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橡胶树胶孢炭疽菌细胞自噬相关基因CgAtg4的克隆与序列分析

2014-08-08翟李刚林春花蔡志英时涛黄贵修

湖北农业科学 2014年9期
关键词:橡胶树

翟李刚+林春花+蔡志英+时涛+黄贵修

摘要:细胞自噬(Autophagy)有助于植物病原真菌渡过营养饥饿、供氧不足等不良环境,有研究发现其与植物病原真菌的致病性相关。利用橡胶胶孢炭疽菌HBCg01全基因组数据库,采用PCR和RT-PCR克隆细胞自噬相关基因CgAtg4(Genebank登录号:KC735125),并对其序列进行分析,研究细胞自噬在胶孢炭疽菌侵染橡胶树过程中的作用。结果表明,CgAtg4的开放阅读框(ORF)为960 nt,编码319个aa序列,预测含有一个由213个aa组成的高度保守的Peptidase_C54蛋白酶结构域,与另外19种真菌的Atg4氨基酸序列同源性为38%~87%。推测CgAtg4可能与橡胶树胶孢炭疽病菌的产孢能力、分生孢子萌发以及附着胞膨压的形成相关。

关键词:橡胶树;胶孢炭疽菌;自噬相关基因;CgAtg4

中图分类号:S432.4+4;Q75文献标识码:A文章编号: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

细胞自噬(Autophagy)是真核生物中广泛存在的作用机制,且在进化上十分保守,它是真核生物中对细胞内蛋白质和细胞器进行周转的重要过程,该过程中一些损坏的蛋白质或细胞器被双层膜结构的自噬小泡包裹后,送入溶酶体或液泡中进行降解并得以循环利用。自噬过程中最为重要的两个环节是自噬过程的诱导和自噬体的形成,参与此过程的至少有17个Atg(Autophagy associated,细胞自噬相关)蛋白,被分为5个功能组[1]:Ⅰ.Atg1激酶功能组(Atg1 protein kinase complex);Ⅱ.Atg9膜蛋白循环系统(Atg9 membrane protein recycling system);Ⅲ.Atg8-磷脂酰乙醇胺(PE)功能组(Atg8 lipid conjugation system);Ⅳ.Atg12-Atg5复合体功能组(Atg12-Atg5 protein conjugation system);Ⅴ.磷脂酰肌醇转移蛋白3(PtdIns3)-激酶复合体(phosphatidylinositol-3 kinase complex)。Atg4基因属于Atg8-磷脂酰乙醇胺(PE)功能组,该基因能切割Atg8羧基端的精氨酸,暴露出甘氨酸[2],并在Atg7和Atg3的共同调节作用下形成Atg8蛋白与磷脂酰乙醇胺复合物(Atg8-PE),从而促进自噬体前体膜的聚集和融合[3],进一步形成自噬体。

炭疽菌(Colletotrichum spp.)是一类常见且最重要的植物病原真菌之一,引起各种农作物炭疽病,造成重大的经济损失[4]。炭疽病已成为研究植物病原真菌生长发育、侵染过程及植物与病原菌互作机制的典型材料。由胶孢炭疽菌[Colletotrichum gloeosporioides (Penzig) Penzig et Saccardo]侵染引起的橡胶树炭疽病[5]是橡胶树重要叶部病害之一。该病可危害橡胶小苗、大田幼树直至成龄开割树,侵染叶片、叶柄和果实,严重时会引起橡胶树的重复落叶和嫩梢回枯,推迟开割时间[6]。至今,未见炭疽菌细胞自噬相关基因的报道。本研究在橡胶树胶孢炭疽菌全基因组测序的基础上,以细胞自噬基因家族中与自噬体形成相关的Atg4基因为研究对象,对其进行基因克隆和序列分析,为后续的基因功能鉴定提供参考。

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1材料与方法

1.1供试材料

供试橡胶树胶孢炭疽病菌菌株HBCg01,由中国热带农业科学院环境与植物保护研究所分离自海南省儋州市发病橡胶树叶片。橡胶树品种热研7-33-97,由中国热带农业科学院橡胶研究所提供。

1.2试剂

HBCg01病菌培养采用PDA培养基,参照方中达[6]的方法制备。试剂:DNA片段胶回收试剂盒、pMD18-T载体、RNA PCR Kit购自宝生物工程(大连)有限公司;Taq酶和dNTP购自天根生化科技(北京)有限公司;大肠杆菌T1感受态细胞和RNA提取试剂盒TransZol Plant购自北京全式金生物技术有限公司;引物由北京六合华大基因科技股份有限公司合成;其他试剂均为国产分析纯。

1.3方法

1.3.1引物设计在NCBI(http://www.ncbi.nlm.nih.gov)数据库中搜索近源物种的Atg4基因序列,在HBCg01全基因组数据库中分别进行本地Blast检索,获得HBCg01中的同源基因,根据5′端和3′端序列设计1对引物ATG4-F和ATG4-R。

1.3.2HBCg01基因组DNA、RNA提取和cDNA的合成菌株在PDA平板上28 ℃培养7 d后,收集菌丝。采用CTAB法[7]提取基因组DNA。采用TransZol Plant和RNA PCR Kit试剂盒,参照说明书中相关步骤进行RNA提取,去除基因组DNA和RNA的反转录。

1.3.3Atg4基因的PCR扩增、克隆与序列分析 以HBCg01基因组DNA和cDNA为模板,用引物对ATG4-F和ATG4-R进行PCR扩增,反应体系为: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,加水补足至50 μL。反应条件为:94 ℃预变性5 min,94 ℃变性45 s,60 ℃退火45 s,72 ℃延伸1 min,35个循环,72 ℃延伸10 min。扩增产物用质量分数1%的琼脂糖凝胶电泳检测,并回收目的片段。

扩增产物回收后克隆到pMD18-T载体上。经蓝白斑筛选后,采用碱裂解法[8]提取转化子的质粒DNA,经EcoRⅠ和HindⅢ双酶切鉴定、菌落PCR鉴定后,随机挑选3个阳性克隆送北京六合华大基因科技股份有限公司进行序列测定,确认序列后在http://www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST上进行比较分析,并预测相应蛋白质的保守结构域。采用DNAMAN软件将测序的核酸序列翻译成氨基酸序列,并在NCBI上对其进行Blastp检索,下载其他近源真菌的同源氨基酸序列,用MEGA Version 4.0软件中的NJ(Neighbor-Joining)方法生成系统树,用Bootstrap对系统树进行检验,1 000次重复。

2结果与分析

2.1引物的设计

利用稻瘟菌(Magnaporthe oryzae)Atg4基因(ACJ06587.1)的aa序列和菌株HBCg01的基因组数据库进行本地Blast,结果表明该菌株中有一个预测的同源基因,分析其大小约1.1 kb,命名为CgAtg4。根据该基因的5′端和3′端序列设计了1对引物ATG4-F(5′-ATGGCTGCTGTGGATC-3′)、ATG4-R(5′-GGTAGAACAGGAAGGAACCT3-′)。

2.2橡胶树胶孢炭疽菌CgAtg4基因的克隆

利用引物ATG4-F和ATG4-R对HBCg01的基因组DNA和cDNA进行PCR扩增,分别得到约1.1 kb和1.0 kb的条带(图1),与预期的条带大小一致。测序结果显示,以基因组DNA为模板扩增得到的产物大小为1 129 kb,以cDNA为模板扩增得到的产物大小为960 kb。

2.3CgAtg4基因的序列分析

生物信息学分析表明,CgAtg4基因含有一个完整的开放阅读框(ORF),含有3个外显子和2个内含子,编码319个aa残基,分子量约为35.01 kD,等电点PI为5.14,含有116个疏水性残基和203个亲水性残基,预测蛋白质中含有一个由213个aa组成的高度保守的Peptidase_C54蛋白酶结构域(图2)。该序列已提交NCBI数据库,登录号为KC735125。

在NCBI上将CgAtg4氨基酸序列进行Blastp检索,下载19个菌株的Atg4基因氨基酸序列,利用MEGA Version 4.0软件构建系统发育树(图3)。结果表明,CgAtg4与胶孢炭疽菌(Colletotrichum gloeosporioides,ELA25600.1)、菜心炭疽菌(Colletotrichum higginsianum,CCF39271.1)以及小丛壳属真菌(Glomerella graminicola EFQ36750.1)的同源性相对较高,分别为87%、78%和80%,亲缘关系最近;与黏红酵母(Rhodotorula glutinis,EGU13587.1)和酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae,EDZ69806.1)的Atg4氨基酸序列同源性较低,分别为43%和38%,亲缘关系最远。

3讨论

1962年,Ashford等[9]用电子显微镜在人的肝细胞中首次观察到细胞自噬现象。关于该现象调控机制方面的研究较少,其作用机理尚不清楚。上世纪90年代以来,酵母作为一种模式生物受到了关注,研究者开展了大量的自噬作用机制研究。目前,已发现30多个基因参与酵母的自噬作用,其中17个基因参与自噬泡的形成[10]。

近年来有研究表明,细胞自噬过程与病原真菌的致病性密切相关。在稻瘟菌中,细胞自噬过程与稻瘟病菌的产孢、附着胞膨压、穿透、致病性以及有性生殖等各个发育阶段密切相关[11,12]。缺失MgAtg4基因后,稻瘟菌突变体菌丝稀疏、产孢量下降、附着胞膨压降低,而且孢子萌发和附着胞形成延迟,接种大麦和水稻均不能形成病斑[13]。CgAtg4和MgAtg4所编码的氨基酸序列具有61%的同源性,都包含一个高度保守的Peptidase_C54蛋白酶结构域,推测CgAtg4基因参与菌丝生长、产孢和侵染过程。

本研究成功克隆得到橡胶树胶孢炭疽菌与细胞自噬相关的CgAtg4基因,利用NCBI分析其具有高度保守的Peptidase_C54蛋白酶结构域。基于该基因的aa序列,构建了系统发育树,分析了该基因氨基酸序列和其他真菌同源基因的亲缘关系。本研究为进一步研究CgAtg4基因在橡胶树胶孢炭疽病菌自噬过程中的作用等提供了基础,有助于从分子生物学层面研究细胞自噬与橡胶树胶孢炭疽菌致病性的关系。

参考文献:

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