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橡膠樹膠孢炭疽菌細胞自噬相關基因CgAtg4的克隆與序列分析

2014-08-08 09:58翟李剛林春花蔡志英時濤黃貴修
湖北農業(yè)科學 2014年9期
關鍵詞:橡膠樹

翟李剛+林春花+蔡志英+時濤+黃貴修

摘要:細胞自噬(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。利用橡膠膠孢炭疽菌HBCg01全基因組數(shù)據庫,采用PCR和RT-PCR克隆細胞自噬相關基因CgAtg4(Genebank登錄號:KC735125),并對其序列進行分析,研究細胞自噬在膠孢炭疽菌侵染橡膠樹過程中的作用。結果表明,CgAtg4的開放閱讀框(ORF)為960 nt,編碼319個aa序列,預測含有一個由213個aa組成的高度保守的Peptidase_C54蛋白酶結構域,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孢能力、分生孢子萌發(fā)以及附著胞膨壓的形成相關。

關鍵詞:橡膠樹;膠孢炭疽菌;自噬相關基因;CgAtg4

中圖分類號:S432.4+4;Q75文獻標識碼: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

細胞自噬(Autophagy)是真核生物中廣泛存在的作用機制,且在進化上十分保守,它是真核生物中對細胞內蛋白質和細胞器進行周轉的重要過程,該過程中一些損壞的蛋白質或細胞器被雙層膜結構的自噬小泡包裹后,送入溶酶體或液泡中進行降解并得以循環(huán)利用。自噬過程中最為重要的兩個環(huán)節(jié)是自噬過程的誘導和自噬體的形成,參與此過程的至少有17個Atg(Autophagy associated,細胞自噬相關)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復合體功能組(Atg12-Atg5 protein conjugation system);Ⅴ.磷脂酰肌醇轉移蛋白3(PtdIns3)-激酶復合體(phosphatidylinositol-3 kinase complex)。Atg4基因屬于Atg8-磷脂酰乙醇胺(PE)功能組,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的共同調節(jié)作用下形成Atg8蛋白與磷脂酰乙醇胺復合物(Atg8-PE),從而促進自噬體前體膜的聚集和融合[3],進一步形成自噬體。

炭疽菌(Colletotrichum spp.)是一類常見且最重要的植物病原真菌之一,引起各種農作物炭疽病,造成重大的經濟損失[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,嚴重時會引起橡膠樹的重復落葉和嫩梢回枯,推遲開割時間[6]。至今,未見炭疽菌細胞自噬相關基因的報道。本研究在橡膠樹膠孢炭疽菌全基因組測序的基礎上,以細胞自噬基因家族中與自噬體形成相關的Atg4基因為研究對象,對其進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,由中國熱帶農業(yè)科學院環(huán)境與植物保護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,由中國熱帶農業(yè)科學院橡膠研究所提供。

1.2試劑

HBCg01病菌培養(yǎng)采用PDA培養(yǎng)基,參照方中達[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)細胞和RNA提取試劑盒TransZol Plant購自北京全式金生物技術有限公司;引物由北京六合華大基因科技股份有限公司合成;其他試劑均為國產分析純。

1.3方法

1.3.1引物設計在NCBI(http://www.ncbi.nlm.nih.gov)數(shù)據庫中搜索近源物種的Atg4基因序列,在HBCg01全基因組數(shù)據庫中分別進行本地Blast檢索,獲得HBCg01中的同源基因,根據5′端和3′端序列設計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,參照說明書中相關步驟進行RNA提取,去除基因組DNA和RNA的反轉錄。

1.3.3Atg4基因的PCR擴增、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進行PCR擴增,反應體系為: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。反應條件為:94 ℃預變性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。擴增產物用質量分數(shù)1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測,并回收目的片段。

擴增產物回收后克隆到pMD18-T載體上。經藍白斑篩選后,采用堿裂解法[8]提取轉化子的質粒DNA,經EcoRⅠ和HindⅢ雙酶切鑒定、菌落PCR鑒定后,隨機挑選3個陽性克隆送北京六合華大基因科技股份有限公司進行序列測定,確認序列后在http://www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST上進行比較分析,并預測相應蛋白質的保守結構域。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)樹進行檢驗,1 000次重復。

2結果與分析

2.1引物的設計

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)據庫進行本地Blast,結果表明該菌株中有一個預測的同源基因,分析其大小約1.1 kb,命名為CgAtg4。根據該基因的5′端和3′端序列設計了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進行PCR擴增,分別得到約1.1 kb和1.0 kb的條帶(圖1),與預期的條帶大小一致。測序結果顯示,以基因組DNA為模板擴增得到的產物大小為1 129 kb,以cDNA為模板擴增得到的產物大小為960 kb。

2.3CgAtg4基因的序列分析

生物信息學分析表明,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,預測蛋白質中含有一個由213個aa組成的高度保守的Peptidase_C54蛋白酶結構域(圖2)。該序列已提交NCBI數(shù)據庫,登錄號為KC735125。

在NCBI上將CgAtg4氨基酸序列進行Blastp檢索,下載19個菌株的Atg4基因氨基酸序列,利用MEGA Version 4.0軟件構建系統(tǒng)發(fā)育樹(圖3)。結果表明,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%,親緣關系最遠。

3討論

1962年,Ashford等[9]用電子顯微鏡在人的肝細胞中首次觀察到細胞自噬現(xiàn)象。關于該現(xiàn)象調控機制方面的研究較少,其作用機理尚不清楚。上世紀90年代以來,酵母作為一種模式生物受到了關注,研究者開展了大量的自噬作用機制研究。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,細胞自噬過程與病原真菌的致病性密切相關。在稻瘟菌中,細胞自噬過程與稻瘟病菌的產孢、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[11,12]。缺失MgAtg4基因后,稻瘟菌突變體菌絲稀疏、產孢量下降、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蛋白酶結構域,推測CgAtg4基因參與菌絲生長、產孢和侵染過程。

本研究成功克隆得到橡膠樹膠孢炭疽菌與細胞自噬相關的CgAtg4基因,利用NCBI分析其具有高度保守的Peptidase_C54蛋白酶結構域?;谠摶虻模幔嵝蛄?,構建了系統(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系。本研究為進一步研究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,有助于從分子生物學層面研究細胞自噬與橡膠樹膠孢炭疽菌致病性的關系。

參考文獻:

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