棉花黄萎病菌糖转运蛋白基因Vdght2敲除突变体构建及功能初步分析

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棉花黄萎病是一种对棉花产量和纤维质量造成极大危害的维管束系统性病害,主要致病菌为大丽轮枝菌(Verticillium dahliae),该病原真菌不同菌系以及不同生理小种之间的致病力差异很大,造成黄萎病的防治很难取得突破性的进展。糖分是病原体从寄主获取碳和能量以供生长和繁殖最主要的物质来源,植物病原菌侵染后植物糖外排能力增强,糖水平的升高会导致植物细胞局部渗透压的增高,影响植物的正常生长,而前期转录组研究发现大丽轮枝菌对糖的耐受力与其致病力呈正比。因此,通过分子生物学技术筛选影响大丽轮枝菌致病力相关的基因,为大丽轮枝菌致病机理及相关基因的研究奠定基础,为将来制定棉花黄萎病的有效防治措施具有重要意义。大丽轮枝菌糖转运能力可能与其致病力具有相关性,本研究将探索相关糖转运蛋白基因对大丽轮枝菌浸染力的生物学功能的影响,为大丽轮枝菌的侵染机制提供新的思路。前期研究已从新疆石河子棉田分离得到了高、中、低三种不同致病力的大丽轮枝菌菌系VDSHZ-9、VDSHZ-5、VDSHZ-4,本研究利用六种碳源的诱导培养,并通过转录组数据基因表达量差异分析及基本功能预测,筛选出可能与致病力相关的高亲和力葡萄糖蛋白转运基因Vdght2。为了研究Vdght2基因在大丽轮枝菌致病过程中的作用,利用基因敲除技术构建了基因敲除表达载体,并成功获得Δ4-Vdght2和Δ9-Vdght2突变菌株,通过观察突变菌株的培养表型,分析Vdght2的基因功能。本研究获得的实验结果及具体结论如下:(1)根据6种不同浓度单一碳源中培养的大丽轮枝菌VDSHZ-4、5、9表型观察和生长速率分析,大丽轮枝菌在碳源浓度为5%时对碳源的利用率最大,其中最适于大丽轮枝菌生长的碳源是蔗糖和葡萄糖。说明在病原菌通过调节糖转运相关蛋白的转录水平,改变植物感病部位的糖向外转运时,其中起主要作用的糖很可能是葡萄糖。(2)转录组数据分析VDSHZ-4与VDSHZ-9菌株的差异表达基因,从上调基因中选取四个可能的致病相关糖转运基因,进行六种碳源诱导后转录水平的q RT-PCR检测,结果显示,葡萄糖作为碳源时四个基因的表达量最高;VDSHZ-4与VDSHZ-9中差异表达的基因Vdght2在四个基因中表达量最高,并且与多种致病菌中的ght糖转运蛋白氨基酸序列含有较高的同源性。(3)通过融合PCR和巢式PCR技术直接连接目的基因融合片段,并使用Gateway技术将其整合到含有致死基因的载体p GKO2-Gateway上,利用ATMT方法将重组质粒转化大丽轮枝菌,采用反向筛选技术筛选后鉴定,最终得到两株Vdght2基因敲除突变菌株Δ4-Vdght2和Δ9-Vdght2。(4)对野生型菌株VDSHZ-4及VDSHZ-9和基因敲除突变菌株Δ4-Vdght2及Δ9-Vdght2在生长表型方面进行比较分析,结果显示,四株大丽轮枝菌的菌落直径生长速度相似,但突变体Δ4-Vdght2和Δ9-Vdght2的菌丝含量、产孢量显著减少,而菌丝和孢子的形成在大丽轮枝菌的致病过程具有重要作用,能够直接影响其致病力。(5)通过野生型菌株VDSHZ-4和VDSHZ-9及基因敲除突变菌株Δ4-Vdght2和Δ9-Vdght2在不同碳源培养基中的生物学性状观测显示,Δ4-Vdght2与其野生型菌株VDSHZ-4的生长速率十分相似,推测主要原因为VDSHZ-4回补能力较强;但Vdght2基因的敲除影响了VDSHZ-9对各个碳源的利用率,尤其是蔗糖,由此可以得知Vdght2基因参与了调控大丽轮枝菌对碳源利用的调控。上述结果初步表明,Vdght2基因主要影响大丽轮枝菌气生菌丝及分生孢子的形成,会影响大丽轮枝菌的致病力,该基因参与调控糖转运过程,Vdght2基因可能参与棉花黄萎病菌大丽轮枝菌与植物互作过程中的营养争夺,增强自身的侵染能力,提升大丽轮枝菌的致病力。后续将开展大丽轮枝菌糖转运蛋白与棉花互作中,诱导棉花自身免疫力的研究。
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