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        灰葡萄孢致病基因BcPDR1與Gα亞基基因的關(guān)系研究

        2022-11-21 12:09:42魏雅迪曹麗萍劉英姿劉曉穎曹宏哲邢繼紅董金皋
        關(guān)鍵詞:亞基分生孢子突變體

        魏雅迪,曹麗萍,劉英姿,劉曉穎,曹宏哲,張 康,邢繼紅,董金皋

        (1. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 真菌毒素與植物分子病理學(xué)實(shí)驗(yàn)室/河北省植物生理與分子病理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 保定 071000;2. 黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 齊齊哈爾分院,黑龍江 齊齊哈爾 161000;3. 河北省承德市園林管理中心,河北 承德 067000)

        灰葡萄孢(Botrytis cinerea)是一種引起植物灰霉病的重要病原真菌,它可以侵染蔬菜、水果等上千種寄主植物[1]?;移咸焰咭殉蔀檠芯恐参锊≡婢哪J讲≡?,其生長(zhǎng)發(fā)育和致病相關(guān)基因的功能與機(jī)制研究,不僅為深入研究灰葡萄孢生長(zhǎng)發(fā)育和致病力的分子機(jī)理奠定基礎(chǔ),也為其他植物病原真菌的相關(guān)研究提供重要參考[2]。

        異三聚體G 蛋白是普遍存在于真核生物中,參與多種重要的生理過程[3]。絲狀真菌G 蛋白于1993 年首次報(bào)道,已明確其在生長(zhǎng)、無(wú)性和有性發(fā)育中是必不可少的[4];其中,G 蛋白α 亞基參與了營(yíng)養(yǎng)感知、信息素反應(yīng)以及致病等過程的調(diào)控[5]。Gα亞基在稻瘟病菌(Magnaporthe grusea)的生長(zhǎng)、繁殖以及致病過程中都具有重要的作用[6]。灰葡萄孢Gα亞基位于cAMP 信號(hào)通路上游,參與病菌的菌絲生長(zhǎng)、分生孢子發(fā)育、分生孢子萌發(fā)以及致病過程[7]。Gα亞基基因BcBCG1調(diào)控病菌的菌落形態(tài)和侵染能力,BcBCG2、BcBCG3基因的突變體可以對(duì)寄主進(jìn)行侵染,但是與野生型相比侵染速度緩慢[8-9],且BcBCG3基因的突變體分生孢子的發(fā)育和分生孢子萌發(fā)均具有特異性缺陷[6]。本實(shí)驗(yàn)室前期研究利用RNAi 技術(shù)獲得了灰葡萄孢BcBCG2和BcBCG3基因的RNAi 沉默突變體,通過對(duì)突變體的表型和致病力進(jìn)行分析,明確了BcBCG2和BcBCG3正調(diào)控病菌的菌絲生長(zhǎng)、分生孢子的產(chǎn)量、致病力和穿透能力[10]。

        灰葡萄孢BcPDR1基因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)室前期研究獲得,利用基因敲除和互補(bǔ)回復(fù)技術(shù)明確了BcPDR1基因正調(diào)控病菌的菌絲生長(zhǎng)、分生孢子和菌核的發(fā)育、菌絲侵染結(jié)構(gòu)的形成以及致病力[11-12]。本研究利用qRT-PCR 技術(shù)分析BcPDR1基因突變對(duì)BcBCG2、BcBCG3基因表達(dá)的影響,以及BcBCG2、BcBCG3基因突變對(duì)BcPDR1基因表達(dá)的影響,確定BcPDR1基因與Gα 亞基基因之間的調(diào)控關(guān)系;在BcPDR1基因敲除突變體ΔBcpdr1的背景下,構(gòu)建Gα 亞基基因中過表達(dá)菌株ΔBcpdr1/BcBcBCG2-OE 和ΔBcpdr1/BcBCG3-OE, 通 過 分析過表達(dá)菌株的表型和致病力,明確BcPDR1基因與BcBCG2、BcBCG3基因之間的關(guān)系,從而確定BcPDR1基因與病菌cAMP 信號(hào)通路之間的關(guān)系,為闡明灰葡萄孢BcPDR1基因調(diào)控病菌生長(zhǎng)發(fā)育和致病力的分子機(jī)制提供依據(jù)。

        1 材料和方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        灰葡萄孢野生型菌株BC22、BcPDR1基因的T-DNA 插入突變體BCt89、敲除突變體ΔBcpdr1和 回 復(fù) 菌 株CE[13],BcBCG2、BcBCG3基 因 的RNAi 菌株,均由河北省植物生理與分子病理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北農(nóng)業(yè)大學(xué)真菌毒素與植物分子病理學(xué)實(shí)驗(yàn)室保存及提供。

        1.2 qRT-PCR 分析

        利用qRT-PCR 技術(shù),分析灰葡萄孢野生型菌株BC22,BcPDR1基因的缺失突變體BCt89和ΔBcpdr1和互補(bǔ)回復(fù)菌株CE 中的BcBCG2、BcBCG3基因的表達(dá)水平以及BcBCG2、BcBCG3基因的RNAi 沉默突變體中BcPDR1基因的表達(dá)水平。以灰葡萄孢Tubulin基因?yàn)閮?nèi)參基因,用BcBCG2、BcBCG3和BcPDR1基因的特異性引物(見表1),以各菌株的cDNA 為模板,進(jìn)行qRT-PCR 分析。

        表1 qRT-PCR 引物設(shè)計(jì)Table 1 Primers for qRT-PCR

        1.3 Gα 亞基基因過表達(dá)菌株的構(gòu)建

        1.3.1 Gα亞基基因過表達(dá)載體的構(gòu)建 用BcBCG2、

        BcBCG3基因的特異性引物和灰葡萄孢野生型BC22菌株的cDNA 為模板,PCR 擴(kuò)增BcBCG2、BcBCG3基因的編碼區(qū)序列,電泳分離、純化后進(jìn)行克隆、測(cè)序。將測(cè)序正確的BcBCG2、BcBCG3基因序列與基因過表達(dá)終載體pEarly gate 103 連接,菌落PCR 和測(cè)序鑒定后,獲得BcBCG2、BcBCG3基因的過表達(dá)載體pEarly gate 103-BcBCG2、pEarly gate 103-BcBCG3。

        1.3.2 Gα 亞基基因過表達(dá)轉(zhuǎn)化子的獲得與鑒定 利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)的轉(zhuǎn)化方法[14],將pEarly gate 103-BcBCG2、pEarly gate 103-BcBCG3分 別 轉(zhuǎn)化BcPDR1基因敲除突變體ΔBcpdr1中,獲得轉(zhuǎn)化子后在含有抗性的培養(yǎng)基中進(jìn)行多次篩選,然后利用PCR 和qRT-PCR 技術(shù)分別從DNA 水平和轉(zhuǎn)錄水平對(duì)轉(zhuǎn)化子進(jìn)行鑒定。

        1.4 Gα 亞基基因過表達(dá)菌株的表型分析

        將灰葡萄孢野生型BC22 和突變體ΔBcpdr1、ΔBcpdr1/BcBCG2-OE、ΔBcpdr1/BcBCG3-OE 分 別接種在PDA 培養(yǎng)基上,20 ℃黑暗條件下培養(yǎng)7 d,對(duì)其菌落形態(tài)、菌核產(chǎn)生等表型進(jìn)行觀察;同時(shí),收集各菌株的分生孢子,用血球計(jì)數(shù)板統(tǒng)計(jì)各菌株的分生孢子數(shù)量;制備各菌株的菌絲懸浮液,顯微鏡下觀察其菌絲形態(tài);分別將各菌株的菌盤(Φ=8.0 mm)接種在新的PDA 培養(yǎng)基上,20 ℃黑暗培養(yǎng),每天定時(shí)測(cè)定各菌株的菌落直徑,進(jìn)而分析菌株的生長(zhǎng)速率[15]

        1.5 Gα 亞基基因過表達(dá)菌株的致病力分析

        將灰葡萄孢野生型BC22 和突變體ΔBcpdr1、ΔBcpdr1/BcBCG2-OE、ΔBcpdr1/BcBCG3-OE 定量(菌盤Φ=8.0 mm)接種到離體的番茄果實(shí)上,檢測(cè)各菌株的致病力,測(cè)量其病斑面積。

        2 結(jié)果與分析

        2.1BcPDR1基因?qū)α 亞基基因表達(dá)的影響

        利用qRT-PCR 技術(shù),分析BcPDR1基因突變體Gα亞基基因BcBCG2、BcBCG3的表達(dá)情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn),BcPDR1基因缺失突變體BCt89 和ΔBcpdr1中BcBCG2、BcBCG3基因的表達(dá)水平顯著高于野生菌株BC22 和回復(fù)菌株CE(見圖1)。表明BcPDR1基因缺失影響了BcBCG2、BcBCG3基因的表達(dá),也說明BcPDR1基因負(fù)調(diào)控BcBCG2、BcBCG3基因的表達(dá)。

        圖1BcPDR1基因突變體中BcBCG2和BcBCG3基因的表達(dá)分析Fig.1 Expression levels ofBcBCG2andBcBCG3inBcPDR1mutants

        2.2 Gα 亞基基因?qū)cPDR1基因表達(dá)的影響

        利用qRT-PCR 技術(shù),分析Gα亞基基因BcBCG2、BcBCG3的突變對(duì)BcPDR1基因表達(dá)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),BcBCG2、BcBCG3的RNAi 沉默突變體中BcPDR1基因的表達(dá)水平顯著低于野生型菌株BC22(圖2)。表明BcBCG2、BcBCG3基因突變影響了BcPDR1基因的表達(dá),也說明BcBCG2、BcBCG3基因正調(diào)控BcPDR1基因的表達(dá)。

        圖2BcBCG2和BcBCG3基因突變體中BcPDR1基因的表達(dá)分析Fig. 2 Expression levels of theBcPDR1in RNAi mutants ofBcBCG2andBcBCG3genes

        2.3BcBCG2、BcBCG3過表達(dá)菌株的構(gòu)建

        利用Gateway 技術(shù),成功構(gòu)建了BcBCG2和BCBCG3基因的過表達(dá)載體。利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)的遺傳轉(zhuǎn)化方法,將目的基因表達(dá)載體轉(zhuǎn)入到突變體ΔBcpdr1中,通過抗性篩選獲得轉(zhuǎn)化子,在對(duì)轉(zhuǎn)化子進(jìn)行PCR 驗(yàn)證后進(jìn)行qRT-PCR 分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),BcBCG2、BcBCG3基因的轉(zhuǎn)化子中BcBCG2和BcBCG3基因的表達(dá)水平顯著高于突變體ΔBcpdr1(圖3)。表明了BcBCG2和BCBCG3基因的過表達(dá)菌株ΔBcpdr1/BcBCG2-OE、ΔBcpdr1/BCBCG3-OE 構(gòu)建成功。

        圖3BcBCG2和BcBCG3過表達(dá)菌株的基因表達(dá)分析Fig.3 Gene expression analysis inBcBCG2andBcBCG3overexpressing strains

        2.4BcBCG2、BcBCG3過表達(dá)菌株的表型分析

        對(duì)ΔBcpdr1/BcBCG2-OE、ΔBcpdr1/BCBCG3-OE 菌株的菌落形態(tài)、菌絲形態(tài)進(jìn)行觀察(見圖4),發(fā)現(xiàn)過表達(dá)菌株ΔBcpdr1/BcBCG2-OE、ΔBcpdr1/BCBCG3-OE 的菌落灰褐色,產(chǎn)生大量菌核,菌絲灰黑色、分隔明顯,與野生型BC22 的表型非常一致,而顯著區(qū)別于BcPDR1基因的敲除突變體ΔBcpdr1。對(duì)過表達(dá)菌株的菌絲生長(zhǎng)速率和分生孢子產(chǎn)量進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)ΔBcpdr1/BcBCG2-OE、ΔBcpdr1/BCBCG3-OE 菌株的生長(zhǎng)速率和分生孢子數(shù)量均與野生型較為接近,其生長(zhǎng)速率與野生型沒有明顯差別,其產(chǎn)孢量略低于野生型;過表達(dá)菌株的生長(zhǎng)速率和分生孢子數(shù)量均顯著區(qū)別于突變體ΔBcpdr1。表明BcBCG2、BcBCG3基因的過表達(dá)使突變體ΔBcpdr1的表型得到了恢復(fù),也說明BcPDR1基因與BcBCG2、BcBCG3基因之間密切相關(guān)。

        圖4BcBCG2和BcBCG3過表達(dá)菌株的表型分析Fig. 4 Phenotypic analysis of over-expression isolates ofBcBCG2andBcBCG3

        2.5BcBCG2、BcBCG3過表達(dá)菌株的致病力分析

        以灰葡萄孢野生型BC22菌株和BcPDR1基因的敲除突變體ΔBcpdr1為對(duì)照,對(duì)ΔBcpdr1/BcBCG2-OE、ΔBcpdr1/BcBCG3-OE 菌 株 的 致 病力進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)接種野生型BC22 和過表達(dá)菌株的部位均能產(chǎn)生明顯的病斑,且接種過表達(dá)菌株的病斑面積與野生型基本一致,而接種突變體ΔBcpdr1的部位并未產(chǎn)生明顯的病斑(圖5)。表明BcBCG2、BCBCG3基因的過表達(dá)均能使突變體ΔBcpdr1的致病力得到了恢復(fù),進(jìn)一步說明了BcPDR1基因與BcBCG2、BcBCG3基因之間密切相關(guān)。

        圖5BcBCG2和BcBCG3過表達(dá)菌株的致病力Fig. 5 Pathogenicity analysis of over-expression isolates ofBcBCG2andBcBCG3

        3 結(jié)論與討論

        灰葡萄孢cAMP 信號(hào)途徑在病菌的生長(zhǎng)、發(fā)育和致病過程中起著重要作用。異源三聚體G-蛋白Gα 亞基由BcBCG1[7]、BcBCG2[16]、BcBCG3[17]基因編碼,位于灰葡萄孢cAMP 信號(hào)途徑上游,參與調(diào)控病菌的形態(tài)建成、分生孢子萌發(fā)和侵入生長(zhǎng)[18]。其中,BcBCG1基因的缺失突變體ΔBcBCG1不能產(chǎn)生2 次擴(kuò)展病斑,外源cAMP 的添加可以使ΔBcBCG1突變體的菌落形態(tài)恢復(fù)到野生型;BcBCG2、BcBCG3基因的缺失突變體ΔBcBCG2、ΔBcBCG3可以侵染寄主并能繼續(xù)擴(kuò)展,但是擴(kuò)展速度較野生型緩慢[8-9]。ΔBcBCG3可以使分生孢子萌發(fā)受損并引起延遲發(fā)病。實(shí)驗(yàn)前期研究明確了灰葡萄孢BcPDR1參與病菌的生長(zhǎng)、發(fā)育和致病力的調(diào)控[18],但是灰葡萄孢BcPDR1與cAMP信號(hào)途徑之間的關(guān)系并未明確[20]。因此,本研究首先利用qRT-PCR 技術(shù),分析了BcPDR1突變體中BcBCG2、BcBCG3基因表達(dá)水平和BcBCG2和BcBCG3突變體中BcPDR1基因表達(dá)水平,結(jié)果確定了BcPDR1基因負(fù)調(diào)控BcBCG2、BcBCG3基因的表達(dá),BcBCG2、BcBCG3基因正調(diào)控BcPDR1的表達(dá),表明了BcPDR1基因與病菌的cAMP 信號(hào)途徑密切相關(guān)。為進(jìn)一步明確BcPDR1基因與BcBCG2和BcBCG3基因之間的關(guān)系,試驗(yàn)成功構(gòu)建了BcBCG2和BCBCG3基因的過表達(dá)菌株ΔBcpdr1/BcBCG2-OE、ΔBcpdr1/BcBCG3-OE,然后對(duì)過表達(dá)菌株進(jìn)行表型和致病力分析,確定了BcBCG2和BcBCG3基因的過表達(dá)能夠使BcPDR1基因的敲除突變體ΔBcpdr1的表型和致病力得到恢復(fù),表明了BcPDR1基因與BcBCG2和BcBCG3基因之間密切相關(guān),同時(shí)說明了BcPDR1基因與病菌cAMP 信號(hào)途徑之間具有相關(guān)性。但是BcPDR1基因與病菌cAMP 信號(hào)途徑之間的調(diào)控關(guān)系及機(jī)制尚需深入研究,為闡明灰葡萄孢生長(zhǎng)發(fā)育和致病力調(diào)控的分子機(jī)理奠定基礎(chǔ)。

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