賈振華,劉 方,宋 聰,黃亞麗,馬 宏 ,宋水山
(1.河北省科學(xué)院 生物研究所,河北 石家莊 050081;2.河北省主要農(nóng)作物病害微生物控制工程技術(shù)研究中心,河北 石家莊 050081)
hrp基因(hrp,Hypersensitive response and pathogenity gene)廣泛存在于革蘭氏陰性植物病原細(xì)菌中,能夠表達(dá)一種熱穩(wěn)定性Harpins蛋白,該蛋白不僅能夠促進植物的生長發(fā)育[1-2],也會引起非寄主植物的過敏反應(yīng)(HR,Hypersensitive response),Harpins蛋白能夠廣泛誘導(dǎo)植物對植物病蟲害的防衛(wèi)反應(yīng),增強植物的免疫反應(yīng)[3-7]。研究表明,植物病原菌主要通過Ⅲ型分泌通路將Harpin蛋白分泌到植物細(xì)菌細(xì)胞外,能夠激發(fā)非寄主植物的HR或誘導(dǎo)植物對病原菌產(chǎn)生抗病性[8-11]。因而,開發(fā)新型Harpin蛋白和研究Harpin誘導(dǎo)防衛(wèi)機制已成為新研究熱點。自1986 年Lindgren等[12]首次報道hrp基因以來,人們對hrp基因進行了廣泛的研究。HarpinEa是一種從梨火疫歐文氏桿菌(Erwiniaamylovora)中分離到的Harpin蛋白,它能夠誘發(fā)煙草HR反應(yīng)[12-13]。1995年Cui等[14-15]借助分子生物學(xué)手段首次從胡蘿卜軟腐歐文氏菌(E.carotovorasubsp.carotovora)Ecc71中分離到hrpN基因并克隆該基因。國內(nèi)科研人員越來越多地研究Harpin蛋白和hrp基因,其中對來源于胡蘿卜軟腐歐文氏菌的Harpin蛋白的研究有了很大的進展,對其表達(dá)hrp基因克隆的研究也有了很大的突破,科研人員分別從E.carotovorasubsp.carotovoraCSSY002、carotovoraCSDS001以及betavasculorumCSL101等菌株中克隆到不同基因序列的hrp基因,這些hrp基因均能表達(dá)氨基酸序列不同程度差異的Harpin蛋白,但這幾種Harpin蛋白均能誘導(dǎo)煙草過敏反應(yīng)。攜帶hrp基因的不同植物病原菌攜帶的hrp基因具有一定的保守性,但也存在著很大的差異性,而其表達(dá)的Harpin蛋白對誘導(dǎo)不同的植物產(chǎn)生抗性也不同。本研究主要報道高致病性病原菌胡蘿卜軟腐歐文氏 (E.carotovorapv.carotovora) Ecc36菌株的胞外酶活性,對其致病性進行了鑒定,克隆了Ecc36菌株中的hrpNEccPR基因,并進行了篩選和測序,通過構(gòu)建的pET30a-EccPR質(zhì)粒在大腸桿菌工程菌株BL21(DE3)中高效IPTG誘導(dǎo)表達(dá)HrpNEccPR蛋白,鑒定產(chǎn)物HrpNEccPR蛋白的生物學(xué)活性。
Ecc36菌株由河北省科學(xué)院生物研究所生物工程實驗室收藏;大腸桿菌工程菌株BL21(DE3) (大連寶生物工程有限公司);pET28a(+)質(zhì)粒(大連寶生物工程有限公司);LB培養(yǎng)基利用文獻[9-10]中的方法進行配制;抗性培養(yǎng)基為LB培養(yǎng)基中加入50 μg/mL卡那霉素(Km)。提取試劑盒(大連寶生物工程有限公司);DNA 純化試劑盒(Qiagen公司);DNA標(biāo)記系統(tǒng)(Promega公司)。
1.2.1 菌株Ecc36 胞外酶的檢測 參考文獻[15-16]配制菌株Ecc36胞外酶的瓊脂固體平板培養(yǎng)基,利用文獻[17]中的方法檢測Ecc36菌株分泌的多聚半乳糖醛酸酶(Polygalacturonase,Peh)、蛋白酶(Protease,Prt)、纖維素酶(Cellulase,Cel)及果膠酶(Pectate lyase,Pel)活性。通過平板上菌落周圍的透明圈大小分析酶活性水平。
1.2.2 菌株Ecc36 對植物的致病性 挑取Ecc36菌株單菌落,培養(yǎng)24 h后,用無菌水將菌體稀釋成5×109cfu/mL的菌懸液,利用懸浮液接種于大白菜,每個孔接種0.05 mL,28 ℃保濕培養(yǎng),48 h后根據(jù)大白菜軟腐程度判斷菌株致病情況。
1.2.3 菌株Ecc36 過敏反應(yīng)測試 將菌株Ecc36單菌落接種到LB 液體培養(yǎng)基,將菌株28 ℃培養(yǎng)24 h后,用無菌10 mmol/L氯化鎂溶液稀釋成2×108cfu/mL菌懸液,采用0.3 mL菌懸液注射到煙草葉片的方法來檢測Ecc36過敏反應(yīng)活性,用無菌10 mmol/L氯化鎂溶液作為對照。接種24 h后,觀察煙草葉片是否出現(xiàn)壞死斑現(xiàn)象。
1.2.4hrpNEccPR基因的鑒定 利用Southern雜交方法鑒定hrpNEccPR基因,用EcoRⅠ消化Ecc36菌株染色體DNA,以地高辛標(biāo)記的Ecc36菌株hrpNDNA為探針進行Southern雜交。雜交條件見參考文獻[18]。
1.2.5 攜帶hrpNEccPR工程菌的構(gòu)建 參考hrpNEcc71基因,合成文獻[19]中報道的hrpNEcc71上下游引物,進行PCR 擴增,反應(yīng)條件如下:95 ℃ 5 min;95 ℃ 1 min,58 ℃ 1 min,72 ℃ 2 min,循環(huán)25次。將純化的PCR產(chǎn)物,經(jīng)內(nèi)切酶BamHⅠ和Hind Ⅲ進行酶切構(gòu)建到質(zhì)粒載體pET30(+)上,形成了pET30a-EccPR表達(dá)質(zhì)粒。基因測序由上海生工完成,根據(jù)測序結(jié)果,hrpNEccPR基因進行分析?;驍U增和克隆方法見文獻[20-22]。將質(zhì)粒pET30a-EccPR轉(zhuǎn)化到大腸桿菌BL21(DE3),構(gòu)建高效表達(dá)的大腸桿菌工程菌。
1.2.6 HrpNEccPR的誘導(dǎo)表達(dá)及檢測 將工程菌BL21(DE3)在卡那霉素抗性的LB液體培養(yǎng)基中37 ℃培養(yǎng),當(dāng)培養(yǎng)菌液的OD600=0.6~0.8時,加入終濃度為0.8 mmol/L的 IPTG進行誘導(dǎo)培養(yǎng),8 h后,離心收集菌體,4倍體積的緩沖溶液重懸,煮沸10 min,收集上清液。
HrpNEccPR蛋白的12%十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE) 檢測方法參照文獻[23]。
1.2.7 HrpNEccPR的活性檢測 利用HrpNEccPR蛋白分別配制濃度為100,50,25 μg/mL蛋白水溶液,分別接種到煙草葉片,24 h后檢查HR枯斑,水為對照。
菌株Ecc36 是一種軟腐病致病菌株,其致病性由植物細(xì)胞壁降解酶類(Plant cellwall-degrading enzymes,PCWDEs) 決定[24-25],這些酶類分別為果膠酶(Pel)、多聚半乳糖醛酸酶(Peh)、蛋白酶(Prt)和纖維素酶(Cel)。胞外酶檢測結(jié)果顯示,Ecc36菌株能分泌Pel、Peh、Prt、Cel,且這4種酶具有較高活性(圖1)。將Ecc36菌株接種于大白菜并溫育48 h,大白菜出現(xiàn)明顯的軟腐病斑塊,而對照(CK)不產(chǎn)生軟腐病癥(圖2),說明Ecc36菌株具有較強致病性,也推斷出Ecc36菌株高致病性可能與胞外酶的活性有關(guān)系。為了檢測Ecc36菌株過敏反應(yīng)癥狀,將Ecc36菌株接種于煙草葉片,以MgCl2為陰性對照,試驗結(jié)果表明,Ecc36菌株培養(yǎng)液及上清液均能引起煙草的過敏反應(yīng)(圖3),說明Ecc36菌株分泌物中含有Harpin蛋白或者相似的物質(zhì)。
圖1 Ecc36菌株分泌的胞外酶Fig.1 Extracellular enzymes produced by Ecc36
圖2 Ecc36菌株引起大白菜軟腐Fig.2 Soft rot caused by Ecc36 in chinese cabbage tissue
成地高辛標(biāo)記的hrpN基因核苷酸序列探針,建立Ecc36基因文庫,通過菌落原位雜交技術(shù),對Ecc36基因文庫進行篩選。圖4顯示,從該文庫中篩選出3個陽性克隆菌,分別為34號、63號和89號克隆菌斑。通過EcoRⅠ消化的89號菌斑(Ecc36-89)染色體DNA、Ecc71 DNA和大腸桿菌BL21 DNA,進行Southern雜交,試驗結(jié)果顯示,Ecc71具有陽性雜交帶片段,Ecc36-89也出現(xiàn)了陽性雜交帶片段,而陰性對照大腸桿菌BL21染色體DNA沒有出現(xiàn)陽性克隆雜交帶(圖5)。結(jié)果表明,Ecc36基因組中含有hrpN基因。
A.MgCl2溶液;B.Ecc36培養(yǎng)液;C.Ecc36培養(yǎng)液上清液。A. MgCl2 solution;B. Culture solution with Ecc36;C. Supernatant of Ecc36 culture solution.
圖4 原位雜交結(jié)果Fig.4 In situ hybridization
圖5 hrpN基因Southern 雜交Fig.5 Southern Blot analysis of hrpN gene
將Ecc36-89基因組中克隆的hrpN基因命名為hrpNEccPR基因,hrpNEccPR基因測序結(jié)果表明,其編碼開放閱讀框(ORF)為1 254個核苷酸(圖6),與來自其他hrpNEch、hrpNEcc編碼基因相比分別具有87.8%和86.6%的序列同源性。
hrpNEccPR基因編碼的蛋白HrpNEccPR由417個氨基酸殘基組成,理論分子量45.27 ku,理論等電點5.73,序列中富含甘氨酸(G)。Ecc36 與其他幾個菌株來源的hrpN編碼氨基酸序列(HrpNEch、HrpNEcc)同源性較高,通過和其他hrpN基因編碼的蛋白序列相比較,同源性達(dá)到43%(圖7),而且C末端和N末端的同源性非常高,推測是其功能區(qū)域。這也和hrpN基因編碼的蛋白功能一致,說明了生物的遺傳多樣性。
圖6 hrpNEccPR基因序列Fig.6 HrpNEccPR gene sequence
圖7 HrpNEccPR蛋白序列Fig.7 hrpNEccPR protein sequence
將hrpNEccPR基因構(gòu)建在pET30a,命名為pET30a-EccPR,并轉(zhuǎn)入BL21(DE3)中,獲得大腸桿菌工程菌BL21(pET30a-EccPR),經(jīng)IPTG誘導(dǎo)表達(dá)工程菌BL21(pET30a-EccPR),SDS-PAGE(濃度為12%)蛋白電泳結(jié)果顯示(圖8) ,含有空載體質(zhì)粒的BL21(DE3)大腸桿菌經(jīng)IPTG誘導(dǎo)后不產(chǎn)生目的蛋白條帶,工程菌BL21(pET30a-EccPR)經(jīng)IPTG誘導(dǎo)能夠產(chǎn)生目的條帶,不經(jīng)IPTG誘導(dǎo),也不會產(chǎn)生HrpNEccPR蛋白目的條帶。這些結(jié)果表明,工程菌在IPTG誘導(dǎo)下能夠表達(dá)HrpNEccPR蛋白。
植物過敏反應(yīng)已經(jīng)成為檢測一種蛋白或者小分子化合物具備Harpin類蛋白條件的一種重要生物測試方法,為檢測HrpNEccPR蛋白的生物學(xué)活性,將純化的HrpNEccPR蛋白(圖8)接菌于煙草葉片,結(jié)果顯示,純化的HrpNEccPR蛋白能誘導(dǎo)煙草葉片產(chǎn)生過敏反應(yīng)(圖9),這與已報道的其他Harpin類蛋白的生物學(xué)活性一致,也說明HrpNEccPR蛋白是Harpin類蛋白的一種。試驗結(jié)果也顯示,HrpNEccPR蛋白誘發(fā)的植物過敏反應(yīng)斑塊大小與其濃度有關(guān),隨著HrpNEccPR蛋白濃度的增加,過敏反應(yīng)病斑隨之?dāng)U大,50 μg/mL的HrpNEccPR蛋白即能顯著誘導(dǎo)過敏反應(yīng),而對照處理不引起過敏反應(yīng)。
M.Marker; 1.BL21(DE3)/ pET-28a(+) + IPTG ; 2.BL21(DE3)/ pET30a-EccPR;3.BL21(DE3)/ pET30a-EccPR+IPTG ; 4.提純的HrpNEccPR蛋白。
M.Marker; 1.BL21(DE3) carrying pET28a(+) + IPTG; 2.BL21(DE3) carrying pET30a-EccPR,no IPTG; 3.BL21(DE3) carryingpET30a-EccPR+IPTG; 4.Purified HrpNEccPR.
圖8HrpNEccPR蛋白在工程菌中的IPTG誘導(dǎo)表達(dá)
Fig.8ExpressionofHrpNEccPRinducedbyIPTGinengineeringstrain
A.水;B.HrpNEccPR 50 μg/mL; C.HrpNEccPR 200 μg/mL;D. HrpNEccPR 100 μg/mL。A.H2O; B.HrpNEccPR 50 μg/mL; C.HrpNEccPR200 μg/mL; D.HrpNEccPR 100 μg/mL.
Harpin蛋白是一類這些年來一直被關(guān)注的重要生物效應(yīng)分子,Cui等[17]通過胡蘿卜軟腐歐文氏菌胡蘿卜亞種Ecc71研究發(fā)現(xiàn)了由hrp基因編碼的Harpin 蛋白,該蛋白是引發(fā)非寄主植物過敏性反應(yīng)的重要因子,試驗也證明,該蛋白能夠誘導(dǎo)煙草葉片產(chǎn)生過敏反應(yīng),因而,hrp基因的遺傳組成、表達(dá)調(diào)控及產(chǎn)物、功能已成為研究該領(lǐng)域的重點內(nèi)容。通過對植物細(xì)胞壁降解酶類檢測和分析,發(fā)現(xiàn)胡蘿卜軟腐歐文氏Ecc36菌株具有很強的胞外酶分泌活性,能夠降解植物細(xì)胞壁[26],也是Ecc36的關(guān)鍵致病因子。hrpNEccPR基因測序結(jié)果顯示,與其他幾種來源于胡蘿卜軟腐歐文氏菌的Harpin蛋白編碼基因序列具有很高的同源性,HrpNEccPR蛋白的氨基酸序列分析表明,其氨基酸序列與HrpNEcc蛋白、HrpNEch蛋白序列具有很高的同源性。而通過工程菌高效表達(dá)的HrpNEccPR蛋白仍具有Harpin蛋白的活性,能誘導(dǎo)植物產(chǎn)生HR反應(yīng),這些結(jié)果表明,HrpNEccPR蛋白能夠提高植物本身的免疫機能,誘導(dǎo)植物對脅迫環(huán)境產(chǎn)生抗性。Harpin蛋白主要來源于革蘭氏陰性植物病原細(xì)菌,在梨火疫歐文氏桿菌和胡蘿卜軟腐歐文氏菌中也存在Harpin蛋白表達(dá)基因,張玨等[20]報道了HarpinCSDS001誘導(dǎo)植物抗性、促進植物生長發(fā)育的作用機制,曹茂林等[27]報道了胡蘿卜歐文氏菌CSSY002表達(dá)的Harpin蛋白生物學(xué)活性,Kariola等[28]報道,胡蘿卜軟腐歐文氏菌胡蘿卜亞種細(xì)菌產(chǎn)生的Harpin蛋白能夠誘導(dǎo)擬南芥的防衛(wèi)反應(yīng)。HrpNEccPR蛋白是胡蘿卜軟腐歐文氏菌Ecc36菌株表達(dá)的蛋白激發(fā)子,它能誘導(dǎo)植物產(chǎn)生免疫反應(yīng),使植物發(fā)生過敏壞死反應(yīng),筆者正在通過室內(nèi)和田間試驗研究HrpNEccPR蛋白的抗病性、抗蟲性、抗逆性、促進生長和發(fā)育等特性。希望通過這一系列的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究,能將HrpNEccPR蛋白開發(fā)成新型、安全、高效的植物誘抗劑,使HrpNEccPR蛋白在未來的農(nóng)業(yè)高新生物技術(shù)領(lǐng)域中扮演重要角色。
利用煙草驗證了胡蘿卜軟腐歐文氏菌Ecc36菌株能夠引起過敏反應(yīng)(HR),克隆了Ecc36菌株的hrpN基因(hrpNEccPR基因)的開放閱讀框,通過基因測序和比對,與其他軟腐歐文氏菌Harpin蛋白有較高的同源性,表明hrpNEccPR基因表達(dá)的蛋白具有Harpin蛋白特性。構(gòu)建hrpNEccPR基因表達(dá)載體(pET30a-EccPR),并獲得表達(dá)HrpNEccPR蛋白大腸桿菌工程菌,誘導(dǎo)獲得的HrpNEccPR蛋白純化后,具有激發(fā)植物免疫反應(yīng)的生物活性。
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