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      馬鈴薯晚疫病菌原生質(zhì)體制備及再生體系的研究

      2018-05-07 08:32:58王偉偉肖燕張藝夕劉晶唐唯李燦輝
      生物技術(shù)通報(bào) 2018年4期
      關(guān)鍵詞:疫霉原生質(zhì)滲透壓

      王偉偉 肖燕 張藝夕 劉晶 唐唯 李燦輝

      (1. 云南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,昆明 650500;2. 云南師范大學(xué)馬鈴薯科學(xué)研究院,昆明 650500)

      馬鈴薯(Solanum tuberosumL.)屬茄科一年生草本植物,原產(chǎn)地南美洲安第斯山區(qū),是世界第三大糧食作物[1]。我國是世界上馬鈴薯主要生產(chǎn)國家之一,馬鈴薯也是我國第四大糧食作物。由致病疫霉引起的馬鈴薯晚疫病是一種毀滅性病害,已超過稻瘟病和小麥銹病,被視為國際第一大作物病害[2]。

      致病疫霉(Phytophthora infestans)是半活體營養(yǎng)型卵菌,菌絲無色、無隔、多核,生活史包含有性生殖和無性生殖兩個(gè)過程,其無性生殖是田間侵染植物的主要方式。馬鈴薯晚疫病菌為二倍體,基因組大小約240 Mb,其中包含上千個(gè)與致病性相關(guān)的效應(yīng)因子與毒性因子。

      為進(jìn)一步明確晚疫病菌的致病機(jī)理,需要建立高效的馬鈴薯晚疫病菌的遺傳轉(zhuǎn)化體系。早在1991年,Judelson等[3]參考植物葉肉細(xì)胞的轉(zhuǎn)化體系,首次在致病疫霉中建立了用聚乙二醇/氯化鈣(PEG/CaCl2)介導(dǎo)的原生質(zhì)體轉(zhuǎn)化技術(shù),目前PEG介導(dǎo)的原生質(zhì)體轉(zhuǎn)化體系在其他卵菌中也獲得成功,其中包括大豆疫霉[4](Phytophthora sojae)、同絲水霉[5](Saprolegnia monoica)、棕櫚疫霉[6](Phytophthora palmivora)、煙草疫 霉[7](Phytophthora nicotianae)、蔥 疫 霉[8](Phytophthora porri) 以 及 橡 樹 疫 霉[9](Phytophthora ramorum)等。

      影響原生質(zhì)體制備的條件有很多,如酶的種類、酶的濃度、酶解時(shí)間和酶解溫度等。由于不同微生物細(xì)胞壁的組成成分不同,所以不同物種要選擇合適的酶進(jìn)行酶解。Weiland[10]等使用纖維素酶(Cellulase)和葡聚糖酶(Dextranase)對(duì)坪草枯萎病腐霉進(jìn)行酶解;陳孝仁[11]等使用崩潰酶(Driselase)和裂解酶(Lysing enzyme)對(duì)大豆疫霉菌進(jìn)行酶解;付麗[12]等使用裂解酶(Lysing enzyme)和纖維素酶對(duì)辣椒疫霉進(jìn)行裂解;劉士旺[13]等使用溶壁酶(Glucancx)、纖維素酶、破壁酶(Lywallzymc)和蝸牛酶(Snail enzyme)對(duì)綠色木霉進(jìn)行酶解,其中Glucancx的裂解效果要比其他單一酶及其組合酶的效果好,可能是由于P. infestans的細(xì)胞壁含有纖維素和β-1,3-葡聚糖多聚物。本研究選用Driselase和Cellulase R-10兩種酶,分別在不同酶濃度、酶作用時(shí)間及不同菌齡條件下進(jìn)行原生質(zhì)體制備和再生的研究,旨在建立高效的馬鈴薯晚疫病菌原生質(zhì)體制備和再生體系。

      1 材料與方法

      1.1 材料

      1.1.1 供試菌株 致病疫霉(Phytophthora infestans)菌株110P于2017年分離自云南省昆明市尋甸縣,由云南師范大學(xué)馬鈴薯科學(xué)研究院保存。

      1.1.2 培養(yǎng)基 致病疫霉生長培養(yǎng)基[14]:PDA培養(yǎng)基:將土豆去皮并切成小塊,稱200 g,加入500 mL水,煮20 min后過濾,取濾液,在濾液中加入15 g葡萄糖,用蒸餾水定容至1 L,用1%氫氧化鈉或鹽酸將PH調(diào)至6.8-7.2,加入15 g瓊脂粉,攪拌均勻,121℃滅菌20 min。黑麥V8液體培養(yǎng)基:60 g黑麥用蒸餾水浸泡36 h,煮沸1 h,4層紗布過濾后加V8蔬菜汁100 mL,蔗糖20 g,1 g CaCO3,攪拌均勻,用蒸餾水定容至1 L,調(diào)PH至7.0,121℃滅菌20 min。原生質(zhì)體再生培養(yǎng)基[15]:黑麥V8固體培養(yǎng)基,在1 L黑麥V8液體培養(yǎng)基中加入15 g瓊脂,91.1 g甘露醇,調(diào)PH至7.0,121℃滅菌20 min。

      1.1.3 原生質(zhì)體洗液[16]滲透壓調(diào)節(jié)劑Ⅰ:0.35 mol/L氯化鈣,主要用于原生質(zhì)體的制備。滲透壓穩(wěn)定劑Ⅱ:0.1 mol/L氯化鈣,0.4 mol/L甘露醇,主要被用于沖洗酶液和稀釋原生質(zhì)體。分別將這兩種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)調(diào)節(jié)PH至6.2,并于121℃滅菌20 min。

      1.1.4 細(xì)胞壁裂解酶 Driselase(Lot.No.1220E021)、Cellulase R-10(Lot.No.926E023)均購于 Solarbio 公司。裂解酶液用滲透壓調(diào)節(jié)劑Ⅰ配制,兩種酶分別配成終濃度為5 mg/mL、10 mg/mL和15 mg/mL,混勻后1 000 r/min離心2 min取上清,經(jīng)0.22 μm的微孔濾膜除菌,現(xiàn)用現(xiàn)配。

      1.2 方法

      1.2.1 原生質(zhì)體的制備 供試菌株置于PDA培養(yǎng)基上,18℃黑暗培養(yǎng)10-18 d,沿菌落邊緣切5 mm×5 mm的菌絲塊,挑10塊置于裝有100 mL的黑麥V8液體培養(yǎng)基的錐形瓶中,于18℃、120 r/min黑暗搖培8 d,400目篩子過濾收集菌絲體,用滅菌的無菌水沖洗3次后用全自動(dòng)樣品快速研磨儀(Fstgrd-24,上海凈信科技)于30 Hz頻率下研磨90 s,再用400目的篩子過濾,收集的菌絲體用滅菌蒸餾水沖洗3次,滲透壓調(diào)節(jié)劑Ⅰ沖洗兩次,用滅菌濾紙吸干,稱重;將菌絲移至50 mL錐形瓶中,加入細(xì)胞壁裂解酶液5-15 mL,于26℃、100 r/min條件下裂解細(xì)胞壁。消化后的細(xì)胞懸浮液經(jīng)400目篩子過濾,同時(shí)用滲透壓穩(wěn)定劑Ⅱ洗滌沉淀3次,最后用滲透壓穩(wěn)定劑Ⅱ重懸沉淀,均勻混合,即可得到原生質(zhì)體。以上步驟均在無菌條件下操作。制備好的原生質(zhì)體在光學(xué)顯微鏡下計(jì)數(shù)[11]。

      1.2.2 原生質(zhì)體的再生 在滅菌的超凈工作臺(tái)上,分別取50、100、150 μL原生質(zhì)體懸浮液涂布于再生培養(yǎng)基上,18℃黑暗培養(yǎng)5 d,計(jì)數(shù)小菌落,按照下列公式計(jì)算原生質(zhì)體再生率。實(shí)驗(yàn)重復(fù)2次。

      再生率=(再生培養(yǎng)基上生長的菌落數(shù)/涂布原生質(zhì)體總數(shù))×100%。

      2 結(jié)果

      2.1 原生質(zhì)體的制備

      2.1.1 馬鈴薯晚疫病菌無性孢子和原生質(zhì)體的形態(tài) 在普通的光學(xué)顯微鏡下就可以觀察無性孢子(圖1-A)和原生質(zhì)體(圖1-B)的區(qū)別,可以清晰的觀察到檸檬型的無性孢子、部分未被酶解呈絲狀的菌絲體和呈圓形的原生質(zhì)體。在原生質(zhì)體制備的過程中發(fā)現(xiàn),有些菌絲體已經(jīng)形成斷片,可以看到正在形成原生質(zhì)體的菌絲體末端膨脹變大,釋放出呈圓球狀的原生質(zhì)體;也可以觀察到有一些菌絲體不是從兩端釋放,而是從中間釋放出原生質(zhì)體(圖2)。

      2.2 原生質(zhì)體制備條件的優(yōu)化

      裂解酶的確定。在酶濃度10 mg/mL、反應(yīng)溫度在26℃條件下,Driselase、Cellulase R-10對(duì)致病疫霉細(xì)胞壁的裂解效果都達(dá)到了較高水平,其中Driselase在60 min時(shí)原生質(zhì)體的產(chǎn)量達(dá)到9.0×104個(gè)/g,Cellulase R-10在45 min時(shí)原生質(zhì)體的產(chǎn)量達(dá)到 8.5×104個(gè) /g。

      圖1 致病疫霉無性孢子與原生質(zhì)體的區(qū)別

      圖2 致病疫霉原生質(zhì)體的形成方式

      2.2.2 裂解酶濃度和反應(yīng)時(shí)間的確定 用Driselase、Cellulase R-10分別裂解致病疫霉菌絲的細(xì)胞壁,制備的原生質(zhì)體的數(shù)量隨著酶液濃度的增加而有明顯變化,10 mg/mL時(shí)產(chǎn)生的原生質(zhì)體數(shù)量最多,15 mg/mL時(shí)產(chǎn)生的原生質(zhì)體數(shù)量反而有所下降。因此進(jìn)行大量原生質(zhì)體制備時(shí),酶濃度以10 mg/mL最為高效、經(jīng)濟(jì)和適用。

      從酶處理15 min開始,隨著處理時(shí)間的延長,原生質(zhì)體產(chǎn)量也逐漸增加,Driselase在60 min時(shí),原生質(zhì)體產(chǎn)量最大,達(dá)到9×104個(gè)/g;而Cellulase R-10在45 min時(shí),原生質(zhì)體產(chǎn)量最大,達(dá)到8.5×104個(gè)/g;60 min后,隨著酶解時(shí)間的延長,原生質(zhì)體產(chǎn)量呈下降趨勢(圖3、4)。因此,根據(jù)上述結(jié)果,致病疫霉原生質(zhì)體制備最佳條件為Driselase以10 mg/mL的濃度裂解60 min。

      圖3 Driselase酶不同濃度和處理時(shí)間對(duì)原生質(zhì)體的影響

      圖4 Cellulase R-10酶不同濃度和處理時(shí)間對(duì)原生質(zhì)體的影響

      2.2.3 菌齡對(duì)馬鈴薯晚疫病菌原生質(zhì)體制備的影響 在最佳原生質(zhì)體制備條件下,使用10 mg/mL Cellulase R-10和分別生長18 d、14 d、10 d的110P菌絲體進(jìn)行原生質(zhì)體的制備。結(jié)果顯示,3個(gè)菌齡的110P菌絲體中,生長18 d的菌絲體原生質(zhì)體制備總量最高,為7×104個(gè)/g。各菌齡條件下原生質(zhì)體制備量,見表1。

      表1 原生質(zhì)體制備量

      2.3 原生質(zhì)體的再生

      致病疫霉110P用10 mg/mL的Driselase和Cellulase R-10處理60 min后,分別取 50 μL、100 μL、150 μL原生質(zhì)體懸浮液涂布于再生培養(yǎng)基上,菌落在培養(yǎng)4-5 d時(shí)開始大量形成,對(duì)平板菌落計(jì)數(shù)后,原生質(zhì)體再生率最高達(dá)3.1%。實(shí)驗(yàn)重復(fù)2次。原生質(zhì)體的再生率,見表2。

      表2 原生質(zhì)體的再生率

      3 討論

      探究馬鈴薯晚疫病菌原生質(zhì)體制備和再生的適宜條件,菌齡、脫壁酶的選擇、酶解時(shí)間、酶濃度和滲透壓穩(wěn)定劑等都會(huì)對(duì)原生質(zhì)體的形成率和再生率產(chǎn)生不同影響。本實(shí)驗(yàn)以培養(yǎng)18 d的菌絲體為材料,用10 mg/mL Driselase處理1 g菌絲60 min后,原生質(zhì)體產(chǎn)量達(dá)8.5×104個(gè)/g;以0.1 mol/L氯化鈣和0.4 mol/L甘露醇作為滲透壓穩(wěn)定劑,以黑麥V8固體再生培養(yǎng)基得到的原生質(zhì)體再生率最高達(dá)3.1%。

      由于不同種疫霉菌的細(xì)胞壁成分和結(jié)構(gòu)不同,所以選擇合適的脫壁酶對(duì)原生質(zhì)體的產(chǎn)量有很大的影響[17]。Weiland 等[10]使用 Cellulase和 Dextranase坪草腐霉進(jìn)行酶解發(fā)現(xiàn)混合酶液的原生質(zhì)體產(chǎn)量較高;陳孝仁等[11]使用Driselase和Lysing enzyme兩種酶對(duì)大豆疫霉菌進(jìn)行酶解發(fā)現(xiàn),在崩潰酶中加入裂解酶后原生質(zhì)體產(chǎn)量明顯增多。卵菌的細(xì)胞壁主要有纖維素和β-1,3-葡聚糖多聚物組成,因此本研究參考選用了Driselase和 Cellulase R-10兩種細(xì)胞壁裂解酶。Driselase是一種復(fù)合酶,內(nèi)含昆布多糖酶(Laminarinase)、木聚糖酶(Xylanase)和纖維素酶(Cellulase)[18],而 Cellulase R-10是一種單一的纖維素酶,一般來說,混合酶液比單一酶液的脫壁效果好,但Driselase是一種復(fù)合酶且含有纖維素酶,本研究用兩種酶分別探索對(duì)P. infestans的裂解效果,結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種酶制備效率差異不顯著(P>0.05),但Cellulase R-10價(jià)格便宜,在大量制備要求下較為經(jīng)濟(jì)適用。

      探索最佳酶解時(shí)間,是獲得最佳原生質(zhì)體制備方法的重要數(shù)據(jù)之一。同時(shí),還應(yīng)該注意裂解作用的最適溫度,若溫度不當(dāng),可能會(huì)導(dǎo)致原生質(zhì)體被破壞。在原生質(zhì)體的制備過程中,酶濃度宜適中,酶濃度太大易使菌體凝集,不易形成原生質(zhì)體,酶濃度太小使酶解不徹底。酶解時(shí)間也是影響原生質(zhì)體制備的重要因素,如陳孝仁[11]等在制備大豆疫霉原生質(zhì)體時(shí),酶解時(shí)間在3 h時(shí),原生質(zhì)體的產(chǎn)量較高;黃玉茜[19]在制備綠色木霉時(shí),酶解時(shí)間在24 h時(shí),原生質(zhì)體的產(chǎn)量較好。根據(jù)前人文獻(xiàn)報(bào)道發(fā)現(xiàn)原生質(zhì)體的產(chǎn)量是隨著酶解時(shí)間的增加而增大,當(dāng)達(dá)到最高量時(shí),隨著酶解時(shí)間進(jìn)一步延長,原生質(zhì)體的產(chǎn)量逐漸降低,整個(gè)過程呈鐘型曲線趨勢,達(dá)到最高點(diǎn)原生質(zhì)體產(chǎn)量下降的主要原因是因?yàn)槊富铍S著作用時(shí)間增加而降低,或原生質(zhì)體數(shù)目不斷增加,在酶解體系中會(huì)變得不穩(wěn)定[20]。本研究所得致病疫霉菌絲酶解作用的最佳時(shí)間為Driselase 1 h,Cellulase R-10僅45 min,比已有文獻(xiàn)報(bào)道時(shí)間的疫霉屬卵菌裂解時(shí)間都短,因此,利用本優(yōu)化條件,在制備原生質(zhì)體的過程中效率更高。

      菌齡不同的細(xì)胞,其細(xì)胞壁的薄厚程度以及結(jié)構(gòu)差異較大,是影響原生質(zhì)體制備影響的關(guān)鍵因素之一。菌齡短的菌絲體細(xì)胞壁成分相對(duì)簡單,細(xì)胞壁也相對(duì)薄,容易裂解,但并不是菌齡越短,原生質(zhì)體的生成率越高。菌齡過短會(huì)造成菌絲量不足或影響原生質(zhì)體的再生[21]。不同種類的卵菌酶解時(shí)的最佳菌齡是不一樣的,Yi等[16]的研究報(bào)道辣椒疫霉的菌齡在5 d時(shí)原生質(zhì)體的生成率較高;Judelson等[4]的研究發(fā)現(xiàn)大豆疫霉的菌齡在11 d時(shí)原生質(zhì)體的生成率較高。本研究探索的最佳菌齡為18 d,一個(gè)主要原因就是在最適培養(yǎng)基和最適溫度條件下,致病疫霉110P菌絲生長速率為6.4-7.5 mm/d(本研究測得),大豆疫霉菌絲生長速率為7-9 mm/d[22],辣椒疫霉為3-4 mm/d[23],致病疫霉的營養(yǎng)菌絲生長速率較低。

      在原生質(zhì)體的再生過程中,滲透壓穩(wěn)定劑是原生質(zhì)體釋放后維持活力的重要因素,對(duì)原生質(zhì)體再生率影響顯著。卵菌的細(xì)胞壁成分是纖維素和葡聚糖,根據(jù)Yi等[16]的研究,用0.1 mol/L氯化鈣和0.4 mol/L甘露醇作為滲透壓穩(wěn)定劑時(shí),辣椒疫霉的原生質(zhì)體再生率接近6%;董磊[20]用1 mol/L的氯化鎂、0.8 mol/L甘露醇作為滲透壓穩(wěn)定劑時(shí),致病疫霉的原生質(zhì)體再生率較高,但低于Yi等[16]研究的辣椒疫霉的原生質(zhì)體再生率;本研究選用0.1 mol/L氯化鈣和0.4 mol/L甘露醇作為滲透壓穩(wěn)定劑,原生質(zhì)體再生率最高達(dá)3.1%。

      研究并建立卵菌高效遺傳轉(zhuǎn)化系統(tǒng),原生質(zhì)體制備和再生是必不可少的重要方法之一。以原生質(zhì)體為核心的多種操作技術(shù)研究已經(jīng)建立,包括原生質(zhì)體的制備、再生、誘變、融合等方面,在基礎(chǔ)理論研究和實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中,這些技術(shù)都發(fā)揮著重要作用[24]。由于不同屬、不同種甚至不同生理小種在制備和再生過程中都存在一定的差異性,因此制備原生質(zhì)體的具體方法和再生條件都有所不同,制備率和再生率波動(dòng)也很大[11],因此,不同的致病疫霉菌株之間的差異也必然存在,在進(jìn)一步研究中,應(yīng)著重探索不同菌株間原生質(zhì)體制備和再生條件差異、混合裂解酶的制備率,以及滲透壓穩(wěn)定劑的優(yōu)化。

      4 結(jié)論

      本研究以致病疫霉菌絲為材料,研究了不同菌齡、2種細(xì)胞壁裂解酶、3個(gè)裂解酶濃度、8個(gè)裂解時(shí)間梯度的原生質(zhì)體制備條件和再生效率,建立了原生質(zhì)體最佳制備條件,暨以培養(yǎng)18 d的菌絲體為材料,用10 mg/mL Driselase處理菌絲60 min后,原生質(zhì)體產(chǎn)量達(dá)9.5×104個(gè)/g;同時(shí)研究還發(fā)現(xiàn),以0.1 mol/L氯化鈣和0.4 mol/L甘露醇作為原生質(zhì)體滲透壓穩(wěn)定劑,以黑麥V8為再生培養(yǎng)基,得到的原生質(zhì)體再生率能達(dá)到3.1%。

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