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      橡膠樹膠孢炭疽菌細(xì)胞自噬相關(guān)基因CgAtg4的克隆與序列分析

      2014-08-08 09:58:42翟李剛林春花蔡志英時濤黃貴修
      湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2014年9期
      關(guān)鍵詞:橡膠樹

      翟李剛+林春花+蔡志英+時濤+黃貴修

      摘要:細(xì)胞自噬(Autophagy)有助于植物病原真菌渡過營養(yǎng)饑餓、供氧不足等不良環(huán)境,有研究發(fā)現(xiàn)其與植物病原真菌的致病性相關(guān)。利用橡膠膠孢炭疽菌HBCg01全基因組數(shù)據(jù)庫,采用PCR和RT-PCR克隆細(xì)胞自噬相關(guān)基因CgAtg4(Genebank登錄號:KC735125),并對其序列進(jìn)行分析,研究細(xì)胞自噬在膠孢炭疽菌侵染橡膠樹過程中的作用。結(jié)果表明,CgAtg4的開放閱讀框(ORF)為960 nt,編碼319個aa序列,預(yù)測含有一個由213個aa組成的高度保守的Peptidase_C54蛋白酶結(jié)構(gòu)域,與另外19種真菌的Atg4氨基酸序列同源性為38%~87%。推測CgAtg4可能與橡膠樹膠孢炭疽病菌的產(chǎn)孢能力、分生孢子萌發(fā)以及附著胞膨壓的形成相關(guān)。

      關(guān)鍵詞:橡膠樹;膠孢炭疽菌;自噬相關(guān)基因;CgAtg4

      中圖分類號:S432.4+4;Q75文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:0439-8114(2014)09-2189-03

      Cloning and Sequence Analysis of Autophagy Related Gene CgAtg4 from

      Colletotrichum gloeosporioides of Rubber Tree

      ZHAI Li-gang1,2,LIN Chun-hua1,CAI Zhi-ying1,SHI Tao1,HUANG Gui-xiu1

      (1.Environment and Plant Protection Institute, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences/Key Laboratory of Integrated Pest Management on Tropical Crops, Ministry of Agriculture/Hainan Key Laboratory for Monitoring and Control of Tropical Agricultural Pests,Haikou 571101, China;2.College of Plant Science and Technology, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070,China)

      Abstract: Autophagy can help plant pathogenic fungi survive in nutrition hunger, oxygen hunger and other adverse environment. and It is found to be related with the pathogenicity in some researches. In order to explore the molecular autophagy mechanism of rubber tree Colletotrichum gloeosporioides, the autophagy related gene CgAtg4(Genebank number:KC735125) was cloned by PCR and RT-PCR methods, and the sequence was analysed based on the database of rubber tree Colletotrichum gloeosporioides HBCg01 genome. The results showed that the CgAtg4 open reading frame(ORF) was 960 nt, coding 319 amino acid residue with a highly conserved protease domain of Peptidase_C54 with 213 aa. The amino acid sequence homology of CgAtg4 with other Atg4 genes from 19 kinds of fungals was 38% to 87%. It is predictal that CgAtg4 gene is involved in the process of sporulation, conidiophore germation and formation of appressorium turgor pressure of rubber tree Colletotrichum gloeosporioides.

      Key words: rubber tree; Colletotrichum gloeosporioides; autophagy related gene; CgAtg4

      細(xì)胞自噬(Autophagy)是真核生物中廣泛存在的作用機(jī)制,且在進(jìn)化上十分保守,它是真核生物中對細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)和細(xì)胞器進(jìn)行周轉(zhuǎn)的重要過程,該過程中一些損壞的蛋白質(zhì)或細(xì)胞器被雙層膜結(jié)構(gòu)的自噬小泡包裹后,送入溶酶體或液泡中進(jìn)行降解并得以循環(huán)利用。自噬過程中最為重要的兩個環(huán)節(jié)是自噬過程的誘導(dǎo)和自噬體的形成,參與此過程的至少有17個Atg(Autophagy associated,細(xì)胞自噬相關(guān))蛋白,被分為5個功能組[1]:Ⅰ.Atg1激酶功能組(Atg1 protein kinase complex);Ⅱ.Atg9膜蛋白循環(huán)系統(tǒng)(Atg9 membrane protein recycling system);Ⅲ.Atg8-磷脂酰乙醇胺(PE)功能組(Atg8 lipid conjugation system);Ⅳ.Atg12-Atg5復(fù)合體功能組(Atg12-Atg5 protein conjugation system);Ⅴ.磷脂酰肌醇轉(zhuǎn)移蛋白3(PtdIns3)-激酶復(fù)合體(phosphatidylinositol-3 kinase complex)。Atg4基因?qū)儆冢粒簦纾福字R掖及罚ǎ校牛┕δ芙M,該基因能切割Atg8羧基端的精氨酸,暴露出甘氨酸[2],并在Atg7和Atg3的共同調(diào)節(jié)作用下形成Atg8蛋白與磷脂酰乙醇胺復(fù)合物(Atg8-PE),從而促進(jìn)自噬體前體膜的聚集和融合[3],進(jìn)一步形成自噬體。

      炭疽菌(Colletotrichum spp.)是一類常見且最重要的植物病原真菌之一,引起各種農(nóng)作物炭疽病,造成重大的經(jīng)濟(jì)損失[4]。炭疽病已成為研究植物病原真菌生長發(fā)育、侵染過程及植物與病原菌互作機(jī)制的典型材料。由膠孢炭疽菌[Colletotrichum gloeosporioides (Penzig) Penzig et Saccardo]侵染引起的橡膠樹炭疽?。郏担菔窍鹉z樹重要葉部病害之一。該病可危害橡膠小苗、大田幼樹直至成齡開割樹,侵染葉片、葉柄和果實,嚴(yán)重時會引起橡膠樹的重復(fù)落葉和嫩梢回枯,推遲開割時間[6]。至今,未見炭疽菌細(xì)胞自噬相關(guān)基因的報道。本研究在橡膠樹膠孢炭疽菌全基因組測序的基礎(chǔ)上,以細(xì)胞自噬基因家族中與自噬體形成相關(guān)的Atg4基因為研究對象,對其進(jìn)行基因克隆和序列分析,為后續(xù)的基因功能鑒定提供參考。

      endprint

      1材料與方法

      1.1供試材料

      供試橡膠樹膠孢炭疽病菌菌株HBCg01,由中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與植物保護(hù)研究所分離自海南省儋州市發(fā)病橡膠樹葉片。橡膠樹品種熱研7-33-97,由中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所提供。

      1.2試劑

      HBCg01病菌培養(yǎng)采用PDA培養(yǎng)基,參照方中達(dá)[6]的方法制備。試劑:DNA片段膠回收試劑盒、pMD18-T載體、RNA PCR Kit購自寶生物工程(大連)有限公司;Taq酶和dNTP購自天根生化科技(北京)有限公司;大腸桿菌T1感受態(tài)細(xì)胞和RNA提取試劑盒TransZol Plant購自北京全式金生物技術(shù)有限公司;引物由北京六合華大基因科技股份有限公司合成;其他試劑均為國產(chǎn)分析純。

      1.3方法

      1.3.1引物設(shè)計在NCBI(http://www.ncbi.nlm.nih.gov)數(shù)據(jù)庫中搜索近源物種的Atg4基因序列,在HBCg01全基因組數(shù)據(jù)庫中分別進(jìn)行本地Blast檢索,獲得HBCg01中的同源基因,根據(jù)5′端和3′端序列設(shè)計1對引物ATG4-F和ATG4-R。

      1.3.2HBCg01基因組DNA、RNA提取和cDNA的合成菌株在PDA平板上28 ℃培養(yǎng)7 d后,收集菌絲。采用CTAB法[7]提取基因組DNA。采用TransZol Plant和RNA PCR Kit試劑盒,參照說明書中相關(guān)步驟進(jìn)行RNA提取,去除基因組DNA和RNA的反轉(zhuǎn)錄。

      1.3.3Atg4基因的PCR擴(kuò)增、克隆與序列分析 以HBCg01基因組DNA和cDNA為模板,用引物對ATG4-F和ATG4-R進(jìn)行PCR擴(kuò)增,反應(yīng)體系為:10×buffer 5 μL,dNTPs(2.5 mmol/L)4 μL,MgCl2 3 μL,10 μmol/L上下游引物各2 μL,Taq DNA酶(5 U/μL)0.5 μL,模板DNA/cDNA 2 μL,加水補足至50 μL。反應(yīng)條件為:94 ℃預(yù)變性5 min,94 ℃變性45 s,60 ℃退火45 s,72 ℃延伸1 min,35個循環(huán),72 ℃延伸10 min。擴(kuò)增產(chǎn)物用質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測,并回收目的片段。

      擴(kuò)增產(chǎn)物回收后克隆到pMD18-T載體上。經(jīng)藍(lán)白斑篩選后,采用堿裂解法[8]提取轉(zhuǎn)化子的質(zhì)粒DNA,經(jīng)EcoRⅠ和HindⅢ雙酶切鑒定、菌落PCR鑒定后,隨機(jī)挑選3個陽性克隆送北京六合華大基因科技股份有限公司進(jìn)行序列測定,確認(rèn)序列后在http://www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST上進(jìn)行比較分析,并預(yù)測相應(yīng)蛋白質(zhì)的保守結(jié)構(gòu)域。采用DNAMAN軟件將測序的核酸序列翻譯成氨基酸序列,并在NCBI上對其進(jìn)行Blastp檢索,下載其他近源真菌的同源氨基酸序列,用MEGA Version 4.0軟件中的NJ(Neighbor-Joining)方法生成系統(tǒng)樹,用Bootstrap對系統(tǒng)樹進(jìn)行檢驗,1 000次重復(fù)。

      2結(jié)果與分析

      2.1引物的設(shè)計

      利用稻瘟菌(Magnaporthe oryzae)Atg4基因(ACJ06587.1)的aa序列和菌株HBCg01的基因組數(shù)據(jù)庫進(jìn)行本地Blast,結(jié)果表明該菌株中有一個預(yù)測的同源基因,分析其大小約1.1 kb,命名為CgAtg4。根據(jù)該基因的5′端和3′端序列設(shè)計了1對引物ATG4-F(5′-ATGGCTGCTGTGGATC-3′)、ATG4-R(5′-GGTAGAACAGGAAGGAACCT3-′)。

      2.2橡膠樹膠孢炭疽菌CgAtg4基因的克隆

      利用引物ATG4-F和ATG4-R對HBCg01的基因組DNA和cDNA進(jìn)行PCR擴(kuò)增,分別得到約1.1 kb和1.0 kb的條帶(圖1),與預(yù)期的條帶大小一致。測序結(jié)果顯示,以基因組DNA為模板擴(kuò)增得到的產(chǎn)物大小為1 129 kb,以cDNA為模板擴(kuò)增得到的產(chǎn)物大小為960 kb。

      2.3CgAtg4基因的序列分析

      生物信息學(xué)分析表明,CgAtg4基因含有一個完整的開放閱讀框(ORF),含有3個外顯子和2個內(nèi)含子,編碼319個aa殘基,分子量約為35.01 kD,等電點PI為5.14,含有116個疏水性殘基和203個親水性殘基,預(yù)測蛋白質(zhì)中含有一個由213個aa組成的高度保守的Peptidase_C54蛋白酶結(jié)構(gòu)域(圖2)。該序列已提交NCBI數(shù)據(jù)庫,登錄號為KC735125。

      在NCBI上將CgAtg4氨基酸序列進(jìn)行Blastp檢索,下載19個菌株的Atg4基因氨基酸序列,利用MEGA Version 4.0軟件構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(圖3)。結(jié)果表明,CgAtg4與膠孢炭疽菌(Colletotrichum gloeosporioides,ELA25600.1)、菜心炭疽菌(Colletotrichum higginsianum,CCF39271.1)以及小叢殼屬真菌(Glomerella graminicola EFQ36750.1)的同源性相對較高,分別為87%、78%和80%,親緣關(guān)系最近;與黏紅酵母(Rhodotorula glutinis,EGU13587.1)和釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae,EDZ69806.1)的Atg4氨基酸序列同源性較低,分別為43%和38%,親緣關(guān)系最遠(yuǎn)。

      3討論

      1962年,Ashford等[9]用電子顯微鏡在人的肝細(xì)胞中首次觀察到細(xì)胞自噬現(xiàn)象。關(guān)于該現(xiàn)象調(diào)控機(jī)制方面的研究較少,其作用機(jī)理尚不清楚。上世紀(jì)90年代以來,酵母作為一種模式生物受到了關(guān)注,研究者開展了大量的自噬作用機(jī)制研究。目前,已發(fā)現(xiàn)30多個基因參與酵母的自噬作用,其中17個基因參與自噬泡的形成[10]。

      近年來有研究表明,細(xì)胞自噬過程與病原真菌的致病性密切相關(guān)。在稻瘟菌中,細(xì)胞自噬過程與稻瘟病菌的產(chǎn)孢、附著胞膨壓、穿透、致病性以及有性生殖等各個發(fā)育階段密切相關(guān)[11,12]。缺失MgAtg4基因后,稻瘟菌突變體菌絲稀疏、產(chǎn)孢量下降、附著胞膨壓降低,而且孢子萌發(fā)和附著胞形成延遲,接種大麥和水稻均不能形成病斑[13]。CgAtg4和MgAtg4所編碼的氨基酸序列具有61%的同源性,都包含一個高度保守的Peptidase_C54蛋白酶結(jié)構(gòu)域,推測CgAtg4基因參與菌絲生長、產(chǎn)孢和侵染過程。

      本研究成功克隆得到橡膠樹膠孢炭疽菌與細(xì)胞自噬相關(guān)的CgAtg4基因,利用NCBI分析其具有高度保守的Peptidase_C54蛋白酶結(jié)構(gòu)域。基于該基因的aa序列,構(gòu)建了系統(tǒng)發(fā)育樹,分析了該基因氨基酸序列和其他真菌同源基因的親緣關(guān)系。本研究為進(jìn)一步研究CgAtg4基因在橡膠樹膠孢炭疽病菌自噬過程中的作用等提供了基礎(chǔ),有助于從分子生物學(xué)層面研究細(xì)胞自噬與橡膠樹膠孢炭疽菌致病性的關(guān)系。

      參考文獻(xiàn):

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      endprint

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