張麗勍,安海山,方獻平,李水根,張學(xué)英
(上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院林木果樹研究所,上海市設(shè)施園藝技術(shù)重點實驗室,上海 201403)
上海草莓產(chǎn)業(yè)發(fā)展優(yōu)勢明顯,2015—2019年上海郊區(qū)草莓生產(chǎn)面積在1 533.33—2 066.67 hm2,總產(chǎn)值在4.71億—6.18億元(人民幣,下同)。由炭疽菌屬(Colletotrichum)真菌引起的草莓炭疽病是草莓生產(chǎn)上的一種重要病害,發(fā)生嚴(yán)重年份草莓死苗率達80%,減產(chǎn)達50%以上[1]。果生炭疽菌C.fructicola是華東地區(qū)草莓炭疽病的主要病原之一[2]。目前果生炭疽菌的全基因組測序已完成,這為該物種的研究起到了極大地促進作用[3]。
Rab蛋白家族是Ras(rat sarcoma)超家族的最大亞族,通過GTP結(jié)合態(tài)之間的構(gòu)象變化起到分子開關(guān)的作用,只有GTP結(jié)合活性態(tài)能夠與下游效應(yīng)子相互作用,以促進膜運輸過程中的多種功能,如囊泡形成、運輸、對接和融合等[4-5]。Rab蛋白是膜運輸?shù)闹饕{(diào)節(jié)子,最早在酵母菌(Saccharomyces cerevisiae)中被發(fā)現(xiàn)[6]。在真菌中,Rab蛋白家族的數(shù)量穩(wěn)定在7到12個,每個蛋白負(fù)責(zé)膜轉(zhuǎn)運途徑的一個特定階段[7]。對子囊菌門和擔(dān)子菌門真菌Rab蛋白進行生物信息學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)這兩類真菌均具有5個核心Rab蛋白,其中,3個Rab蛋白(Rab1、Rab11和Rab8)在胞吐過程中起作用,2個Rab蛋白(Rab5和Rab7)作用于胞吞作用[8]。除上述功能之外,Rab蛋白還能夠在自噬及病原真菌侵染等過程中發(fā)揮作用[9-11]。目前,在灰霉菌(Botrytis cinerea)[11]、構(gòu)巢曲霉(Aspergillus nidulans)[12]、稻瘟菌(Magnaporthe oryzae)[13]、玉米黑粉菌(Ustilago maydis)[14]及禾谷鐮刀菌(Fusarium graminearum)[15]等絲狀真菌中均有報道,如在灰霉菌(Botrytis cinerea)中,將Rab8同源基因Bcsas1敲除后,灰霉菌產(chǎn)孢量顯著降低,且菌絲生長速率極為緩慢,對番茄果實的致病力顯著下降[11]。但在果生炭疽菌中尚無Rab蛋白的相關(guān)報道。基于此,為了更好了解Rab蛋白的生物學(xué)功能及其在真菌侵染植物過程中發(fā)揮的作用,本研究利用NCBI網(wǎng)站(https:∕∕www.ncbi.nlm.nih.gov∕)公布的果生炭疽菌基因組數(shù)據(jù)和注釋信息,從全基因組水平上鑒定果生炭疽菌中Rab蛋白成員,并采用生物信息學(xué)手段果生炭疽菌Rab蛋白進行理化性質(zhì)、親疏水性和亞細(xì)胞定位等分析,預(yù)測Rab蛋白的三級結(jié)構(gòu),以期為后續(xù)果生炭疽菌Rab蛋白的功能研究奠定基礎(chǔ),為闡明果生炭疽菌的致病機制和建立草莓炭疽病的防控新方法指明方向。
果生炭疽菌全基因組數(shù)據(jù)來自NCBI網(wǎng)站(https:∕∕www.ncbi.nlm.nih.gov∕)。PDA固體培養(yǎng)基:馬鈴薯200 g,煮沸15 min,葡萄糖20 g,瓊脂粉20 g,定容至1 L。PDB液體培養(yǎng)基:馬鈴薯200 g,煮沸15 min,葡萄糖20 g,定容至1 L。CMC培養(yǎng)基:羧甲基纖維素鈉15 g,磷酸二氫鉀1 g,七水合硫酸鎂0.5 g,硝酸銨1 g,酵母提取物1 g,加蒸餾水到1 L。以上培養(yǎng)基均經(jīng)高壓滅菌后室溫保存。
1.2.1 果生炭疽菌Rab蛋白的生物信息學(xué)分析
Rab蛋白的篩選采用李源等[16]的方法,(1)利用已發(fā)表的酵母菌(S.cerevisiae)中的11個Rab蛋白的氨基酸序列在果生炭疽菌全基因組數(shù)據(jù)庫中進行BLAST比對分析,E-value設(shè)為0.001。(2)利用Rab蛋白質(zhì)家族數(shù)據(jù)庫(http:∕∕www.rabdb.org∕)對果生炭疽菌基因組編碼的Rab蛋白進行分析,E-value設(shè)為0.001。最終明確果生炭疽病菌中Rab蛋白的數(shù)量、登錄號、氨基酸序列等信息。
利用Expasy網(wǎng)站中的ProtParam(https:∕∕web.expasy.org∕protparam∕)及Computer PI∕MW軟件對Rab蛋白理化性質(zhì)進行分析;利用CBS平臺的SignalP-5.0 Server(http:∕∕www.cbs.dtu.dk∕services∕SignalP∕)及TMHMM Server v.2.0(http:∕∕www.cbs.dtu.dk∕services∕TMHMM∕)預(yù)測Rab蛋白N端信號肽及跨膜結(jié)構(gòu)域;利用Protscale(https:∕∕www.expasy.org∕search∕Protscale)對Rab蛋白進行親疏水性預(yù)測;利用ProtComp v9.0(www.softberry.com)對Rab蛋白進行亞細(xì)胞定位分析。
1.2.2 Rab蛋白質(zhì)二級、三級結(jié)構(gòu)預(yù)測
采用Phyre2(http:∕∕www.sbg.bio.ic.ac.uk∕phyre2∕html∕page.cgi?id=index)對Rab蛋白的二級及三級結(jié)構(gòu)進行在線分析。
1.2.3 果生炭疽菌Rab蛋白系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建及保守結(jié)構(gòu)域分析
利用ClustalX軟件對果生炭疽菌Rab蛋白進行氨基酸序列多重比對,利用MEGA7.0中的鄰近法進行系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建,bootstrap值設(shè)置為1 000;利用在線著色網(wǎng)站BoxShade(http:∕∕www.ch.embnet.org∕software∕BOX_form.html)對果生炭疽菌Rab蛋白比對的氨基酸同源序列進行序列著色。
1.2.4 絲狀真菌Rab蛋白系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建
利用ClustalX軟件對已報道的酵母菌(S.cerevisiae)、構(gòu)巢曲霉(A.nidulans)、粗糙脈孢菌(Neurosporacrassa)、稻瘟病菌(M.oryzae)、禾谷鐮刀菌(F.graminearum)及禾谷炭疽菌(C.graminicola)Rab蛋白氨基酸序列及果生炭疽菌的Rab蛋白氨基酸序列進行多重序列比對,利用MEGA7.0中的鄰近法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹,bootstrap值設(shè)置為1 000。
1.2.5 Rab在病原菌生長和侵染寄主過程中的表達量
在PDA培養(yǎng)基上活化果生炭疽菌菌株,28℃條件下培養(yǎng)5 d,挑取6—8塊菌絲至液體PDB培養(yǎng)基中,28℃、180 r∕min,振蕩培養(yǎng)5—7 d,過濾收集菌絲,用無菌水進行洗滌,錫箔紙包好,迅速放入液氮。用接種針挑取菌餅接種到含有100 mL CMC液體培養(yǎng)基的150 mL錐形瓶中,28℃、180 r∕min培養(yǎng)4 d。過濾,6 000 r∕min高速離心10 min,收集孢子,迅速放入液氮。
參照柯智健等[17]的方法配制孢子懸浮液,將濃度為106個∕mL的果生炭疽菌野生型菌株的分生孢子懸浮液(孢子懸浮液中加入0.05%Tween)分別倒入噴霧器中,均勻噴灑,直至草莓植株葉片上霧滴滴下為止。28℃下覆膜黑暗保濕24 h后恢復(fù)正常光照,光照和黑暗各12 h,濕度大于80%。于接菌后的48 h(葉片出現(xiàn)病斑)采集草莓葉片組織,將其迅速至于液氮中,速凍后置于-80℃?zhèn)溆谩?/p>
依據(jù)Rab基因CDS區(qū)序列,利用軟件Primer 5.0設(shè)計引物,引物名稱及序列見表1。引物序列由生工生物工程(上海)股份有限公司合成。內(nèi)參基因actin作為對照,按照SYBR Premix Ex Taq Kit試劑盒[寶生物工程(大連)有限公司]說明進行熒光定量PCR(qRT-PCR),基因表達量用相對閾值法(2ΔΔCT)計算,使用軟件GraphPad Prism 5分析并作圖。
表1 qRT-PCR引物信息Table 1 qRT-PCR primer informations
通過與釀酒酵母(S.cerevisiae)中的4個Rab蛋白的氨基酸序列進行BLAST比對分析,并在Rab蛋白質(zhì)家族數(shù)據(jù)庫(http:∕∕www.rabdb.org∕)中進行搜索,最終共鑒定出果生炭疽菌10個Rab蛋白(表2),分別將其命名為CfRab1、CfRab2、CfRab4、CfRab5A、CfRab5B、CfRab6、CfRab7、CfRab8、CfRab11、CfRabX1(表2)。
表2 果生炭疽菌Rab蛋白基本信息Table 2 The general information of C.fructicola Rab proteins
利用ProtParam及Computer PI∕MW軟件對果生炭疽菌Rab蛋白的理化性質(zhì)進行分析,結(jié)果見表3。Rab蛋白的分子量介于21.08—35.43 ku,等電點在4.87—9.15。CfRab7、CfRab8和CfRabX1為不穩(wěn)定蛋白,其余均為穩(wěn)定蛋白。利用SignalP-5.0 Server對果生炭疽菌Rab蛋白的信號肽分析表明,10個Rab蛋白均不含有信號肽。選用TMHMM軟件對10個Rab蛋白進行跨膜結(jié)構(gòu)域的預(yù)測,10個Rab蛋白均不含有跨膜結(jié)構(gòu)域(表3)。
表3 果生炭疽菌Rab蛋白理化性質(zhì)及信號肽分析Table 3 The basic physicochemical property and signal peptide analysis of C.fructicola Rab proteins
利用Protscale對10個Rab蛋白進行疏水性分析,結(jié)果見表4,CfRab1中位于125位的蛋氨酸(M),其親水性最強,為-2.433,位于11位的亮氨酸(L),其親水性最弱,為1.878;CfRab2中位于176位的天冬氨酸(D),其親水性最強,為-2.756,而位于162位的纈氨酸(V),其親水性最弱,為2.211;CfRab4中位于299、300位的半胱氨酸(C),其親水性最強,為-3.511,而位于33位的異亮氨酸(I),其親水性最弱,為1.844;CfRab5A中位于39位的谷氨酰胺(Q),其親水性最強,為-2.844,而位于121位的異亮氨酸(I),其親水性最弱,為2.289;CfRab5B中位于198位的脯氨酸(P),其親水性最強,為-2.656,而位于27位的甘氨酸(G),其親水性最弱,為1.878;CfRab6中位于130位的谷氨酸(E)和131位的丙氨酸(A),其親水性最強,為-2.656,而位于106和107位的異亮氨酸(I),108位的纈氨酸(V)其親水性最弱,為2.000;CfRab7中位于113位的精氨酸(R)親水性最強,為-2.300,而位于11位的纈氨酸(V),其親水性最弱,為2.722;CfRab8中位于181位的天冬酰胺(N),其親水性最強,為-3.022,而位于13位的亮氨酸(L),其親水性最弱,為2.522;CfRab11中位于68位的谷氨酰胺(Q)親水性最強,為-2.233,而位于12位的纈氨酸(V),其親水性最弱,為2.422;CfRabX1中位于243位的賴氨酸(K)親水性最強,為-2.437,而位于87位的半胱氨酸(C),其親水性最弱,為1.867。
表4 果生炭疽菌Rab親水性及疏水性氨基酸殘基位置Table 4 The hydrophobic and hydrophilic amino acid residue position of Rab in C.fructicola
利用ProtComp 9.0在線分析果生炭疽菌Rab蛋白的亞細(xì)胞定位,結(jié)果表明:CfRab1和CfRab7蛋白位于質(zhì)膜的得分較高,CfRab4蛋白位于線粒體的得分較高。CfRab2、CfRab5A、CfRab5B、CfRab6、CfRab8、CfRab11和CfRabX1這7個Rab蛋白位于高爾基體的得分較高(表5)。但Rab蛋白具體定位情況,還有待后續(xù)通過試驗進行驗證。
表5 果生炭疽菌Rab蛋白亞細(xì)胞定位得分Table 5 Points of subcellular localization prediction of C.fructicola Rab proteins
10個Rab蛋白均含有α螺旋結(jié)構(gòu)和β轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu),10個Rab蛋白所含α螺旋結(jié)構(gòu)均高于β轉(zhuǎn)角(圖1)。對三級結(jié)構(gòu)進行預(yù)測并進行模擬發(fā)現(xiàn),Rab1及Rab8的蛋白結(jié)構(gòu)與模型d2bcgy1具有很高的相似性,序列覆蓋率均為93%,置信度(Confidence)均為100%。Rab2、Rab3、Rab4、Rab5、Rab6和Rab10的蛋白結(jié)構(gòu)與模型c5c2kA蛋白具有很高的相似性,序列覆蓋率分別為70%、58%、81%、79%、88%和61%,置信度(Confidence)均為100%。Rab7、Rab9和Rab11的蛋白結(jié)構(gòu)與模型c6jmgA具有很高的相似性,序列覆蓋率分別為93%、86%和93%,置信度(Confidence)均為100%(圖2)。
圖1 果生炭疽菌Rab蛋白二級結(jié)構(gòu)特征Fig.1 The secondary structure character of C.fructicola Rab proteins
圖2 果生炭疽菌Rab蛋白三級結(jié)構(gòu)預(yù)測Fig.2 Prediction of C.frucicola Rab protein tertiary structure
為了明確果生炭疽菌中Rab蛋白家族的進化關(guān)系,對10個Rab蛋白構(gòu)建系統(tǒng)進化樹(圖3),發(fā)現(xiàn)不同Rab蛋白之間親緣關(guān)系差異較大,其中兩兩之間親緣關(guān)系最近的為CfRab1和CfRab8,以及CfRab5A和CfRab5B。CfRabX1與其他Rab蛋白的親緣關(guān)系則較遠(yuǎn)。
圖3 果生炭疽菌中Rab蛋白的進化關(guān)系Fig.3 Evolution relationship analysis of C.fructicola Rab proteins
對其氨基酸進行多重序列比對以分析果生炭疽菌Rab蛋白的保守結(jié)構(gòu)域,結(jié)果表明,果生炭疽菌中的Rab蛋白均含有GTP結(jié)合∕GDP水解結(jié)構(gòu)域,該結(jié)構(gòu)域具有5個有特點的且高度保守基序:G1(GxxxxG K[S∕T],x為任意氨基酸)、G2(分子開關(guān)Switch I;x[T∕S]x)、G3(分子開關(guān)Switch II;DxxG)、G4([N∕T]KxD)和G5(S∕CAK∕L∕T)。C末端均具有膜定位信號(xxCCx∕xxCxC)。此外,與CfRab5B相比,CfRab5A在G4和G5基序之間有18個氨基酸的插入(圖4)。
圖4 果生炭疽菌中Rab蛋白的保守結(jié)構(gòu)域分析Fig.4 Analysis of the conserved domains of C.fructicola Rab proteins
為了分析禾谷炭疽菌所屬絲狀真菌各成員Rab蛋白的系統(tǒng)進化關(guān)系,對絲狀真菌中同源的Rab蛋白比對后構(gòu)建系統(tǒng)進化樹,圖5顯示:7種真菌(S.cerevisiae、A.nidulans、N.crassa、M.oryzae、U.maydis、C.graminicola及C.fructicola)中同一類的Rab蛋白被分到同一分支,表明絲狀真菌各成員間Rab蛋白在進化過程中非常保守,且該分類結(jié)果一定程度上與其功能發(fā)揮相關(guān)。CfRab1與其他真菌Rab1同源,處于同一分支,包括釀酒酵母Ypt1,已被證實參與了細(xì)胞內(nèi)囊泡形成、運輸和釋放等多個重要的過程;CfRab5A和CfRab5B處于同一分支的兩個小分支,兩者之間有一定差異,與釀酒酵母的Ypt52、Ypt53和Vps21同源,定位于早期內(nèi)體,在胞吞和囊泡融合等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用;CfRab7與釀酒酵母的Ypt7同源,主要定位于晚期內(nèi)體,參與囊泡運輸?shù)裙δ?CfRab6與釀酒酵母的Ypt6同源,在細(xì)胞外吐和細(xì)胞自噬過程中發(fā)揮功能;值得注意的是,CfRab2、CfRab4和CfRab11相互之間親緣關(guān)系較近,處于同一分支的三個小分支,其中CfRab11與釀酒酵母的Ypt31、Ypt32同源,參與囊泡運輸和細(xì)胞自噬的發(fā)生。C.fructicola、C.graminicola和A.nidulans含有10個Rab蛋白,其他4種真菌中均含有11個Rab蛋白。雖然果生炭疽菌與禾谷炭疽菌均屬于炭疽菌屬,但是果生炭疽菌中的CfRab5B與MoRab5B、CfRab7與MoYpt7的親緣關(guān)系最近。
圖5 果生炭疽菌Rab蛋白在絲狀真菌中的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系分析Fig.5 Phylogenetic relationship of C.fructicola Rab proteins in filamentous fungi
qRT-PCR結(jié)果表明,Rab基因在果生炭疽菌生長發(fā)育和侵染階段均有表達(圖6)。相對于菌絲階段表達量,在孢子和侵染階段均有不同程度提高,其中CfRab5A和CfRabX1在孢子發(fā)育階段表達最高,CfRab1、CfRab2、CfRab4、CfRab5B、CfRab6、CfRab7和CfRab8在果生炭疽菌侵染后48 h表達最高。
圖6 果生炭疽菌Rab蛋白編碼基因表達量分析Fig.6 Expression of C.fructicola Rab protein coding genes
植物和病原物互作過程中存在多種機制,在植物寄主和病原物之間建立了能夠直接影響病原物毒力和致病性的“分子對話”[18]。病原物通常會分泌一系列的毒力因子進入體內(nèi)細(xì)胞外環(huán)境,促進其侵染寄主植物,吸收必需營養(yǎng)素[19]。細(xì)胞外分泌依賴于囊泡轉(zhuǎn)運,Rab蛋白則是該過程重要的調(diào)節(jié)子[20]。已經(jīng)證明Rab蛋白影響囊泡運輸過程中的關(guān)鍵階段。隨著全基因組測序技術(shù)的發(fā)展,越來越多絲狀真菌的全基因組數(shù)據(jù)得到釋放。目前,絲狀真菌中大量的Rab蛋白已經(jīng)得到篩選和鑒定[21]。然而果生炭疽菌中尚無Rab蛋白相關(guān)的報道。
本研究利用生物信息學(xué)對果生炭疽菌中的Rab蛋白進行了鑒定及分析,最終確定了10個候選的Rab蛋白,這些Rab蛋白均為小分子量的親水蛋白,不含信號肽和跨膜結(jié)構(gòu)域,其中CfRab2的親水性最高,CfRab11的親水性最小。Rab親水性分析結(jié)果有助于了解其蛋白性質(zhì),例如是否是可溶蛋白、分泌蛋白或膜蛋白,進一步探索影響Rab親水性及疏水性的關(guān)鍵氨基酸殘基,以及其對真菌致病性的影響。除此之外,7個Rab蛋白預(yù)測為穩(wěn)定蛋白(CfRab1、CfRab2、CfRab5A、CfRab5B、CfRab6、CgRab11),且多數(shù)Rab蛋白定位于高爾基體(CfRab2、CfRab5A、CfRab5B、CfRab6、CfRab8、CfRab11和CfRabX1)。二級結(jié)構(gòu)分析表明10個Rab蛋白所含α螺旋結(jié)構(gòu)均高于β轉(zhuǎn)角。通過Phyre2在線分析,搜索到與10個Rab蛋白結(jié)構(gòu)相似的模型。果生炭疽菌中Rab蛋白家族的進化關(guān)系表明,CfRab1和CfRab8、CfRab5A和CfRab5B親緣關(guān)系最近。與之相反,CfRabX1與其他Rab蛋白的親緣關(guān)系則較遠(yuǎn),說明CfRabX1在進化過程中可能發(fā)揮了不同于其他Rab蛋白的功能,具有特異性,并且與其同源的酵母Rab蛋白ScYpt11功能也尚未闡明。果生炭疽菌Rab蛋白在結(jié)構(gòu)上非常保守,均含有5個基序(G1-G5),C末端均具有膜定位信號,推測果生炭疽菌Rab與其他真菌中Rab蛋白功能類似。此外,果生炭疽菌中含有Rab5的兩個同源蛋白CfRab5A和CfRab5B,與CfRab5B相比,CfRab5A在G4和G5基序之間有18個氨基酸的插入。有研究表明,真菌中Rab5的同源蛋白,不是簡單的冗余蛋白亞型,而是具有不同的功能[22]。稻瘟菌中的MoRab5A基因缺失后,其功能不能通過將MoRab5B基因過表達來實現(xiàn),反之亦然[23]。將絲狀真菌中同源的Rab蛋白與果生炭疽菌進行氨基酸比對后構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹,發(fā)現(xiàn)Rab蛋白在絲狀真菌進化過程中比較保守,在細(xì)胞內(nèi)囊泡形成、運輸、融合和釋放過程中發(fā)揮類似的作用。雖然同屬于炭疽菌屬,但是與禾谷炭疽菌相比,果生炭疽菌中的CfRab5B與MoRab5B、CfRab7與MoYpt7的親緣關(guān)系更近。為了進一步研究果生炭疽菌Rab蛋白的功能,在對其進行生物信息學(xué)分析研究的基礎(chǔ)上,對Rab蛋白編碼基因在果生炭疽菌生長階段(菌絲和孢子)及侵染過程中(侵染后48 h)中的表達變化進行了分析。相對于菌絲階段表達量,其中CfRab5A和CfRabX1在孢子發(fā)育階段表達最高,由此推斷CfRab5A和CfRabX1可能在發(fā)育過程中發(fā)揮作用。CfRab1、CfRab2、CfRab4、CfRab5B、CfRab6、CfRab7和CfRab8在果生炭疽菌侵染后48 h表達最高,說明這7個蛋白編碼基因在果生炭疽菌侵染過程中發(fā)揮重要作用。
盡管編碼Rab蛋白基因的功能是保守的,但在不同的生物體中其仍具有一定的差異。SEC4是在酵母中發(fā)現(xiàn)的第一個Rab蛋白,并被證明在真菌生長和蛋白質(zhì)分泌中起著重要作用[24]。SEC4在黑曲霉(A.niger)中的同源基因srgA缺失后發(fā)現(xiàn)并未影響該菌的生長[25],而其在豆刺盤孢菌(C.lindemuthianum)中的同源基因CLPT1缺失后,會導(dǎo)致該菌死亡[26]?;颐咕?B.cinerea)中SEC4的同源基因Bcsas1則在真菌生長、蛋白質(zhì)分泌和致病力方面均起著至關(guān)重要的作用[11]。輪狀鐮刀菌(F.verticillioides)中FvSec4在菌絲的發(fā)育、毒力、毒素的產(chǎn)生和脅迫反應(yīng)中均發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[26]。本研究下一步將對Rab蛋白在侵染中的表達量和功能進行深入分析,以更好了解Rab蛋白的生物學(xué)功能及其在真菌侵染植物過程中發(fā)揮的作用。