深绿木霉刺激植物响应蛋白TatEpl1诱导杨树系统抗病性机制

来源 :东北林业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wuheman
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木霉菌(Trichoderma spp.)是一种应用前景广阔的生防菌,不仅能够抑制多种病原真菌,而且具有诱导植物免疫反应、促进植物生长、降解土壤中的盐类化合物、农药残留物及重金属等功能,生防潜力巨大,被广泛应用于农业和林业。在对其生防机制的深入研究下发现木霉菌能够分泌一些小分子蛋白能够刺激寄主植物对病原真菌产生防御响应,其中包括刺激植物响应蛋白Epl1(Eliciting Plant Response Protein 1)。刺激植物响应蛋白Epl1是一种小分子分泌型半胱氨酸富含蛋白,属于cerato-platanin蛋白家族,无毒,被称为新型植物诱导剂——真菌激活蛋白,具有更高的科研价值和广阔的开发前景。在本研究中,从深绿木霉(T.atroviride)ACCC30153菌株中成功克隆刺激植物响应蛋白基因TatEpl1,经测序得到长度为417 bp的cDNA和487 bp的DNA序列,编码138个氨基酸,预测蛋白分子量为14.37 kDa,等电点5.75,为疏水蛋白。通过BlastP预测其具有cerato-platanin家族的保守区结构域,且与已报道过的绿色木霉(T.virens)Gv29-8分泌刺激植物响应蛋白SM1的氨基酸序列AAZ80388亲缘关系较近,相似性为88%。用荧光定量RT-qPCR方法分析9种不同培养条件下的深绿木霉TatEpl1基因的转录水平。9种培养基分别为MM、C饥饿、N饥饿、1%山新杨(Populus davidiana ×P.alba var.pyramidlis)茎粉或叶粉、1%杨树叶枯病病原菌(Alternariaalternate)或杨树烂皮病病原菌(Cytospora chrysosperma)的细胞壁、5%杨树叶枯病原菌或杨树烂皮病病原菌发酵液。结果显示,9种诱导条件下,TatEpl1基因均呈上调表达;在C饥饿、病原菌细胞壁、病原菌发酵液及山新杨叶粉和茎粉诱导条件下均出现瞬时高表达,其中杨树叶粉和茎粉诱导条件下TatEpl1基因的瞬时表达量最高,分别在16和4 h时达到未诱导时的216和217.8倍。结果说明C饥饿、病原菌及木本植物均能引起深绿木霉ACCC30153的TatEpl1基因转录水平变化,而且在木本植物诱导条件下的表达量最高。为研究深绿木霉的刺激植物响应蛋白TatEpl1的功能,成功构建了TatEpl1基因的原核重组表达载体pGEX-TatEpl1,并转化到大肠杆菌(Escherichia coli)BL21中获得原核重组菌株BL21-TatEpl1,利用IPTG成功诱导表达并纯化出原核重组蛋白E-rTatEpl1,经 SDS-PAGE 电泳检测,在 40.37 kDa(目的蛋白 14.37 kDa+GST标签26 kDa)处可见融合包涵体蛋白,与理论值基本一致,最佳诱导时间为4 h。同时,成功构建了基因TatEpl1的真核重组表达载体pPIC9K-TatEpl1并转化到毕赤酵母(Pichia pastoris)GS115中获得毕赤酵母重组菌株GS115-TatEpl1,并利用甲醇成功诱导表达了分泌型毕赤酵母重组蛋白Y-rTatEpl1,经Tricine-SDS-PAGE电泳检测,在14.37 kDa处可见分泌蛋白,与理论值基本一致,最佳诱导时间为6 h。证明TatEpl1蛋白在大肠杆菌和毕赤酵母中均能大量表达。为研究TatEpl1蛋白对木本植物的刺激响应作用,探讨了用两株工程菌分泌的重组蛋白分别诱导的山新杨的生理变化、激素相关基因转录模式及抗病能力。结果表明,(1)经重组蛋白诱导的山新杨的增长量明显高于未经诱导的山新杨。经原核重组蛋白E-rTatEpl1诱导的山新杨平均增长量为对照的10.3%,经毕赤酵母重组蛋白Y-rTatEpl1诱导的山新杨平均增长量为对照的12.5%,而且根部生长均非常旺盛。(2)经过重组蛋白诱导的山新杨叶片的生理酶活性均发生强烈变化。经原核重组蛋白E-rTatEpl1诱导的山新杨,PPO、PAL、SOD、POD和CAT分别在5 d、5 d、2d、5 d和12 h增长量最大,分别为对照的4.0、6.0、0.9、2.2和5.6倍;经毕赤酵母重组蛋白Y-rTatEpl1诱导的山新杨,PPO、PAL、SOD、POD和CAT分别在3d、3d、3d、12 h和5 d增长量最大,分别为对照的3.3、3.1、3.3、1.6和7.7倍。(3)在原核重组蛋白E-rTatEpl1和毕赤酵母重组蛋白Y-rTatEpl1诱导下的山新杨生长素、水杨酸、茉莉酸途径中的调控基因与未经诱导的山新杨相比均有明显的转录水平变化,并激活生长素和抗病相关基因的表达。(4)分别在原核重组蛋白E-rTatEpl1和毕赤酵母重组蛋白Y-rTatEpl1诱导下的山新杨对杨树叶枯病均产生抗病性。这些结果证明刺激植物响应蛋白TatEpl1不仅能够促进杨树生长,重要的是能够引起杨树防御响应,并使杨树对病原菌产生抗病性。综上所述,TatEpl1基因的克隆、生物信息学分析及转录模式的研究为刺激植物响应蛋白的研究提供基础数据;TatEpl1蛋白的异源表达和特性分析为新型植物诱导剂的开发与利用提供理论依据和技术支持,同时,为新型农药的生产和应用奠定良好的物质基础。
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