孫楊瑩,陳遠(yuǎn)志,蔡 葉,羅華斌,林敏梨,周 婷
(杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,浙江 杭州 311121)
Penicilliumexpansum俗稱青霉菌,屬于菌囊門(mén)不整囊菌綱曲霉目,是梨果類最主要的采后病原菌之一,宿主還包括枇杷、山楂、桃、葡萄、櫻桃、番茄、柑橘、冬棗等多種水果[1],該菌不僅導(dǎo)致果實(shí)腐爛,影響果實(shí)的風(fēng)味,還能分泌具有致癌作用的棒曲霉素(Patulin),阻礙果實(shí)衍生產(chǎn)品后續(xù)加工,嚴(yán)重危害消費(fèi)者健康[2].2017年,P.expansum主要宿主蘋(píng)果和梨的全國(guó)產(chǎn)量分別為4 139及1 640萬(wàn)噸,兩者總產(chǎn)量約占全國(guó)水果總產(chǎn)量的23%(第三次農(nóng)業(yè)普查修訂).因此,加強(qiáng)對(duì)P.expansum的防治,開(kāi)發(fā)更為有效的鮮果貯藏保鮮策略具有重要的應(yīng)用價(jià)值及現(xiàn)實(shí)意義.
目前,對(duì)P.expansum的防治主要包括低溫、農(nóng)藥、生物防治等.低溫貯藏所需能耗較大,許多鮮果在低溫下也容易發(fā)生冷害或凍害,且P.expansum屬于嗜冷性真菌,孢子抗逆性強(qiáng),耐低溫[3].農(nóng)藥是目前控制青霉屬致病菌的最重要的方法,但過(guò)量使用會(huì)污染環(huán)境并導(dǎo)致抗性菌株產(chǎn)生[4-5].生物防治是拮抗菌(多為細(xì)菌或酵母菌)通過(guò)營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)或菌絲間直接拮抗進(jìn)行病害防治的方法[6].生物防治受環(huán)境條件(溫度、濕度、空氣成分、營(yíng)養(yǎng)成分等)影響較大,應(yīng)用條件苛刻.此外,誘導(dǎo)采后果實(shí)抗性的策略也被廣泛認(rèn)可,例如熱激[7]、射線照射[8]、噴施氨基丁酸[9]等.但由于成本及其使用范圍限制,這些方法尚無(wú)法完全替代人工合成殺菌劑.
在此背景下,植物提取物、精油、抗真菌多肽、可食用膜等天然抑菌物質(zhì)的相關(guān)研究也取得很大進(jìn)展[10-13].肉桂油(Cinnamon oil)為樟科植物肉桂(CinnamomumcassiaPresl)的枝、葉經(jīng)蒸餾所得的芳香油,微黃或棕黃色澄清液體,氣味芳香辛辣、味甜、微溶于水,是一種重要的醛類芳香原料,主要成分為肉桂醛(苯基丙烯醛),含有羰基和苯環(huán)外共軛雙鍵,化學(xué)性質(zhì)活躍.此外還含有苯甲醛、水楊醛、苯乙酮、苯乙醇、氫化肉桂醛、反式肉桂醛、乙酸肉桂酯、α-甲氧基肉桂醛、苯乙酸芐酯等多種成分[14-15].具有抗心血管疾病、抗氧化、降血糖、消炎等多種藥理活性[16-18],并對(duì)病原真菌、細(xì)菌具有較強(qiáng)的抑制作用[19-21].近年來(lái),肉桂油用于采后病害的研究已取得了很多成果,對(duì)Colletotrichum屬、Fusarium屬、Rhizopus屬、Aspergillus屬、Cladosporiumcladosporiodes、Geotrichumcandidum以及Botrytiscinerea等采后病原真菌均有顯著的抑制作用[22-25].然而,這些研究多集中于防治效果,而對(duì)采后主要病原菌P.expansum細(xì)胞發(fā)育及次級(jí)代謝物合成的影響還鮮有報(bào)道,其明確的抑菌機(jī)制尚缺乏系統(tǒng)研究.
采后病害的防治首先建立在明確病原菌種類、分類地位及其生物學(xué)特性,尤其是對(duì)病原菌的生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律(生活史)的了解,從而明確病害發(fā)生、發(fā)展規(guī)律(侵染循環(huán))及其致病機(jī)理,在此基礎(chǔ)上才能針對(duì)性采取防病抗病措施.病原菌的生長(zhǎng)發(fā)育決定著病原菌的侵染結(jié)構(gòu)形成、致病因子產(chǎn)生、定殖以及擴(kuò)散,這一過(guò)程是通過(guò)一系列基因復(fù)雜的時(shí)序性表達(dá)完成的.在此背景下,本研究利用不同濃度肉桂油處理P.expansum,驗(yàn)證其體外及活體的抑菌效果,評(píng)估其對(duì)真菌毒素Patulin合成及其相關(guān)基因表達(dá)的影響,并對(duì)病原菌轉(zhuǎn)錄組水平的變化進(jìn)行了分析,研究結(jié)果有助于闡明肉桂油在分子水平上的抑菌機(jī)制及其對(duì)病原菌次級(jí)代謝物合成的影響,為肉桂油生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用及優(yōu)化防病抗菌措施提供理論基礎(chǔ).
Penicilliumexpansum分離自典型青霉病發(fā)病蘋(píng)果果實(shí),在PDA(Potato Dextrose Agar)培養(yǎng)基(BD,美國(guó))上培養(yǎng)備用;紅富士蘋(píng)果(MalusdomesticaBorkhcv. Red Fuji)和白梨(PyrusbretschneideriRehd.)購(gòu)自杭州下沙本地市場(chǎng);RNeasy Plant Mini Kit(Cat.74904)購(gòu)自德國(guó)Qiagen公司;Fast Quant RT Kit(Cat. KR106)購(gòu)自北京天根生化科技有限公司;2×Ultra SYBR mixture(With ROX)(Cat. CW0957)購(gòu)自江蘇康為世紀(jì)生物科技有限公司;定量引物由美國(guó)Invitrogen公司合成;肉桂油(Cat. A501966)、Patulin標(biāo)準(zhǔn)品(Cat.A606706)及其他主要試劑購(gòu)自上海生工生物工程有限公司.
在100 mL PDB(Potato Dextrose Broth)中加入適量P.expansum孢子懸浮液和肉桂油,調(diào)節(jié)孢子終濃度至1.0×106孢子/mL,肉桂油最終體積分?jǐn)?shù)分別為0、0.005%、0.01%、0.02%和0.03%.在25 ℃振蕩(200 r/min)培養(yǎng)16 h,分別在10、12、14、16 h統(tǒng)計(jì)孢子萌發(fā)率,當(dāng)芽管長(zhǎng)度大于等于孢子半徑時(shí)視為孢子萌發(fā).在培養(yǎng)12~16 h期間,每小時(shí)統(tǒng)計(jì)0.02%肉桂油處理組孢子的芽管長(zhǎng)度.每組隨機(jī)統(tǒng)計(jì)100個(gè)孢子,重復(fù)3次,整個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)2次.
將100 μL 1.0×106孢子/mLP.expansum孢子懸浮液涂布于PDA培養(yǎng)基上,獲取直徑為0.5 cm的菌餅.放置于含有25 mL PDA培養(yǎng)基(含0或0.02%肉桂油)的培養(yǎng)皿中央,每個(gè)處理包含10個(gè)重復(fù),25 ℃靜置培養(yǎng)9 d,每天統(tǒng)計(jì)病斑直徑.
在100 mL PDB(Potato Dextrose Broth)中加入P.expansum孢子懸浮液和適量肉桂油,調(diào)節(jié)孢子終濃度至1.0×106孢子/mL,使肉桂油體積分?jǐn)?shù)分別為0和0.02%,25 ℃靜置培養(yǎng).分別在培養(yǎng)后3、6、9 d離心收集上清液和菌絲.菌絲用于后續(xù)Patulin合成相關(guān)基因的表達(dá)分析,上清液用于Patulin檢測(cè).首先利用0.22 μm濾器(Albet,西班牙)對(duì)上清液進(jìn)行過(guò)濾,然后取10 μL進(jìn)行反相高效液相色譜分析(Waters,美國(guó)),層析柱為Waters XTerra RP18 column(Waters,美國(guó)),流動(dòng)相為5%的乙腈,參數(shù)設(shè)置如下:流速0.8 mL/min,柱溫18 ℃,檢測(cè)波長(zhǎng)276 nm.利用Patulin標(biāo)準(zhǔn)品繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線.
將上述收集的菌絲樣品在液氮中研磨,使用RNeasy Plant Mini Kit提取樣品總RNA,并利用Fast Quant RT Kit合成cDNA的第一鏈.Patulin合成相關(guān)基因(PatA、PatB、PatD、PatG、PatH、PatI、PatK、PatL和PatN)的定量引物序列參考Tannous等[26].利用2×Ultra SYBR mixture及CFX96- real Time System(Bio-Rad,美國(guó))進(jìn)行基因定量表達(dá)分析.反應(yīng)體系為20 μL,運(yùn)行參數(shù)如下:95 ℃/15 s,58 ℃/15 s,72 ℃/20 s,40次循環(huán).監(jiān)測(cè)SYBR Green的熒光變化及Ct(Threshold cycle)值,以β-tubulin基因作為內(nèi)參,利用2-△Ct表示靶基因的相對(duì)表達(dá)量.每個(gè)處理的每個(gè)基因重復(fù)檢測(cè)3次,整個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)1次.
在100 mL PDB中加入適量P.expansum孢子懸浮液和肉桂油,調(diào)節(jié)孢子終濃度至1.0×105孢子/mL,肉桂油體積分?jǐn)?shù)分別為0和0.04%,在25 ℃振蕩(200 r/min)培養(yǎng)6 h后備用.挑選大小均一、成熟度接近、無(wú)機(jī)械損傷及病蟲(chóng)害的蘋(píng)果和梨果實(shí),在2%次氯酸鈉中浸泡2 min,清水沖洗后室溫風(fēng)干.每組處理包含30個(gè)果實(shí),利用無(wú)菌接種針在果實(shí)赤道部分形成0.3 cm深的傷口,接入10 μL上述制備的孢子懸浮液,果實(shí)在25 ℃培養(yǎng)7 d,每日統(tǒng)計(jì)發(fā)病率及病斑直徑.
在100 mL PDB培養(yǎng)基中加入適量P.expansum孢子懸浮液和肉桂油,調(diào)節(jié)孢子終濃度至1.0×106孢子/mL,肉桂油體積分?jǐn)?shù)分別為0和0.02%,在25 ℃振蕩(200 r/min)培養(yǎng)6 h,離心收集孢子,無(wú)菌水漂洗2次后,液氮速凍,放置于-80 ℃超低溫冰箱中待用.樣品總RNA的制備、文庫(kù)構(gòu)建、上機(jī)測(cè)序及轉(zhuǎn)錄組分析(包含一次生物學(xué)重復(fù))由派諾森生物科技有限公司提供技術(shù)服務(wù),平臺(tái)為IlluminaNextSeq500測(cè)序系統(tǒng).原始數(shù)據(jù)通過(guò)FastQC(http://www.bioinformatics.babraham.ac.uk/projects/fastqc/)進(jìn)行質(zhì)量過(guò)濾質(zhì)控分析,利用bowtie2/tophat2及NCBInr(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行基因組比對(duì)及基因注釋,通過(guò)HTSeq(http://www-huber.embl.de/users/anders/HTSeq)統(tǒng)計(jì)比對(duì)到基因上的數(shù)值,然后通過(guò)DESeq(http://www-huber.embl.de/users/anders/DESeq)分析表達(dá)差異基因,最后按照表達(dá)量倍數(shù)差異(≥2或≤0.5)和表達(dá)差異顯著性P-value篩選出差異表達(dá)基因,同時(shí)利用Gene Ontology Consortium數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www.geneontology.org/)和Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www.genome.jp/kegg/)對(duì)差異表達(dá)基因進(jìn)行GO和KEGG功能注釋和富集分析.
使用SPSS軟件(SPSS,USA)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),利用One-way ANOVA和Duncan’s multiple range test進(jìn)行樣本間差異顯著性分析,P<0.05時(shí)表示差異顯著.
利用不同濃度的肉桂油處理P.expansum孢子,經(jīng)過(guò)12 h的培養(yǎng),對(duì)照組孢子的萌發(fā)率超過(guò)85%,而體積分?jǐn)?shù)為0.02%肉桂油處理組的孢子萌發(fā)率低于10%,隨著肉桂油濃度的進(jìn)一步增加,孢子萌發(fā)率繼續(xù)下降,因此確定肉桂油的抑菌作用是濃度依賴型,并采用0.02%作為后續(xù)研究的工作濃度(圖1a,圖2a).P.expansum孢子芽管在0.02%肉桂油處理下,伸長(zhǎng)速度顯著下降,培養(yǎng)16 h后,處理組的芽管長(zhǎng)度僅為對(duì)照組的1/2(圖1b).此外,P.expansum菌落擴(kuò)展速度和產(chǎn)孢量也明顯下降(圖1c,圖2b).
Patulin是P.expansum重要的次級(jí)代謝物之一,在0.02%肉桂油處理下,Patulin的合成顯著下降,培養(yǎng)9 d后,處理組的Patulin產(chǎn)量?jī)H為對(duì)照組的40%(圖1d).Patulin的合成涉及大量的酶促反應(yīng)及相關(guān)基因的表達(dá)調(diào)節(jié),在0.02%肉桂油的脅迫下,PatB、PatG、PatH和PatN的表達(dá)顯著下調(diào),PatL的表達(dá)顯著上調(diào),PatA的表達(dá)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),而PatD、PatI和PatK的表達(dá)在前期不受影響,隨著肉桂油處理時(shí)間的增加而顯著下降(圖3).
圖1 肉桂油對(duì)P. expansum孢子萌發(fā)率(a)、芽管伸長(zhǎng)(b)、菌落擴(kuò)展(c)及Patulin合成(d)的影響Fig.1 Effects of cinnamon oil on spore germination rate (a), germ tube elongation (b), colony expansion (c) and patulin biosynthesis (d) of P. expansum
在100 mL PDB培養(yǎng)基中調(diào)節(jié)P.expansum孢子終濃度至1.0×106孢子/mL,肉桂油體積分?jǐn)?shù)分別為0和0.02%,在25 ℃振蕩(200 r/min)培養(yǎng)6 h和12 h后拍攝;菌落形態(tài)圖片拍攝于接種后8 d.
圖2 肉桂油(0.02%)處理對(duì)P.expansum孢子萌發(fā)(a)及菌落形態(tài)(b)的影響
Fig.2 Effects of cinnamon oil (0.02%) treatment on spore germination (a) and colony morphology (b) ofP.expansum
誤差線代表標(biāo)準(zhǔn)誤,不同的小寫(xiě)字母代表顯著性差異P<0.05.
在前期工作中,利用不同濃度的肉桂油對(duì)蘋(píng)果和梨果實(shí)青霉病害進(jìn)行防治實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,肉桂油在較低濃度時(shí)防治效果不理想,當(dāng)體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.04%時(shí),防治效果顯著.本實(shí)驗(yàn)中,對(duì)照組和肉桂油處理組的接種果實(shí)均全部發(fā)病,但處理組的病斑擴(kuò)展速度明顯低于對(duì)照組,同時(shí)肉桂油的抑菌效果在蘋(píng)果和梨果實(shí)中基本一致(圖4).
果實(shí)圖片拍攝于接種后7 d;誤差線代表標(biāo)準(zhǔn)誤,不同的小寫(xiě)字母代表顯著性差異P<0.05.
孢子萌發(fā)是病原菌生命周期的重要過(guò)程之一,是侵染宿主的起始,決定病原菌致病力的重要因素.在25 ℃振蕩(200 r/min)培養(yǎng)條件下,培養(yǎng)6 h后P.expansum孢子基本完成體積膨大的過(guò)程,個(gè)別孢子甚至已經(jīng)萌發(fā),孢子形態(tài)完整;培養(yǎng)12 h后,孢子則基本全部萌發(fā),芽管清晰可見(jiàn),形態(tài)變化多樣(圖2a).因此,本研究選擇培養(yǎng)6 h的孢子進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析,該時(shí)間點(diǎn)對(duì)照組和處理組的樣品形態(tài)接近,背景較為簡(jiǎn)單清晰,利于尋找肉桂油的作用靶標(biāo).通過(guò)RNA-seq分析,下機(jī)數(shù)據(jù)通過(guò)質(zhì)控篩選,對(duì)照組和處理組分別獲得14 290 481 446 bp和8 283 354 519 bp高質(zhì)量數(shù)據(jù),占比原始數(shù)據(jù)86.77%和80.81%;匹配基因組序列總數(shù)分別為93 982 193和54 119 545,占比89.61%和92.10%;基因覆蓋率分別為99.13%和99.25%,基因組覆蓋率達(dá)到80.02%.通過(guò)表達(dá)量倍數(shù)差異和表達(dá)差異顯著性分析,共有140個(gè)基因表達(dá)下調(diào),245個(gè)基因表達(dá)上調(diào)(圖5).通過(guò)Gene ontology富集分析,大多數(shù)差異表達(dá)基因參與的生物學(xué)過(guò)程為oxidation-reduction process、chromosome segregation和catabolic process,富集在external encapsulating structure、extracellular region以及microtubule organizing center(圖6).通過(guò)KEGG富集分析發(fā)現(xiàn),大部分差異表達(dá)基因在外源物質(zhì)降解和次級(jí)代謝物代謝、糖代謝、脂代謝、細(xì)胞復(fù)制和修復(fù)等生物學(xué)途徑中發(fā)揮作用(圖7).
圖5 肉桂油(0.02%)處理誘導(dǎo)的P. expansum胞內(nèi)差異表達(dá)基因MA圖Fig.5 MA map of differentially expressed genes in P. expansum under cinnamon oil (0.02%) treatment
圖6 肉桂油(0.02%)處理誘導(dǎo)的P. expansum胞內(nèi)差異表達(dá)基因的GO富集分析Fig.6 GO enrichment analysis of differentially expressed genes in P. expansum under cinnamon oil (0.02%) treatment
圖7 肉桂油(0.02%)處理誘導(dǎo)的P. expansum胞內(nèi)差異表達(dá)基因的KEGG富集分析Fig.7 KEGG enrichment analysis of differentially expressed genes in P. expansum under cinnamon oil (0.02%) treatment
植物精油是利用水蒸氣蒸餾法、擠壓法、冷浸法等萃取的植物花、葉、根、莖或果實(shí)中的揮發(fā)性芳香物質(zhì),成分復(fù)雜多樣,包含的小分子酚類、萜烯類及醛酮類物質(zhì)是植物精油抑菌的主效成分.其抑菌方式一種是通過(guò)改變微生物細(xì)胞、菌絲體的形態(tài)結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成,造成細(xì)胞不可逆的損傷,誘發(fā)菌絲體溶解,最終導(dǎo)致微生物死亡[27-28].另外一種是抑制分生孢子的產(chǎn)生和萌發(fā),阻斷病原菌的擴(kuò)繁,最終導(dǎo)致微生物死亡[29-30].本研究所使用的肉桂油主要抑菌成分是肉桂醛[14],當(dāng)體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.02%時(shí),能夠顯著抑制P.expansum的孢子萌發(fā)、芽管伸長(zhǎng)、菌落擴(kuò)展以及Patulin的合成,當(dāng)體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.04%時(shí),對(duì)蘋(píng)果和梨果實(shí)的青霉病有良好的防治作用.
棒曲霉素Patulin是一種具有致畸形、致突變、致癌毒性的真菌毒素,是P.expansum的主要次級(jí)代謝產(chǎn)物,細(xì)胞內(nèi)由15個(gè)基因(PatA-PatO)組成的基因簇協(xié)同調(diào)控Patulin的合成.其中PatK催化acetate和malonate-CoA合成6-methylsalicylic acid,控制Patulin合成的起始;PatG催化6-methylsalicylic acid形成patulin的穩(wěn)定前體m-cresol;PatH和PatI催化m-cresol的連續(xù)羥基化形成gentisyl alcohol;PatN催化isoepoxydon轉(zhuǎn)化為phyllostine是Patulin合成途徑中的關(guān)鍵酶促反應(yīng)[2,26].本研究中,在肉桂油的脅迫下,除PatL以外的關(guān)鍵基因的表達(dá)隨著處理時(shí)間的增加均顯著下降,這與Patulin合成下降的表型是相一致的.PatL編碼一個(gè)包含Zn(II)2Cys6基序的轉(zhuǎn)錄因子,前人報(bào)道PatL能夠在多個(gè)生物學(xué)途徑中發(fā)揮作用,如敲除PatL基因能夠破壞細(xì)胞的形態(tài)構(gòu)成[31].因此,本研究中PatL表達(dá)上調(diào)表明該基因不僅僅與Patulin的合成相關(guān),還可能在基因簇以外的代謝途徑中發(fā)揮逆境響應(yīng)的作用.
轉(zhuǎn)錄組是指某個(gè)物種或特定細(xì)胞在某一生理功能狀態(tài)下,細(xì)胞內(nèi)所有轉(zhuǎn)錄的mRNA產(chǎn)物的集合,是連接基因組遺傳信息與生物功能的蛋白質(zhì)組的必然紐帶.通過(guò)轉(zhuǎn)錄組學(xué)的分析發(fā)現(xiàn),肉桂油處理對(duì)P.expansum分子水平上的影響非常廣泛.在獲得的385個(gè)差異表達(dá)基因中,大部分基因的編碼產(chǎn)物具有與離子或者DNA的結(jié)合活性以及具有蛋白結(jié)合和催化調(diào)節(jié)活性,主要分布于封裝結(jié)構(gòu)、胞外區(qū)域以及微管結(jié)構(gòu).從結(jié)構(gòu)上講,P.expansum培養(yǎng)6 h后,孢子完成了活化及膨脹的過(guò)程,體內(nèi)代謝活躍,處于即將萌發(fā)的狀態(tài),細(xì)胞形態(tài)即將發(fā)生劇烈改變[1].而微管在維持細(xì)胞形態(tài)、細(xì)胞分裂、信號(hào)傳導(dǎo)和物質(zhì)運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中起著重要作用[32].肉桂油處理下,相關(guān)基因的表達(dá)改變將對(duì)細(xì)胞的極性生長(zhǎng)和形態(tài)變化產(chǎn)生巨大影響.同時(shí),差異表達(dá)基因與萜類、醛酮類外源物質(zhì)的降解及次級(jí)代謝物的代謝密切相關(guān),表明病原菌在肉桂油脅迫下,胞內(nèi)應(yīng)激反應(yīng)活躍.此外,糖、脂、氨基酸等物質(zhì)是病原菌生命活動(dòng)及能量代謝的基礎(chǔ).通過(guò)差異表達(dá)基因的GO分析發(fā)現(xiàn),肉桂油處理對(duì)這些物質(zhì)的代謝造成了較大影響,差異表達(dá)基因的KEGG分析結(jié)果也與該結(jié)果相吻合.另外值得注意的是,差異表達(dá)基因與氧化還原作用的相關(guān)性最高,而肉桂油本身具有較強(qiáng)的抗氧化性[33].因此,推測(cè)肉桂油對(duì)病原菌胞內(nèi)的氧化還原水平的平衡造成了較大影響,進(jìn)而弱化或破壞對(duì)胞內(nèi)元件的功能,對(duì)病原菌的發(fā)育造成影響.