菌遺傳轉(zhuǎn)化體系。可能原因是,在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)條件下,禾谷絲核菌不產(chǎn)生任何有性或無性孢子,并且細(xì)胞內(nèi)存在雙核等[3]。這些現(xiàn)象對禾谷絲核菌遺傳轉(zhuǎn)化體系的建立都是非常不利的。另一方面,已經(jīng)嘗試的轉(zhuǎn)化方法或轉(zhuǎn)化條件可能不適合禾谷絲核菌的轉(zhuǎn)化。關(guān)于絲核菌屬的遺傳轉(zhuǎn)化體系,國內(nèi)外很少有成功的報(bào)道,主要原因是很難發(fā)現(xiàn)絲核菌的有性態(tài)生活階段,無性態(tài)又不產(chǎn)生任何孢子,同時(shí)絲核菌屬的細(xì)胞內(nèi)存在多核現(xiàn)象等[3]。對于絲核菌屬的遺傳轉(zhuǎn)化體系的建立有待于人們繼續(xù)研究。

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