李廷剛,鞏東營
(1.山東省葡萄研究院,山東 濟(jì)南 250100;2.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工與營養(yǎng)研究所,山東 濟(jì)南 250100)
灰霉病是葡萄生長及貯存期的重要病害,在我國主要由灰葡萄孢(Botrytis cinerea)侵染所致[1]。灰葡萄孢在自然界中可侵染200多種植物,包括番茄、絲瓜、草莓、葡萄等[2],多以菌核在植株或者病殘體上越冬,翌年通過分生孢子傳播[3]?;移咸焰咴谄咸焉L過程中可侵染植株嫩莖、葉片、花穗、果實(shí)等大部分地上組織,發(fā)生嚴(yán)重時,可造成減產(chǎn)60%以上;在葡萄貯藏期是第一大病原菌,一旦發(fā)生可造成葡萄果粒腐爛,影響貯藏品質(zhì),造成嚴(yán)重?fù)p失[4]?;移咸焰呒闹鞣秶鷱V、變異速度快、抵御不良環(huán)境能力強(qiáng),因此防治極為困難。尋找灰葡萄孢致病基因、探索致病機(jī)制,可為灰霉病綜合防控奠定基礎(chǔ)。
遺傳轉(zhuǎn)化是研究病原菌致病基因功能的重要技術(shù)基礎(chǔ),農(nóng)桿菌介導(dǎo)的遺傳轉(zhuǎn)化(Agrobacterium tumefaciens-mediated transformation,ATMT)是目前應(yīng)用較為廣泛的轉(zhuǎn)化技術(shù)[5]。農(nóng)桿菌可以侵染真菌細(xì)胞,利用所攜帶的Ti質(zhì)粒,將T-DNA區(qū)隨機(jī)整合到受體細(xì)胞的基因組中,轉(zhuǎn)化過程受到多種小分子多糖及酚類物質(zhì)等的雙重調(diào)節(jié),其中乙酰丁香酮(acetosyringone,AS)在該過程中起促進(jìn)作用[6]。ATMT技術(shù)因其轉(zhuǎn)化受體要求低、操作流程簡單、轉(zhuǎn)化效率高、轉(zhuǎn)化子穩(wěn)定性強(qiáng)、轉(zhuǎn)化子單拷貝插入等優(yōu)勢,目前已在水稻稻瘟病菌(Magnaporthe oryzae)、玉米大斑病菌(Setosphaeria turcica)、油菜菌核病菌(Sclerotinia sclerotiorum)、橡膠樹炭疽病菌(Colletotrichum musae)等多種病原真菌中得到廣泛應(yīng)用[7-10]。
目前,在灰葡萄孢遺傳轉(zhuǎn)化研究中,ATMT技術(shù)也得到了較好的應(yīng)用。陶嵐[11]利用ATMT技術(shù)構(gòu)建了草莓灰葡萄孢突變體庫,并從中篩選出463個致病力異常的轉(zhuǎn)化子。王璇等[12]通過篩選基于ATMT技術(shù)構(gòu)建的番茄灰葡萄孢突變體庫,得到分生孢子產(chǎn)生缺陷轉(zhuǎn)化子BCt78。范雷等[13]通過優(yōu)化月季灰葡萄孢RoseBc-3的ATMT體系,篩選獲得6類不同表型轉(zhuǎn)化子。沈衛(wèi)鋒等[14]利用ATMT技術(shù)成功獲得了綠色熒光蛋白重組灰葡萄孢。Zhang等[15]通過篩選番茄灰葡萄孢ATMT突變體庫,得到分生孢子產(chǎn)生缺陷轉(zhuǎn)化子BCG183,定位確定候選基因BcKMO,進(jìn)一步證明該基因可參與調(diào)控細(xì)胞壁降解酶活性、毒素活性和細(xì)胞壁完整性等。不同寄主灰葡萄孢具有其自身特異性,目前鮮有關(guān)于葡萄灰葡萄孢ATMT的相關(guān)研究。本試驗(yàn)以分離自葡萄的灰葡萄孢BcSD3菌株為材料,研究建立并優(yōu)化其ATMT體系。
葡萄灰葡萄孢BcSD3菌株(高毒力菌株),于2020年7月分離自山東煙臺‘巨峰’葡萄灰霉病花穗。根癌農(nóng)桿菌EHA105菌株、質(zhì)粒pBIG3C(含潮霉素抗性基因)均由本實(shí)驗(yàn)室保存。
1.2.1 灰葡萄孢分生孢子制備 將灰葡萄孢BcSD3菌株接種于PDA培養(yǎng)基上,參照李廷剛等[16]報道的方法進(jìn)行誘導(dǎo)產(chǎn)孢;使用滅菌水洗脫分生孢子,并用三層滅菌濾紙過濾去除菌絲等雜質(zhì);離心收集分生孢子,并調(diào)節(jié)至適宜濃度,保存?zhèn)溆谩?/p>
1.2.2 根癌農(nóng)桿菌菌液制備 采用熱擊法將pBIG3C質(zhì)粒轉(zhuǎn)入根癌農(nóng)桿菌EHA105菌株中;篩選陽性菌斑接種于LB液體培養(yǎng)基(含50μg/mL卡那霉素)中,于28℃條件下?lián)u培2 d;離心收集菌體,用誘導(dǎo)培養(yǎng)基將菌液稀釋至OD600值等于0.15,繼續(xù)培養(yǎng)直至OD600值達(dá)到0.8。
1.2.3 灰葡萄孢對潮霉素B敏感性測定 制備分別含有5、10、25、50、100μg/mL潮霉素B的PDA平板,以不添加潮霉素B的PDA平板作為對照,用打孔器打取灰葡萄孢菌餅接種在PDA平板中心位置;于23℃光暗交替條件下培養(yǎng)3 d,觀察菌落生長情況,每個處理6個平板,設(shè)置3次重復(fù)。
1.2.4 農(nóng)桿菌對頭孢噻肟鈉敏感性測定 制備分別含有50、100、200、300、400μg/mL頭孢噻肟鈉的PDA平板,以不添加頭孢噻肟鈉的PDA平板作為對照,取已制備的OD600值為0.15的農(nóng)桿菌菌液均勻涂布于平板上;于28℃黑暗條件下培養(yǎng)3 d,觀察菌落生長情況,每個處理6個平板,設(shè)置3次重復(fù)。
1.2.5 遺傳轉(zhuǎn)化條件優(yōu)化 在含有不同濃度乙酰丁香酮(AS)的共培養(yǎng)培養(yǎng)基平板上平鋪一張玻璃紙,取100μL農(nóng)桿菌與灰葡萄孢分生孢子混合液均勻涂布于玻璃紙上,在不同溫度條件下共培養(yǎng)不同時間,后將玻璃紙轉(zhuǎn)移至新的滅菌培養(yǎng)皿內(nèi),覆蓋PDA培養(yǎng)基(內(nèi)含50μg/mL的潮霉素B和300μg/mL的頭孢噻肟鈉),在適宜溫度條件下光暗交替培養(yǎng)5 d,查看轉(zhuǎn)化子生長情況。其中所用灰葡萄孢分生孢子濃度分別為1×102、1×103、1×104、1×105、1×106個/mL;所用AS濃度分別為100、200、300、400μmol/mL,以不添加AS培養(yǎng)基平板作為對照;共培養(yǎng)溫度分別為15、20、25、30、35℃;共培養(yǎng)時間分別為24、48、72、96、120 h。
1.2.6 轉(zhuǎn)化子檢測與鑒定 隨機(jī)選取8個轉(zhuǎn)化子接種于不含抗生素的PDA平板上,待菌落生長至平板3/4面積時,打取菌餅轉(zhuǎn)接至新的不含抗生素的PDA平板上,連續(xù)轉(zhuǎn)接3代。之后打取菌餅,接種至含有50μg/mL潮霉素B的PDA平板上,觀察菌落生長情況,重復(fù)3次。使用CTAB法提取野生型灰葡萄孢和8個轉(zhuǎn)化子的基因組DNA,分別擴(kuò)增潮霉素磷酸轉(zhuǎn)移酶(hph)基因的特異片段。對野生型灰葡萄孢和8個轉(zhuǎn)化子的基因組DNA進(jìn)行HindⅢ單酶切,酶切完成后進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳分析;以hph基因的特異擴(kuò)增片段為模板,探針標(biāo)記與檢測方法具體試驗(yàn)步驟參照地高辛標(biāo)記檢測試劑盒(羅氏)說明書進(jìn)行。
使用Microsoft Excel 2010及SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析。
不同濃度潮霉素B對灰葡萄孢抑制作用測定結(jié)果如圖1所示,接種灰葡萄孢3 d后,與對照相比,5、10、25μg/mL潮霉素B可對灰葡萄孢菌絲生長產(chǎn)生不同程度的抑制作用,但仍可以生長;當(dāng)潮霉素B濃度達(dá)到50μg/mL時,則可以完全抑制灰葡萄孢菌絲的生長。因此,本試驗(yàn)選擇50 μg/mL潮霉素B作為轉(zhuǎn)化子的篩選濃度。
圖1 灰霉病菌在含有不同濃度潮霉素B的PDA培養(yǎng)基上生長情況
不同濃度頭孢噻肟鈉對農(nóng)桿菌抑制作用如圖2所示,農(nóng)桿菌涂布后培養(yǎng)3 d,對照組農(nóng)桿菌遍布整個平板,隨著頭胞噻肟鈉濃度的不斷提高,存活農(nóng)桿菌菌落數(shù)不斷減少,抑制效果不斷增強(qiáng);當(dāng)濃度增至300μg/mL時,可完全抑制其生長。因此,本試驗(yàn)選擇300μg/mL頭孢噻肟鈉作為轉(zhuǎn)化子的篩選濃度。
圖2 農(nóng)桿菌在含有不同濃度頭孢噻肟鈉的PDA平板上生長情況
由圖3可知,隨分生孢子濃度的增加,每培養(yǎng)皿得到的轉(zhuǎn)化子數(shù)量不斷增加。分生孢子濃度為1×102、1×103、1×104、1×105、1×106個/mL每培養(yǎng)皿分別平均得到3、9、14、31個和67個轉(zhuǎn)化子。基于試驗(yàn)操作和轉(zhuǎn)化子特異性綜合考慮,分生孢子濃度1×105個/mL為最適轉(zhuǎn)化濃度。
圖3 不同分生孢子濃度對轉(zhuǎn)化效率的影響
當(dāng)不添加AS時,每個培養(yǎng)皿平均僅得到2個轉(zhuǎn)化子;隨著AS濃度不斷提高,轉(zhuǎn)化子數(shù)量不斷增加,濃度為200μmol/mL時每個培養(yǎng)皿平均可得到33個轉(zhuǎn)化子;之后,隨著AS濃度不斷增加轉(zhuǎn)化子數(shù)量不斷減少(圖4)。因此,AS濃度200μmol/mL為最佳轉(zhuǎn)化濃度。
圖4 不同乙酰丁香酮濃度對農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化效率的影響
當(dāng)共培養(yǎng)溫度為15℃時,每培養(yǎng)皿平均可得到7個轉(zhuǎn)化子;隨著共培養(yǎng)溫度不斷升高轉(zhuǎn)化子數(shù)量呈先增加后減少的趨勢,25℃時轉(zhuǎn)化效率最高,每培養(yǎng)皿平均可得到32個轉(zhuǎn)化子,當(dāng)共培養(yǎng)溫度達(dá)到35℃時,每培養(yǎng)皿平均轉(zhuǎn)化子數(shù)量下降到11個(圖5)。因此,25℃為最佳共培養(yǎng)溫度。
圖5 共培養(yǎng)溫度對轉(zhuǎn)化效率的影響
當(dāng)共培養(yǎng)時間為24、48、72、96、120 h時,每皿分別平均可得到18、33、34、26個和22個轉(zhuǎn)化子;其中,共培養(yǎng)時間為48 h和72 h時轉(zhuǎn)化效率相當(dāng),且無顯著差異(圖6)。共培養(yǎng)時間越長轉(zhuǎn)化子有多拷貝插入的比例越高,因此,48 h為最適共培養(yǎng)時間。
圖6 共培養(yǎng)時間對轉(zhuǎn)化效率的影響
隨機(jī)選取8個轉(zhuǎn)化子進(jìn)行遺傳穩(wěn)定性檢測,結(jié)果顯示,在含有50μg/mL潮霉素B的PDA培養(yǎng)基平板上所有轉(zhuǎn)化子均可正常生長。潮霉素磷酸轉(zhuǎn)移酶基因特異片段擴(kuò)增結(jié)果如圖7a所示,灰葡萄孢野生型中無條帶,8個轉(zhuǎn)化子中均可擴(kuò)增到特異性條帶,且大小與對照相同。表明,TDNA片段已經(jīng)整合到灰葡萄孢基因組中,并且可以穩(wěn)定遺傳。
轉(zhuǎn)化子Southern blot檢測結(jié)果如圖7b所示,灰葡萄孢野生型中無任何條帶,8個轉(zhuǎn)化子均可得到特異性條帶,其中6個轉(zhuǎn)化子為單拷貝插入,2個轉(zhuǎn)化子為雙拷貝插入,單拷貝插入比例可達(dá)到75%。表明hph基因已經(jīng)整合到灰葡萄孢基因組中,且多以單拷貝形式插入。
圖7 轉(zhuǎn)化子PCR檢測及Southern blot分析
遺傳轉(zhuǎn)化是研究真菌基因功能的重要技術(shù)手段,常用的遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)包括PEG介導(dǎo)的原生質(zhì)體遺傳轉(zhuǎn)化、限制酶介導(dǎo)的原生質(zhì)體遺傳轉(zhuǎn)化等[17-19]。ATMT技術(shù)因其無需制備原生質(zhì)體、單拷貝插入率高、操作流程簡單、轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點(diǎn),在多種真菌遺傳轉(zhuǎn)化研究中得到了較好的應(yīng)用[20,21]。但不同真菌間、甚至同一真菌不同種間的遺傳轉(zhuǎn)化條件存在較大差異,主要受共培養(yǎng)培養(yǎng)基中AS濃度、共培養(yǎng)液中分生孢子濃度、共培養(yǎng)溫度以及共培養(yǎng)時間等因素影響。本研究建立了葡萄灰葡萄孢ATMT體系,為開展其基因功能研究奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
分生孢子濃度與轉(zhuǎn)化效率大致呈正相關(guān)趨勢,這主要是因?yàn)榉稚咦訚舛鹊奶岣咴黾恿宿r(nóng)桿菌侵染的概率,從而提高了轉(zhuǎn)化效率。由于一個培養(yǎng)皿中轉(zhuǎn)化子過多會造成菌落相互覆蓋,不利于后期轉(zhuǎn)化子的分離純化,因此分生孢子應(yīng)選擇適宜濃度。AS對Ti質(zhì)粒上vir基因的活化起重要作用,因此在共培養(yǎng)培養(yǎng)基中需加入適當(dāng)濃度的AS以提高轉(zhuǎn)化效率。本研究中AS最佳濃度為200μmol/mL,之后隨著濃度繼續(xù)提高,轉(zhuǎn)化效率逐漸下降。推測這可能是因?yàn)檫^高濃度的AS對轉(zhuǎn)化子產(chǎn)生了毒害作用,抑或是抑制了Ti質(zhì)粒上的vir基因的表達(dá),從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)化效率下降。
共培養(yǎng)溫度對轉(zhuǎn)化效率的影響呈正態(tài)分布趨勢,最佳共培養(yǎng)溫度為25℃,過低或者過高均會導(dǎo)致轉(zhuǎn)化效率下降。推測這可能是因?yàn)榛移咸焰叻稚咦泳哂凶约鹤钸m的生長溫度;同時,Ti質(zhì)粒上vir基因的表達(dá)也較易受到溫度的影響。本研究中最適共培養(yǎng)時間為48 h,共培養(yǎng)時間過短會導(dǎo)致農(nóng)桿菌未能完成侵染,從而造成轉(zhuǎn)化效率不高;共培養(yǎng)時間過長,也會導(dǎo)致轉(zhuǎn)化效率下降。這或許是因?yàn)楣才囵B(yǎng)時間過長導(dǎo)致轉(zhuǎn)化子生活力衰弱,從而影響轉(zhuǎn)化效率。此外,共培養(yǎng)時間過長還易導(dǎo)致轉(zhuǎn)化子中多拷貝插入的現(xiàn)象,為后續(xù)開展基因功能研究帶來不便[22]。