黃君君 馬香 唐鴻倩 劉柱 唐燕瓊
摘 要 香蕉枯萎病嚴(yán)重危害香蕉產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本研究從肽適體文庫(kù)中篩選獲得對(duì)香蕉枯萎病致病菌尖孢鐮刀菌有抑制作用的人工肽適體SNP-D4。通過(guò)構(gòu)建人工肽適體體外重組表達(dá)載體,獲得SNP-D4體外重組蛋白。結(jié)果表明,通過(guò)抑菌活性檢測(cè)表達(dá)人工肽適體SNP-D4的大腸桿菌全蛋白提取液,能夠特異性抑制尖孢鐮刀菌孢子的萌發(fā),使其萌發(fā)率降低至19.60%。本研究篩選得到的人工肽適體SNP-D4可應(yīng)用于研發(fā)環(huán)境友好型特異抗真菌生物制劑,為香蕉枯萎病防治提供新的技術(shù)手段。
關(guān)鍵詞 香蕉枯萎?。浑倪m體;尖孢鐮刀菌;載體構(gòu)建;抑菌活性
中圖分類(lèi)號(hào) S46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A
Abstract Banana fusarium wilt was a serious disease which causes great damages to banana-developing industries. Fusarium oxysporum f. sp. cubense FOC4 was considered as the essential pathogen. In this study, the artificial pepaptamer SNP-D4 was identified from our created pepaptamers library for the inhibition of Fusarium oxysporum f. sp. cubense FOC4. The recombinant expression vector SNP-D4 was constructed and expressed. The results of antifungal activity test revealed that the total protein extract of Escherichia coli containing SNP-D4 expression could specifically inhibite up to 19.60% of the germination rate for F. oxysporum FOC4. Collectively, our present study implied that the artificial pepaptamer SNP-D4 could be applied to develop environment-friendly biological agents for the control of specific fungal disease, offering a new technique for the prevention and control of banana fusarium wilt.
Key words banana fusarium wilt;pepaptamers;Fusarium oxysporum;vector construction;antifungal activity
doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2018.05.022
香蕉枯萎病是一種侵染香蕉植株維管束的真菌引起的土傳病。由尖孢鐮刀菌古巴專(zhuān)化型(Fusarium oxysporum f. sp. cubense,F(xiàn)OC)真菌侵染香蕉根部引起的土傳維管束病害[1],難以根治,對(duì)香蕉產(chǎn)業(yè)造成了毀滅性危害[2]。其中尖孢鐮刀菌4號(hào)生理小種(Fusarium oxysporum f. sp. cubense tropical race 4,F(xiàn)OC4)的毒力和致病能力都遠(yuǎn)超其他生理小種[3],且具有極強(qiáng)的抗逆性,可在土壤中存活20 a之久[4],會(huì)常造成大面積毀園[5],是威脅我國(guó)香蕉產(chǎn)業(yè)的主要因素之一。尖孢鐮刀菌以菌絲體、大型分生孢子和小型分生孢子的形式附著于根系表皮細(xì)胞[6],通過(guò)分泌一系列毒素破壞根系的膜結(jié)構(gòu),造成植株代謝紊亂[7],感染后期可直接侵染植株維管束,導(dǎo)致維管束木質(zhì)化[8]。目前,對(duì)香蕉枯萎病仍缺乏有效的防護(hù)措施[9],相關(guān)的防治研究主要集中在化學(xué)農(nóng)藥篩選方面,也有部分研究者尋找有效的生物防治手段[10]。
肽適體(peptide aptamer或pepaptamers)是一種篩選自人工合成的隨機(jī)氨基酸文庫(kù),可高特異性、高親和力結(jié)合靶標(biāo)蛋白質(zhì)的短肽[11]。其主要結(jié)構(gòu)包括一段結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的支架蛋白(scaffold protein)和兩端固定在支架蛋白上的可變肽段[12](圖1),其中的可變肽段通常由8~20個(gè)氨基酸組成,具有識(shí)別和結(jié)合特異靶蛋白的能力。人工肽適體的篩選和應(yīng)用是目前生物抗菌劑研發(fā)的熱點(diǎn),其具有以下3個(gè)方面優(yōu)勢(shì):第一,靶標(biāo)特異性極高,可以區(qū)分同一蛋白家族的不同成員;其二,分子量較抗體小,但對(duì)靶蛋白的識(shí)別與結(jié)合能力與抗體相當(dāng);其三,體內(nèi)可折疊為穩(wěn)定的三級(jí)構(gòu)象,與一般的游離氨基酸相比更有利于保持較高生物學(xué)活性[13]。
目前肽適體在腫瘤治療[14]、食品安全[15]、植物生物技術(shù)[16]等方面中的巨大潛力已被發(fā)現(xiàn)[17]。在植物病害防治中的應(yīng)用主要是作為植物病毒的干擾劑,通過(guò)阻斷病毒感染周期的特定環(huán)節(jié)阻礙病毒感染植物[18]。Rudolph等[19]以番茄斑萎病毒的核衣殼為靶標(biāo)篩選到肽適體,轉(zhuǎn)化煙草Nicotiana benthamiana中,使其同時(shí)對(duì)番茄斑萎病毒 (TSWV)、番茄退綠葉斑病毒(TCSV), 花生環(huán)斑病毒 (GRSV), 菊花莖部壞疽病毒(CSNV)等產(chǎn)生抗性。
利用肽適體防治植物真菌病害的研究還有待開(kāi)拓。本實(shí)驗(yàn)室前期以改造的葡萄球菌核酸酶(Staphylococcal Nuclease,SNase,下文簡(jiǎn)稱(chēng)SN)為支架蛋白,將可編碼16個(gè)隨機(jī)氨基酸的文庫(kù)DNA插入SNase中,獲得系列質(zhì)粒pTRG-SNase-peptide(簡(jiǎn)稱(chēng)pTRG-SNP,后文中SNase-peptide均縮寫(xiě)為SNP),構(gòu)成一個(gè)庫(kù)容量約為1.5~2.0×107 的肽適體文庫(kù),同時(shí)構(gòu)建了僅表達(dá)肽適體支架蛋白的pTRG-SN質(zhì)
粒[20]。本研究通過(guò)尖孢鐮刀菌孢子萌發(fā)試驗(yàn),直接篩選肽適體文庫(kù),獲得能夠特異性抑制尖孢鐮刀菌的人工肽適體SNP-D4,通過(guò)體外表達(dá)SNP-D4并進(jìn)行抑菌活性檢測(cè),證明人工肽適體SNP-D4能夠特異性抑制尖孢鐮刀菌孢子的萌發(fā)。本研究的結(jié)果為研發(fā)抗尖孢鐮刀菌的生物抗菌劑提供了新思路。
1 材料與方法
1.1 材料
1.1.1 供試菌株和病原菌 供試菌株:大腸桿菌reporter,大腸桿菌BL21(DE3)。病原菌:尖孢鐮刀菌熱帶四號(hào)小種(Fusarium oxysporum f. sp. cubense tropical race 4,F(xiàn)OC4)。以上菌株均由本實(shí)驗(yàn)室保存。
1.1.2 培養(yǎng)基 LB液體培養(yǎng)基:胰蛋白胨1.0 g,酵母提取物0.5 g,NaCl 0.5 g,蒸餾水100 mL, pH 7.0,121 ℃滅菌20 min; LB固體培養(yǎng)基:在LB液體培養(yǎng)基基礎(chǔ)上添加瓊脂糖1.5 g即成,pH 7.0,121 ℃滅菌20 min;0.3%營(yíng)養(yǎng)液:葡萄糖0.3 g,酵母提取物0.3 g,胰蛋白胨0.03 g,蒸餾水100 mL,pH 7.0,121 ℃滅菌20 min。
1.2 方法
1.2.1 肽適體文庫(kù)的篩選 將肽適體文庫(kù)轉(zhuǎn)入制備好的大腸桿菌reporter感受態(tài)細(xì)胞中,分離單菌落并使用特異性引物F1和R1驗(yàn)證,之后分別保存菌種。將保存的菌株分別接種至5 mL含四環(huán)素(Tet,終濃度50 μg/mL)的LB液體培養(yǎng)基中,37 ℃,150 r/min搖床過(guò)夜;按1%接種量將菌液接種至20 mL的LB液體培養(yǎng)基(含Tet,終濃度50 μg/mL)中,加入異丙基-β-D-硫代吡喃半乳糖苷(Isopropyl β-D-1-Thiogalactopyranoside,簡(jiǎn)稱(chēng)IPTG,終濃度100 μmol/L),15 ℃,150 r/min誘導(dǎo)過(guò)夜。收集菌體,用4 mL 50 mmol/L磷酸緩沖溶液(Phosphate Buffered Saline,簡(jiǎn)稱(chēng)PBS)懸浮,進(jìn)行超聲破碎。超聲5 s,間隙6 s,功率35%,共20 min。收集上清,即細(xì)菌全蛋白提取液。將10 μL轉(zhuǎn)入pTRG-SNP載體的reporter菌株細(xì)菌全蛋白提取液、10 μL 4×106個(gè)/mL尖孢鐮刀菌孢子懸液、10 μL 0.3%營(yíng)養(yǎng)液混勻,同時(shí)以PBS處理作為空白對(duì)照,轉(zhuǎn)入pTRG-SN載體的reporter菌株的細(xì)菌全蛋白提取液作為陰性對(duì)照,0.3%惡霉靈處理作為陽(yáng)性對(duì)照,不同處理組均在28 ℃培養(yǎng)箱培養(yǎng)12 h后于光學(xué)顯微鏡40×物鏡下觀(guān)察孢子萌發(fā)情況。
1.2.2 功能性肽適體的鑒定 將篩選到的菌株劃線(xiàn)活化,37 ℃培養(yǎng)過(guò)夜。每種菌株挑選3個(gè)單菌落,再次劃線(xiàn)活化,37 ℃培養(yǎng)過(guò)夜;挑單菌落于5 mL LB液體培養(yǎng)基(含Tet,終濃度50 μg/mL)中,37 ℃ 250 r/min培養(yǎng)過(guò)夜;提取質(zhì)粒并測(cè)序。
1.2.3 重組載體構(gòu)建 利用目的片段特異性引物F2/R2擴(kuò)增肽適體SNP-D4以及肽適體支架蛋白SN核苷酸序列,利用PCR產(chǎn)物回收試劑盒回收目的片段。將上述目的片段及pET28a空載體分別用限制性?xún)?nèi)切酶Nco I和Xho I進(jìn)行雙酶切,之后回收酶切產(chǎn)物。將上述酶切產(chǎn)物用T4連接酶連接,得到連接產(chǎn)物。
1.2.4 重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)化和陽(yáng)性克隆子鑒定 將連接產(chǎn)物通過(guò)熱激法轉(zhuǎn)入大腸桿菌BL21感受態(tài)細(xì)胞,之后涂布到含卡那霉素(Kan,終濃度50 μg/mL)的LB固體培養(yǎng)基上,37 ℃培養(yǎng)過(guò)夜。之后挑取陽(yáng)性克隆子,分別使用載體特異性引物F2/R2和目的片段特異性引物F3/R3進(jìn)行PCR驗(yàn)證。最后將經(jīng)驗(yàn)證的陽(yáng)性克隆提取質(zhì)粒并測(cè)序。
1.2.5 重組蛋白的表達(dá) 將構(gòu)建重組載體陽(yáng)性克隆接種至5 mL LB液體培養(yǎng)基(含Kan,終濃度50 μg/mL),37 ℃,150 r/min搖床過(guò)夜;將活化的菌液按1%接種量接種至50 mL的LB液體培養(yǎng)基(含Kan,終濃度50 μg/mL)中;加入IPTG (終濃度100 μmol/L),15 ℃,150 r/min誘導(dǎo)過(guò)夜。
1.2.6 抑菌試驗(yàn) 通過(guò)上述方法誘導(dǎo)重組菌株大量表達(dá)外源蛋白SN和SNP-D4之后,之后采用超聲波破碎獲得細(xì)菌全蛋白提取液,采用BCA法(使用GENEray公司的BCA法蛋白定量試劑盒)測(cè)定全蛋白濃度。將細(xì)菌全蛋白提取液蛋白濃度均稀釋至30 mg/mL,將10 μL細(xì)菌全蛋白提取液、10 μL 4×106個(gè)/mL尖孢鐮刀菌孢子懸液、10 μL 0.3%營(yíng)養(yǎng)液混勻,同時(shí)以PBS處理組為空白對(duì)照,3組處理均在28 ℃培養(yǎng)箱培養(yǎng)12 h后,在光學(xué)顯微鏡40×物鏡下觀(guān)察孢子萌發(fā)情況,每組取3個(gè)不同的視野,觀(guān)察并統(tǒng)計(jì)萌發(fā)率。萌發(fā)率=萌發(fā)孢子數(shù)/總孢子數(shù)×100%。重復(fù)3次取平均值。
1.3 數(shù)據(jù)分析
試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)采用SAS 9.0統(tǒng)計(jì)學(xué)分析軟件進(jìn)行差異顯著性分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 肽適體文庫(kù)篩選
從肽適體文庫(kù)中分離鑒定得到32個(gè)肽適體單克隆。初步抑菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在32個(gè)肽適體單克隆中,發(fā)現(xiàn)5種肽適體對(duì)尖孢鐮刀菌孢子具有抑制作用,其中SNP-D4效果最佳。從圖2中可看出,在相同處理時(shí)間下,PBS處理組與轉(zhuǎn)入pTRG-SN載體的reporter菌株的細(xì)菌全蛋白提取液處理組的孢子幾乎全部萌發(fā),形成明顯的菌絲體,出現(xiàn)菌絲結(jié)團(tuán)現(xiàn)象,說(shuō)明PBS與轉(zhuǎn)入pTRG-SN載體的reporter菌株的細(xì)菌全蛋白提取液對(duì)孢子的萌發(fā)不具抑制作用,而SNP-D4處理組的孢子大多數(shù)未萌發(fā),少數(shù)萌發(fā)的孢子的菌絲長(zhǎng)度明顯短于陰性對(duì)照組,并未出現(xiàn)菌絲結(jié)團(tuán)現(xiàn)象,其抑制效果幾乎與0.3%惡霉靈處理組相當(dāng),說(shuō)明SNP-D4本身對(duì)孢子的萌發(fā)具有一定抑制作用。
紅色圓圈標(biāo)記的為未萌發(fā)的孢子,紅色箭頭標(biāo)記的為萌發(fā)受到抑制的孢子。
為了確定具有孢子萌發(fā)抑制活性的SNP-D4的序列信息,提取表達(dá)SNP-D4的質(zhì)粒并測(cè)序,得到SNP-D4全長(zhǎng)576 bp,編碼191個(gè)氨基酸,整體蛋白分子量大小為21 ku(圖3)。其編碼的可變肽段序列為共16個(gè)氨基酸(圖3中紅色邊框標(biāo)記的部分)。
2.2 人工肽適體SNP-D4原核表達(dá)載體構(gòu)建
通過(guò)菌落PCR驗(yàn)證陽(yáng)性轉(zhuǎn)化子擴(kuò)增結(jié)果如圖4所示,表達(dá)SN的候選菌落使用2種引物擴(kuò)增分別獲得724、537 bp的單一條帶,表達(dá)SNP-D4的候選菌落使用2種引物擴(kuò)增分別獲得769、582 bp的單一條帶,而且PCR產(chǎn)物單一,無(wú)其他雜帶或污染,符合預(yù)期。提取重組質(zhì)粒并測(cè)序,將測(cè)序結(jié)果與SN和SNP-D4的核酸序列進(jìn)行比對(duì),序列一致,表明已經(jīng)成功構(gòu)建可外源表達(dá)SN和SNP-D4的重組載體。
2.3 外源表達(dá)人工肽適體SNP-D4抑菌效果評(píng)估
通過(guò)抑菌實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證外源表達(dá)人工肽適體SNP-D4的抑菌效果,孢子萌發(fā)率統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖5可見(jiàn),用表達(dá)人工肽適體SNP-D4的細(xì)菌全蛋白提取液處理時(shí),尖孢鐮刀菌孢子萌發(fā)率僅為19.60%,與之相比,用PBS處理時(shí)的萌發(fā)率為78.33%,二者之間差異極顯著(p<0.01),用肽適體支架蛋白SN的細(xì)菌全蛋白提取液處理時(shí),孢子萌發(fā)率為72.10%,與空白對(duì)照PBS并未有顯著差異,表明本研究所篩選的人工肽適體SNP-D4能夠特異性抑制尖孢鐮刀菌的孢子萌發(fā)。另外肽適體支架蛋白SN對(duì)尖孢鐮刀菌的孢子萌發(fā)沒(méi)有顯著影響,說(shuō)明發(fā)揮抑菌功能的是肽適體SNP-D4的可變肽段部分。
3 討論
香蕉枯萎病是香蕉產(chǎn)業(yè)的重要真菌病害之一,長(zhǎng)期以來(lái)都引起人們的高度重視。目前可以用于防治香蕉枯萎病的化學(xué)藥劑包括惡霉靈、多菌靈[21]等。Borges 等[22]在枯萎病菌侵染前用甲萘醌亞硫酸氫鈉(一種維生素K)處理香蕉苗,發(fā)現(xiàn)處理后的香蕉苗中,植物抗毒素快速且大量合成,能夠延緩枯萎病癥狀的發(fā)生。但是,化學(xué)藥劑有效成分難以分離和鑒定,而且通常價(jià)格昂貴,并且化學(xué)藥劑的大量使用存在污染環(huán)境等問(wèn)題。生物防治方面的研究主要包括篩選拮抗菌[23]、農(nóng)作物間作及輪作[24]等,其中拮抗菌是一種非常重要的防治手段。李載淵等[25]通過(guò)生長(zhǎng)對(duì)峙實(shí)驗(yàn)從五指山原始林區(qū)采集的土樣中選擇性分離得到702 株稀有放線(xiàn)菌,最終經(jīng)過(guò)復(fù)篩,獲得一株對(duì)尖孢鐮刀菌具有高活性的拮抗菌210-1-61。但是,拮抗菌也存在抑菌機(jī)理不清楚,以及破壞土壤微生物生態(tài)平衡等問(wèn)題。因此,為了有效防止尖孢鐮刀菌引起的香蕉枯萎病,仍需要探索新型、環(huán)保的有效技術(shù)手段。
肽適體作為一種新型生物材料,被廣泛應(yīng)用于藥物研發(fā)方面,而其在生物農(nóng)藥方面主要是用作抗病毒制劑[26]。針對(duì)特定的生理功能分析,如病毒DNA復(fù)制復(fù)合體組裝等[27],是通過(guò)篩選特定病毒靶標(biāo)具有高特異性的肽適體,達(dá)到干擾病毒功能的作用。本研究首次嘗試將肽適體應(yīng)用于抑制尖孢鐮刀菌,成功篩選到能夠特異性抑制香蕉枯萎病致病菌尖孢鐮刀菌的肽適體,并獲得其外源表達(dá)蛋白。研究發(fā)現(xiàn),含有外源表達(dá)人工肽適體SNP-D4的細(xì)菌全蛋白提取液可將FOC4的孢子萌發(fā)率降低至19.60%,而人工肽適體的支架蛋白并未對(duì)孢子萌發(fā)率有顯著影響(處理后萌發(fā)率為72.10%),說(shuō)明發(fā)揮抑菌功能的為人工肽適體SNP-D4可變肽段部分的16個(gè)氨基酸。綜上所述,人工肽適體SNP-D4能夠特異性抑制尖孢鐮刀菌孢子萌發(fā),具有作為一種新型生物農(nóng)藥的潛力。
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