王玉宸,王欣玉,彭 龍1, *,袁志林1, *
(1.林木遺傳育種國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院,北京 100091;2.南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,江蘇 南京 210037;3.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所,浙江 杭州 311400)
荷伯生氏斜蓋傘(Clitopilushobsonii),在分類地位上屬于擔(dān)子菌門(Basidiomycota)傘菌目(Agaricales)粉褶蕈科(Entolomataceae)。基于最新的形態(tài)學(xué)特征和分子系統(tǒng)發(fā)育分析,斜蓋傘屬真菌可分3組:Clitopilus組、Scyphoides組和Crispi組,荷伯生氏斜蓋傘屬于Scyphoides組[1]。此真菌首次分離自櫟類林腐木[2],是典型的土壤腐生型真菌。本研究組在2017—2018年開展了多種國(guó)外櫟類樹種菌根組織真菌的資源調(diào)查、分離培養(yǎng)工作,發(fā)現(xiàn)荷伯生氏斜蓋傘從大果櫟(Quercusmacrocrpa)、舒瑪櫟(Q.shumardii)、牛櫟(Q.michauxii)、琴葉櫟(Q.lyrata)、白櫟(Q.fabri)等櫟類樹種的新鮮菌根組織中均能分離獲得,進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),該菌不僅能與多種苗木建立共生關(guān)系,形成類似“微菌核”的侵染結(jié)構(gòu),還能促進(jìn)苗木根系發(fā)育和養(yǎng)分吸收[3]。上述研究基礎(chǔ)證明荷伯生氏斜蓋傘不僅可從腐生型(saprotrophy)轉(zhuǎn)變?yōu)榧嫘曰铙w營(yíng)養(yǎng)型(facultative biotrophy),還可對(duì)植物產(chǎn)生一定的促生抗逆作用。因此,筆者認(rèn)為破譯該菌的遺傳信息(如制備荷伯生氏斜蓋傘的同核菌株)不僅能為豐富“外生菌根真菌起源自腐生真菌”這一觀點(diǎn)[4-5]提供更多基因組進(jìn)化證據(jù),還能為今后開展菌-植互惠機(jī)制研究奠定良好基礎(chǔ)。然而,傘菌目真菌大多為異核雙核體菌株,其基因組存在不同的雜合度,這將給基因組組裝帶來一定挑戰(zhàn)?!皢魏嘶弊鳛椤昂?jiǎn)化”復(fù)雜基因組的一種重要策略,也是有效開展異核體真菌全基因組測(cè)序分析的重要環(huán)節(jié)[6-8]。在遺傳上,把通過原生質(zhì)體再生法得到的單核體和同核體分別稱為單核原生質(zhì)體(protoplasted monokaryon)和同核原生質(zhì)體(protoplasted homokaryon),此現(xiàn)象則被稱為原生質(zhì)體單核化(monotikaryotization by protoplasting)[9]。菌體單核化的方法主要包括機(jī)械分割法、化學(xué)處理法、孢子分離法和原生質(zhì)體再生法[10-12]。機(jī)械分割法是基于體細(xì)胞的物理分離策略,獲得的單核體遺傳信息能完整、準(zhǔn)確地保留,但該方法對(duì)細(xì)胞破壞程度大,分割后細(xì)胞存活率降低,而且分割產(chǎn)物不均勻,單核體得率低;化學(xué)處理法是基于體細(xì)胞的化學(xué)分離策略,盡管單核體遺傳信息也能完整、準(zhǔn)確地保留,但對(duì)于處理?xiàng)l件要求嚴(yán)格,具有細(xì)胞毒性;孢子分離法是基于生殖細(xì)胞的分離策略,相比于其他制備單核體的方法,孢子分離法僅適用于產(chǎn)孢菌株的單核體制備,且單核孢子的形成需要經(jīng)過遺傳重組、減數(shù)分裂,因而遺傳信息無法完整保留;原生質(zhì)體再生法曾用于分離同宗結(jié)合菌雙孢蘑菇的同核體[13-15],由原生質(zhì)體再生形成的細(xì)胞核未經(jīng)過減數(shù)分裂及遺傳重組,親本細(xì)胞核內(nèi)的遺傳信息能被更完整、準(zhǔn)確地保留[13]。目前通過原生質(zhì)體再生獲得的單核、同核體菌株已被廣泛應(yīng)用于食用真菌雜交育種中親本材料的制備[9, 16-17]。
本研究利用原生質(zhì)體再生法制備荷伯生氏斜傘同核體菌株,即僅具有1種基因型的純合體,并通過形態(tài)學(xué)特征、細(xì)胞核染色及基因雜合位點(diǎn)檢測(cè)加以論述,為該菌種的科學(xué)制備提供參考。
1.1.1 供試菌株
荷伯生氏斜蓋傘(C.hobsonii)(菌株編號(hào):QYL-10),分離自琴葉櫟(Q.lyrata)1年生實(shí)生幼苗菌根組織[18],保藏于中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所。
1.1.2 主要試劑與儀器設(shè)備
真菌DNA快速提取試劑盒購(gòu)自北京艾德萊生物科技有限公司(貨號(hào):DN4102);PCR引物合成、擴(kuò)增產(chǎn)物測(cè)序均由擎科生物科技有限公司完成;PCR反應(yīng)試劑盒購(gòu)自擎科生物科技有限公司;裂解酶(lysing enzyme)購(gòu)自Sigma公司,用0.5 mol/L蔗糖溶液配置成質(zhì)量濃度為10 μg/μL的工作液后經(jīng)0.22 μm微孔濾膜過濾除菌備用;4′,6-二脒基-2-苯基吲哚(4′,6-diamidino-2-phenylindole,DAPI)購(gòu)自Sigma公司,用無菌水配置成質(zhì)量濃度為50 μg/mL的母液,使用前用磷酸鹽(PBS)緩沖液(pH 6.8,濃度0.1 mol/L)稀釋成質(zhì)量濃度為5 μg/mL的工作液[19];其他化學(xué)試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。全溫振蕩器(THZ-C-1,蘇州培英實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司);PCR擴(kuò)增儀(MyCycler,Bio-Rad公司);電泳儀(DYY-6C,北京六一儀器廠);立式壓力蒸汽滅菌器(LDZF-50KB-Ⅱ,上海申安醫(yī)療機(jī)器廠);光學(xué)顯微鏡(Axio Scope A1,德國(guó)卡爾蔡司公司);激光共聚焦熒光顯微鏡(LSM700,德國(guó)卡爾蔡司公司)。
1.1.3 培養(yǎng)基與緩沖液
馬鈴薯固體(PDA)培養(yǎng)基;麥芽浸汁固體(MYG)培養(yǎng)基:10 g葡萄糖,4 g酵母提取物,10 g麥芽提取物,15 g瓊脂,0.5 mol蔗糖溶液,pH 7.0。麥芽浸汁液體(YMG)培養(yǎng)基:10 g葡萄糖,4 g酵母提取物,10 g麥芽提取物,0.5 mol蔗糖溶液,pH 7.0。滲透壓穩(wěn)定劑:0.5 mol/L蔗糖溶液。
1.2.1 原生質(zhì)體制備
QYL-10菌絲細(xì)胞原生質(zhì)體制備參考鮑大鵬等[20]的方法并做改動(dòng)。將10個(gè)直徑6 mm的菌餅接種至YMG液體培養(yǎng)基,25 ℃、120 r/min培養(yǎng)7 d。然后收集菌絲體,用無菌水洗滌3次,再用滲透壓穩(wěn)定劑洗滌1次。將洗凈后的菌絲體置于10 g/L裂解酶溶液中(1 g菌絲/5 mL酶液),在37 ℃下80 r/min震蕩酶解3 h。酶解后將菌絲酶解液經(jīng)無紡布過濾,得到較純的原生質(zhì)體懸液,將所得濾液在4 ℃下3 000 r/min離心10 min,棄上清,得到原生質(zhì)體沉淀;用滲透壓穩(wěn)定劑沖洗2次,棄上清,保留沉淀;用1 mL滲透壓穩(wěn)定劑重懸沉淀。將得到的原生質(zhì)體重懸液置于光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行鏡檢,用血球計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)并記錄拍照原生質(zhì)體形態(tài)。經(jīng)血球計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù),原生質(zhì)體數(shù)量濃度為1×106個(gè)/mL。
1.2.2 原生質(zhì)體再生
將100 μL原生質(zhì)體重懸液均勻涂布于MYG培養(yǎng)基上,25 ℃避光培養(yǎng),每天觀察菌落生長(zhǎng)情況。挑取10 d后長(zhǎng)出的再生菌落轉(zhuǎn)接至PDA固體培養(yǎng)基上,25 ℃避光培養(yǎng)。
1.3.1 再生菌株與出發(fā)雙核體菌落的培養(yǎng)
菌落形態(tài)特征觀察:用直徑為6 mm的打孔器沿再生菌株、出發(fā)菌株的菌落邊緣打孔,分別接種于PDA培養(yǎng)基上,置于25 ℃培養(yǎng)箱,避光培養(yǎng)12 d后觀察菌落表型特征(包括菌落正反面及邊緣特征、色素、生長(zhǎng)速度等),拍照記錄。
1.3.2 再生菌株與出發(fā)菌株生長(zhǎng)速度測(cè)定
用直徑為6 mm的打孔器沿再生菌株、出發(fā)菌株的菌落邊緣打孔,分別接種于PDA培養(yǎng)基中心,25 ℃避光培養(yǎng),以十字交叉法測(cè)量菌落直徑,計(jì)算菌絲的生長(zhǎng)速度(mm/d),設(shè)置3次生物學(xué)重復(fù)。
1.3.3 菌絲形態(tài)觀察
用直徑為6 mm的打孔器沿再生菌株、出發(fā)菌株的菌落邊緣打孔,分別接種于PDA培養(yǎng)基上,25 ℃避光培養(yǎng)3 d,在菌落邊緣斜插入無菌蓋玻片,待菌絲延伸至蓋玻片2/3處時(shí),在無菌條件下取出蓋玻片,制片后置于光學(xué)顯微鏡下鏡檢,在100倍顯微鏡下觀察此兩類菌株的菌絲是否存在鎖狀聯(lián)合結(jié)構(gòu)。
1.3.4 細(xì)胞核熒光染色及觀察
參考胡曉棣等[21]的方法并稍做改動(dòng)。用鑷子取出經(jīng)插片培養(yǎng)附著有菌絲體的蓋玻片,擦去背面菌絲,向菌絲附著位置均勻滴加50 μL DAPI染色工作液(5 μg/mL),在4 ℃、避光條件下對(duì)再生菌株、出發(fā)菌株的菌絲進(jìn)行細(xì)胞核熒光染色,10~15 min后用PBS緩沖液(pH 6.8,0.1 mol/L)洗滌3次。將蓋玻片附著菌絲一面朝下置于滴有PBS緩沖液的載玻片上,置于激光共聚焦熒光顯微鏡63倍鏡下觀察,激發(fā)光與發(fā)射光波長(zhǎng)分別為340、488 nm。
1.3.5 基因雜合位點(diǎn)鑒定
用真菌基因組DNA快速提取試劑盒分別提取荷伯生氏斜蓋傘再生菌株、出發(fā)菌株的基因組DNA。采用fRPB2-5F/fRPB2-7cR和983F/2218R兩對(duì)引物分別擴(kuò)增rpb2[22]和tef[23]基因片段。
PCR擴(kuò)增體系(50 μL)如下:25 μL 1-5TM2×High-Fidelity Master Mix,1 μL模板DNA(10~20 ng/μL),上下游引物各2 μL(10 μmol/L),20 μL ddH2O。rpb2基因PCR擴(kuò)增程序:95 ℃預(yù)變性4 min;95 ℃變性40 s,55 ℃退火50 s,72 ℃延伸1.5 min,擴(kuò)增35個(gè)循環(huán);72 ℃延伸10 min。
采用降落PCR(touch-down PCR)方法擴(kuò)增tef基因,降落PCR程序:94 ℃預(yù)變性4 min;94 ℃變性40 s,66 ℃退火50 s,每循環(huán)下降1 ℃,72 ℃延伸1.5 min,擴(kuò)增10個(gè)循環(huán);94 ℃變性40 s,56 ℃退火50 s,72 ℃延伸1.5 min,擴(kuò)增30個(gè)循環(huán);最后72 ℃延伸10 min。PCR擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)后送擎科生物科技有限公司進(jìn)行雙向測(cè)序。采用SeqMan 5.0軟件分別對(duì)再生菌株、出發(fā)菌株的rpb2基因和tef基因進(jìn)行核酸序列比對(duì)和雙峰雜合位點(diǎn)鑒定。
使用SPSS 20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,采用t檢驗(yàn)進(jìn)行差異顯著性分析(α=0.05);菌株生長(zhǎng)速度以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。
通過酶解實(shí)驗(yàn),成功獲得了荷伯生氏斜蓋傘原生質(zhì)體(圖1A),在MYG再生培養(yǎng)基上培養(yǎng)10 d后可觀察到兩種形態(tài)的菌落(圖1B)。其中一類表現(xiàn)為菌絲快速萌發(fā)(大多出現(xiàn)在再生培養(yǎng)前期),將其轉(zhuǎn)接至PDA培養(yǎng)基上培養(yǎng),此類菌絲萌發(fā)后呈稀薄毛氈狀,形成的菌落邊緣呈放射狀,與出發(fā)菌落形態(tài)差異較小(圖1C);另一類表現(xiàn)為菌絲緩慢萌發(fā)(大多出現(xiàn)在再生培養(yǎng)后期),轉(zhuǎn)接至PDA培養(yǎng)基上培養(yǎng),此類菌絲萌發(fā)后呈濃密絨毛狀,形成的菌落有裂褶狀紋路且邊緣明顯,與出發(fā)菌落形態(tài)差異大(圖1D),推測(cè)后者可能是潛在的同核菌株。隨機(jī)挑取50個(gè)菌落轉(zhuǎn)接至PDA固體培養(yǎng)基用于后續(xù)鑒定分析。
A.原生質(zhì)體形態(tài)protoplast morphology;B. MYG培養(yǎng)基表面再生菌落regenerated colonies on MYG medium;C. PDA培養(yǎng)基表面再生菌落類型Ⅰ regenerated colony type Ⅰ on PDA medium;D. PDA培養(yǎng)基表面再生菌落類型Ⅱ regenerated colony type Ⅱ on PDA medium。圖1 荷伯生氏斜蓋傘再生菌落形態(tài)Fig.1 Protoplast and colony morphology of regenerated strains of C. hobsonii
以其中1株與出發(fā)菌株具有明顯差異的再生菌株為材料,比較再生菌株與出發(fā)菌株間的菌落形態(tài)特征和生長(zhǎng)速度差異。培養(yǎng)結(jié)果表明再生菌株萌發(fā)后呈輻射狀生長(zhǎng),菌絲呈濃密絨毛狀,菌落表面形成裂褶,有深黃色色素分泌(圖2A)(表1)。出發(fā)菌株萌發(fā)后則呈現(xiàn)輪紋狀生長(zhǎng),菌絲呈稀薄毛氈狀,菌落表面形成輪狀紋,有淡黃色色素分泌(圖2B)。
A. PDA培養(yǎng)基表面再生菌株菌落(左正、右反)colony of regenerated strains (front and reverse) on PDA culture medium;B. PDA培養(yǎng)基表面出發(fā)菌株菌落(左正、右反)colony of original strains (front and reverse) on PDA culture medium。圖2 荷伯生氏斜蓋傘再生菌株與出發(fā)菌株菌落及其形態(tài)特征Fig.2 Colony and morphological characteristics of regenerated and original strains of C. hobsonii
此外,出發(fā)菌株的菌絲生長(zhǎng)速度為(5.72±0.07) mm/d,再生菌株的菌絲生長(zhǎng)速度為(2.82±0.03) mm/d,顯著低于出發(fā)菌株的菌絲生長(zhǎng)速度(P<0.01)(表1)。
表1 再生菌株與出發(fā)菌株的生長(zhǎng)特征比較
鎖狀聯(lián)合是擔(dān)子菌特有的菌絲結(jié)構(gòu)特征[24-25]。然而,不同于多數(shù)擔(dān)子菌,在荷伯生氏斜蓋傘出發(fā)菌株與再生菌株的菌絲中均未見鎖狀聯(lián)合結(jié)構(gòu)(圖3)。
此外,DAPI細(xì)胞核染色結(jié)果表明:再生菌株的幼齡菌絲中可觀察到少量具有單個(gè)細(xì)胞核的菌絲細(xì)胞,相鄰細(xì)胞核之間被隔膜分開(圖4B),但大部分菌絲細(xì)胞仍呈現(xiàn)雙細(xì)胞核且與單核細(xì)胞共存(圖4A);出發(fā)菌株的菌絲細(xì)胞中均含有兩個(gè)細(xì)胞核(圖4C)。
A.再生菌株regenerated strains;B. 出發(fā)菌株original strains。圖3 荷伯生氏斜蓋傘再生菌株與出發(fā)菌株的菌絲形態(tài)Fig.3 Hyphal morphologies of the regenerated andoriginal strains of C.hobsonii
A. 再生菌株單、雙核共存現(xiàn)象binuclear and mononuclear coexist phenomenon of regenerated strains;B. 再生菌株單核現(xiàn)象mononuclear phenomenon of regenerated strains;C. 出發(fā)菌株original strains;箭頭表示隔膜the arrows indicate septa in mycelia。圖4 荷伯生氏斜蓋傘再生菌株與出發(fā)菌株細(xì)胞核熒光顯微觀察結(jié)果Fig.4 Fluorescence microscopy of the mycelia of the regenerated and original strains of C. hobsonii
由于異核體菌株基因型雜合,因此在基因Sanger測(cè)序峰圖中通常出現(xiàn)套峰現(xiàn)象,即存在雜合位點(diǎn);而同核菌株基因型理論上應(yīng)該是純合的[26],不存在雜合位點(diǎn)。通過對(duì)rpb2和tef基因片段擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行電泳檢測(cè)(圖5A),對(duì)擴(kuò)增序列峰圖進(jìn)行比對(duì)發(fā)現(xiàn),出發(fā)菌株存在多個(gè)雜合位點(diǎn),尤其是rpb2基因(圖5B1、5B3);而再生菌株均未發(fā)現(xiàn)雜合位點(diǎn)(圖5B2、5B4)。
A.荷伯生氏斜蓋傘出發(fā)菌株與再生菌株tef、rpb2基因PCR擴(kuò)增產(chǎn)物電泳檢測(cè)圖PCR amplification results of tef and rpb2 from original and regenerated strains of C. hobsonii:M. DL2000 PCR Marker;B. 出發(fā)菌株與再生菌株tef、 rpb2基因部分序列峰圖partial tef and rpb2 sequence chromatograms from original and regenerated strains。 1. 出發(fā)菌株tef 基因tef from original strains;2. 再生菌株tef基因 tef from regenerated strains;3. 出發(fā)菌株rpb2基因 rpb2 from original strains;4. 再生菌株rpb2基因 rpb2 from regenerated strains;NC. 陰性對(duì)照negative control. 紅色箭頭指示套峰the red arrows indicate bimodal site.圖5 荷伯生氏斜蓋傘出發(fā)菌株與再生菌株rpb2、tef基因PCR檢測(cè)及部分序列峰圖Fig.5 PCR identification and partial rpb2 and tef sequence chromatograms from original and regenerated strains of C. hobsonii
本研究采用原生質(zhì)體制備和再生篩選技術(shù)獲得了荷伯生氏斜蓋傘同核體菌株。比較再生菌株與出發(fā)菌株,發(fā)現(xiàn)再生菌株與出發(fā)菌株形態(tài)差異顯著,且菌絲生長(zhǎng)速度顯著低于出發(fā)菌株,這與單倍型純合體菌株的性狀較吻合[10, 25]。本研究顯示荷伯生氏斜蓋傘菌絲不具備雙核擔(dān)子菌常見的鎖狀聯(lián)合結(jié)構(gòu),這與Singer[27]認(rèn)為斜蓋傘屬真菌缺乏鎖狀聯(lián)合結(jié)構(gòu)這一結(jié)論一致,因此不能直接通過有無鎖狀聯(lián)合結(jié)構(gòu)判斷細(xì)胞核分布情況[24-25]。與常見研究不同,本研究通過原生質(zhì)體再生獲得了雙核同核體菌株(偶見單核),而非典型的單核體菌株[16-17]。為了確認(rèn)雙細(xì)胞核的異同情況,筆者再次對(duì)兩個(gè)基因片段進(jìn)行PCR擴(kuò)增和Sanger測(cè)序,結(jié)果證實(shí)再生菌株依然不存在雜合位點(diǎn)。此外,同類研究結(jié)果顯示無論是單、雙或多核的同核菌株,其菌落形態(tài)特征與異核菌株均有顯著差異[28],與本研究結(jié)果相符。綜上,該結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)本研究獲得的再生菌株無論是雙核菌絲細(xì)胞還是單核菌絲細(xì)胞,都屬于單倍型純合體。
本研究所采用的原生質(zhì)體再生法常用以獲得異宗結(jié)合型食用菌單核育種材料,在次級(jí)同宗結(jié)合型菌中則獲得同核體[9, 16-17],如雙孢蘑菇經(jīng)原生質(zhì)體再生獲得的同核菌株[13-15]。因此,認(rèn)為本研究中荷伯生氏斜蓋傘單核原生質(zhì)體經(jīng)再生萌發(fā)后以次級(jí)同宗結(jié)合型真菌生活方式進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng),即初生單核菌絲不需經(jīng)過異體菌絲融合就能發(fā)生雙核化,從而完成生活史,故盡管在初期偶見單核現(xiàn)象,其他時(shí)期菌絲細(xì)胞仍呈現(xiàn)雙核狀態(tài),類似現(xiàn)象在香菇同核菌株中也有見報(bào)道,即在香菇菌絲的不同營(yíng)養(yǎng)發(fā)育階段,可觀察到無核、單核、雙核與多核等多種表型[29]。
此外,本研究?jī)H獲得了其中1種基因型的荷伯生氏斜蓋傘菌株,不符合分離比例為1∶1的預(yù)期值,這與靈芝(Ganodermalucidum)、香菇(Lentinulaedodes)等擔(dān)子菌單核菌株分離結(jié)果類似[17, 24]。一般認(rèn)為可能有以下原因,首先兩種交配型的等位基因或基因表達(dá)差異導(dǎo)致的菌絲生長(zhǎng)速度差異過大[30-33],其次也可能是在原生質(zhì)體游離過程中線粒體在每個(gè)單核中的分配不均,影響菌絲生長(zhǎng)速度[34-35]。由于其中一種基因型的同核菌絲的再生速度較快,推測(cè)其為再生前期出現(xiàn)的菌落,因此容易獲得;而另一種基因型的同核菌絲再生能力較弱,推測(cè)其為再生后期出現(xiàn)的菌落,但由于異核菌絲生長(zhǎng)極為迅速,導(dǎo)致再生后期出現(xiàn)的菌落被異核菌絲覆蓋,增加了篩選難度[28]。本研究共挑選了約200株再生菌株,最終得到4株同核體菌株。今后工作可以圍繞裂解酶、酶濃度、酶解時(shí)間、菌齡及培養(yǎng)條件等因素進(jìn)行優(yōu)化,以期更高效地獲得2種單倍型同核菌株。