中国农业科学 ›› 2023, Vol. 56 ›› Issue (5): 866-878.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2023.05.005
王建锋(), 成嘉欣, 舒伟学, 张艳茹, 王晓杰, 康振生, 汤春蕾()
收稿日期:
2022-10-31
接受日期:
2022-12-19
出版日期:
2023-03-01
发布日期:
2023-03-13
通信作者:
汤春蕾,E-mail:tclbad@163.com
联系方式:
王建锋,E-mail:ipp@nwsuaf.edu.cn。
基金资助:
WANG JianFeng(), CHENG JiaXin, SHU WeiXue, ZHANG YanRu, WANG XiaoJie, KANG ZhenSheng, TANG ChunLei()
Received:
2022-10-31
Accepted:
2022-12-19
Published:
2023-03-01
Online:
2023-03-13
摘要:
【背景】条锈病是小麦上的重大病害,由条形柄锈菌小麦专化型(Puccinia striiformis f. sp. tritici,Pst)侵染引起。条锈菌是活体营养型寄生真菌,在侵染过程中形成吸器,通过吸器从寄主植物汲取营养。同时,吸器分泌效应蛋白调控寄主免疫,促进侵染过程。【目的】明确条锈菌效应蛋白的功能及其作用机理,为揭示条锈菌的致病机制打下基础。【方法】比较分析条锈菌夏孢子、芽管和吸器转录组,获得在吸器诱导表达的分泌蛋白基因Hasp83,在本氏烟叶片细胞中瞬时表达观察是否能抑制由BAX引起的细胞坏死;利用qRT-PCR分析该基因在条锈菌侵染小麦不同阶段的表达水平。借助荧光假单胞菌Ⅲ型分泌系统和寄主诱导的基因沉默(host-induced gene silencing,HIGS)分析Hasp83在条锈菌侵染过程中的功能。利用酵母双杂交系统筛选小麦中与Hasp83互作的蛋白,免疫共沉淀技术进一步在烟草细胞中共表达验证Hasp83及其候选靶标蛋白的互作。【结果】Hasp83开放阅读框全长522 bp,编码173个氨基酸,蛋白N端1—29位氨基酸为信号肽,无保守结构域,在本氏烟叶片细胞中瞬时表达能抑制由BAX引起的细胞坏死。qRT-PCR分析显示,Hasp83在条锈菌侵染时期上调表达;利用细菌Ⅲ型分泌系统在小麦水源11品种中瞬时表达Hasp83能够抑制荧光假单胞菌引起的胼胝质积累,在接种条锈菌无毒性小种CYR23后,瞬时表达Hasp83株系产生的活性氧积累面积和过敏性坏死面积相比对照减少19.35%—38.62%;利用HIGS技术在接种条锈菌毒性小种CYR31的小麦水源11中沉默Hasp83,发现条锈菌的产孢量、菌丝长度、菌丝扩展面积和吸器数目减少,致病力降低。酵母双杂交结果表明,效应蛋白Hasp83与其小麦中候选靶标过敏性坏死诱导蛋白Tahir1互作。免疫共沉淀进一步证明Hasp83及其候选靶标Tahir1存在互作。【结论】条锈菌效应蛋白Hasp83可抑制寄主由非致病细菌和无毒性条锈菌生理小种引起的小麦防卫反应,增强病原菌的致病力。
王建锋, 成嘉欣, 舒伟学, 张艳茹, 王晓杰, 康振生, 汤春蕾. 小麦条锈菌效应蛋白Hasp83在条锈菌致病性中的功能分析[J]. 中国农业科学, 2023, 56(5): 866-878.
WANG JianFeng, CHENG JiaXin, SHU WeiXue, ZHANG YanRu, WANG XiaoJie, KANG ZhenSheng, TANG ChunLei. Functional Analysis of Effector Hasp83 in the Pathogenicity of Puccinia striiformis f. sp. tritici[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2023, 56(5): 866-878.
表1
本研究所用引物序列"
用途 Use | 引物名称 Primer name | 引物序列 F Primer sequence F (5′-3′) | 引物序列 R Primer sequence R (5′-3′) |
---|---|---|---|
分泌系统载体构建 Construction of secretion system vector | pEDV6-Hasp83∆sp | GGGGACAAGTTTGTACAAAAAAGCAGG CTTCATGCATAAAGCCCTGAACC | GGGGACCACTTTGTACAAGAAAGCTGGGTC TCCTCGATGTGAAATACC |
沉默载体构建 Construction of silent vector | γ-Hasp 83-1 | TTAATTAACGGAAACTCATCTGTCAATCA | GCGGCCGCGAGGAAAGGGAAAATGGAGA |
γ-Hasp 83-2 | TTAATTAATCCATTACCTTGTCGTTCTCA | GCGGCCGCATACCGCCAGTCGTCCTTA | |
酵母载体构建 Construction of yeast-expression vector | pGBKT7-Hasp83∆sp | CGGAATTCATGCATAAAGCCCTGAACC | CGGGATCCTTATCCTCGATGTGAAATACC |
pGADT7-Tahir1 | CGGAATTCATGGGTGGGGTACTTGGT | CGGGATCCTCAAACCATCCTGCCCT | |
瞬时表达载体构建 Construction of transient overexpression vector | pGR106-Hasp83∆sp | GGCATCGATATGCATAAAGCCCTGAACC | CATGCTGACTTATCCTCGATG |
pBinGFP2-Hasp83∆sp | GACGAGCTGTACAAGGGTACCATGCATAAA GCCCTGAACC | TCTAGTTCATCTAGAGGATCCTCCTCGATGTGAAATACC | |
pICH86988-Tahir1-HA | TTACAATTATCGATACAATGTACCCATACGA CGTCCCAGACTACGCTATGGGTGGGGTACTTGGT | CTCATTAAAGCAGGACAAGCAACCATCCTGCCCTGGA | |
实时荧光定量PCR qRT-PCR | qHasp83-1 | CGGAAACTCATCTGTCAATCA | GAGGAAAGGGAAAATGGAGA |
qHasp83-2 | TCCATTACCTTGTCGTTCTCA | ATACCGCCAGTCGTCCTTA | |
Pst EF | TTCGCCGTCCGTGATATGAGACAA | ATGCGTATCATGGTGGTGGAGTGA | |
Ta EF | TGGTGTCATCAAGCCTGGTATGGT | ACTCATGGTGCATCTCAACGGACT |
图3
利用农杆菌侵染在烟草中瞬时表达Hasp83抑制由Bax诱导的细胞坏死 A:携带有pGR106-Hasp83Δsp、pGR106-eGFP或 pGR106-Avr1b的农杆菌侵染烟草叶片,24 h后注射含有pGR106-Bax的农杆菌,5 d后观察表型 N. benthamiana leaves were infiltrated with A. tumefaciens containing pGR106-Hasp83Δsp, pGR106-eGFP, or pGR106-Avr1b, either alone or with A. tumefaciens cells carrying pGR106-Bax, which were infiltrated 24 h later. At 5 d post infiltration, the phenotypes were observed and photographed。B:农杆菌侵染烟草叶片示意图Schematic diagram of A. tumefaciens infiltrating N. benthamiana leaves"
图4
在小麦中瞬时表达Hasp83抑制荧光假单胞菌EtHan诱导的胼胝质积累 A:苯胺蓝染色观察瞬时表达Hasp83小麦叶片中胼胝质Observation of callose deposition stained by aniline blue in wheat leaves transiently expressing Hasp83。dsRed:阴性对照Negative control;AvrRpt2能诱导胼胝质产生Bacterial AvrRpt2 could induce callose production in wheat。标尺Scale=200 μm。B:瞬时表达Hasp83小麦叶片中胼胝质数量。3次生物学重复,**:P<0.01 The number of callose depositions in wheat transiently expressing AvrRpt2, dsRed or Hasp83. Results were derived from three biologic replicates"
图5
在小麦中瞬时表达Hasp83抑制无毒条锈菌CYR23引起的活性氧积累和过敏性坏死反应 A:组织学观察瞬时表达Hasp83小麦叶片接种条锈菌无毒生理小种CYR23 24和48 h的活性氧(ROS)积累及过敏性坏死反应(HR),标尺Scale =20 μm Histological observation of ROS accumulation and hypersensitive response (HR) in wheat leaves transiently expressing Hasp83 at 24 and 48 h post inoculation (hpi) of avirulent Pst CYR23。SV:气孔下囊Sub-stomatal vesicle;IH:侵染菌丝Infection hyphae。B、C:条锈菌侵染小麦24和48 h ROS积累及细胞过敏性坏死反应面积统计。3次生物学重复,每次统计30个侵染点。*:P<0.05 Statistical analysis of ROS accumulation and HR per infection site at 24 and 48 hpi. The experiments were repeated for three biological replications with 30 infection sites for each replication"
图6
小麦叶片中瞬时表达Hasp83促进条锈菌生长发育 A、B:瞬时表达Hasp83小麦叶片中,条锈菌侵染24和48 h后菌丝长度及侵染面积统计。3次生物学重复,每次统计30个侵染点。*:P<0.05 Statistical analysis of Pst hyphal length and infection area per infection site at 24 and 48 hpi. The experiments were repeated for three biological replications with 30 infection sites for each replication。C:条锈菌侵染小麦120 h的相对生物量,**:P<0.01 Relative fungal biomass of Pst at 120 hpi in wheat leaves expressing Hasp83 calculated by qPCR"
图7
HIGS瞬时沉默Hasp83降低条锈菌的致病力 A:Hasp83特异沉默片段示意图Schematic diagram of the specific silencing fragment of Hasp83。B:利用HIGS技术沉默Hasp83,接种条锈菌CYR31,14 d后观察表型Disease phenotypes of Hasp83-silencing wheat plants inoculated with Pst CYR31 observed at 14 d post inoculation。C:qRT-PCR分析24、48和120 hpi Hasp83的沉默效率Silencing efficiency of Hasp83 at 24, 48 and 120 hpi assessed using qRT-PCR。BSMV::γ:阴性对照Negative control。D:组织学观察Hasp83沉默叶片接种CYR31 24和48 h的条锈菌生长发育(标尺Scale=20 μm) Histological observation of fungal growth in Hasp83-silencing wheat plants infected with CYR31。SV:气孔下囊Sub-stomatal vesicle;IH:侵染菌丝Infection hyphae;HMC:吸器母细胞Haustorial mother cell。E—G:Hasp83沉默叶片中,接种条锈菌24、48和120 h后吸器数量、菌丝长度及侵染面积统计。3次生物学重复,每次重复统计30个侵染点。*:P<0.05,**:P<0.01 Statistical analysis of Pst haustorium number, hyphal length and infection area per infection site in Hasp83-silencing plants. The experiments were repeated for three biological replications, with 30 infection sites for each replication"
[1] |
陈万权, 徐世昌, 吴立人. 中国小麦条锈病流行体系与持续治理研究回顾与展望. 中国农业科学, 2007, 40(增刊1): 177-183.
|
|
|
[2] |
陈万权, 康振生, 马占鸿, 徐世昌, 金社林, 姜玉英. 中国小麦条锈病综合治理理论与实践. 中国农业科学, 2013, 46(20): 4254-4262.
doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2013.20.008 |
|
|
[3] |
doi: 10.1094/PDIS.2004.88.8.896 |
[4] |
doi: 10.1094/PDIS-93-11-1093 |
[5] |
doi: 10.1071/AR06142 |
[6] |
pmid: 12147755 |
[7] |
doi: 10.1038/nature10947 |
[8] |
doi: 10.1038/nature05286 |
[9] |
doi: 10.1146/annurev-phyto-080516-035649 pmid: 28525309 |
[10] |
doi: 10.1016/j.xplc.2020.100050 |
[11] |
pmid: 11701352 |
[12] |
|
[13] |
pmid: 17343675 |
[14] |
|
[15] |
doi: 10.1038/ncomms3673 pmid: 24150273 |
[16] |
doi: 10.1111/mpp.v21.1 |
[17] |
doi: 10.1111/pbi.v18.8 |
[18] |
doi: 10.1038/s41467-019-13487-6 pmid: 31804478 |
[19] |
doi: 10.1093/plphys/kiab434 pmid: 34890460 |
[20] |
许强. 小麦条锈菌效应蛋白Pst_A23调控植物pre-mRNA可变剪切抑制植物免疫[D]. 杨凌: 西北农林科技大学, 2020.
|
|
|
[21] |
doi: 10.1111/jipb.v65.1 |
[22] |
doi: 10.1016/j.cell.2022.06.027 |
[23] |
doi: 10.1093/plphys/kiac218 |
[24] |
|
[25] |
doi: 10.1046/j.1365-313X.2002.01291.x |
[26] |
|
[27] |
doi: 10.1093/emboj/cdg006 |
[28] |
doi: 10.1046/j.1365-313X.2003.01982.x |
[29] |
doi: 10.1007/s10681-010-0285-x |
[30] |
doi: 10.1146/phyto.2013.51.issue-1 |
[31] |
doi: 10.3390/ijms20010206 |
[32] |
doi: 10.1111/nph.v231.1 |
[33] |
doi: 10.1105/tpc.110.077040 |
[34] |
於立刚, 齐晓晚, 魏晋萍, 王婷, 王晓杰, 康振生, 汤春蕾. 条形柄锈菌吸器特异效应蛋白Hasp68抑制寄主免疫并与小麦组织蛋白酶B互作. 菌物学报, 2020, 39(10): 1905-1919.
|
|
|
[35] |
季森, 赵梦鑫, 徐静华, 汤春蕾, 康振生, 王晓杰. 小麦条锈菌效应蛋白HASP2抑制寄主免疫反应. 植物病理学报, 2019, 49(3): 326-333.
|
|
|
[36] |
赵聪聪, 盛丽梅, 许强, 汤春蕾, 康振生, 王晓杰. 小麦条锈菌细胞质效应子Hasp8抑制植物基础免疫. 植物保护学报, 2020, 47(3): 537-545.
|
|
|
[37] |
doi: 10.1016/j.molp.2019.09.010 |
[38] |
doi: 10.1111/nph.16199 pmid: 31529497 |
[39] |
|
[40] |
doi: 10.1074/jbc.M002339200 |
[41] |
doi: 10.1007/s00122-003-1351-8 pmid: 12928776 |
[42] |
doi: 10.1074/jbc.M110.211615 |
[43] |
doi: 10.1186/1471-2229-10-290 pmid: 21192820 |
[1] | 彭佳伟, 张叶, 寇单单, 杨丽, 刘晓飞, 张学英, 陈海江, 田义. ‘仓方早生’桃及其早熟芽变不同发育时期果实的转录组分析[J]. 中国农业科学, 2023, 56(5): 964-980. |
[2] | 胡朝月, 王凤涛, 郎晓威, 冯晶, 李俊凯, 蔺瑞明, 姚小波. 小麦抗条锈病基因对中国条锈菌主要流行小种的抗性分析[J]. 中国农业科学, 2022, 55(3): 491-502. |
[3] | 张晋龙,赵志博,刘巍,黄丽丽. 猕猴桃细菌性溃疡病菌T3SS关键效应蛋白基因致病功能[J]. 中国农业科学, 2022, 55(3): 503-513. |
[4] | 林兵,陈艺荃,钟淮钦,叶秀仙,樊荣辉. 荷兰鸢尾‘玉妃’花色变异关键结构基因分析[J]. 中国农业科学, 2021, 54(12): 2644-2652. |
[5] | 周坤能,夏加发,云鹏,王元垒,马廷臣,张彩娟,李泽福. 水稻直立短穗突变体esp的转录组研究[J]. 中国农业科学, 2020, 53(6): 1081-1094. |
[6] | 徐默然,蔺瑞明,王凤涛,冯晶,徐世昌. 103份小麦品种(系)抗条锈性和遗传多样性评价及基因检测[J]. 中国农业科学, 2020, 53(4): 748-760. |
[7] | 管方念,龙黎,姚方杰,王昱琦,江千涛,康厚扬,蒋云峰,李伟,邓梅,李豪,陈国跃. 152份黄淮海麦区小麦农家品种抗条锈性评价及重要条锈病抗性基因的分子检测[J]. 中国农业科学, 2020, 53(18): 3629-3637. |
[8] | 黄苗苗,陈万权,曹世勤,孙振宇,贾秋珍,高利,刘博,刘太国. 甘肃、青海地区小麦条锈菌监测及群体遗传多样性分析[J]. 中国农业科学, 2020, 53(18): 3693-3706. |
[9] | 齐悦,吕峻元,张悦,韦杰,张娜,杨文香,刘大群. 小麦叶锈菌效应蛋白Pt18906激发TcLr27+31的双层防御反应[J]. 中国农业科学, 2020, 53(12): 2371-2384. |
[10] | 孙凯, 李冬秀, 杨靖, 董骥驰, 严贤诚, 罗立新, 刘永柱, 肖武名, 王慧, 陈志强, 郭涛. 水稻耐淹成苗率相关性状全基因组的关联分析[J]. 中国农业科学, 2019, 52(3): 385-398. |
[11] | 刘希强,张涵,龚攀,宫文龙,王赞. 紫花苜蓿不同发育时期次生壁合成调控的转录组分析[J]. 中国农业科学, 2018, 51(11): 2049-2059. |
[12] | 李北,徐琪,杨宇衡,王琪琳,曾庆东,吴建辉,穆京妹,黄丽丽,康振生,韩德俊. 重庆麦区小麦品种(系)抗条锈性评价与基因分析[J]. 中国农业科学, 2017, 50(3): 413-425. |
[13] | 黄亮,刘太国,肖星芷,屈春艳,刘博,高利,罗培高,陈万权. 中国79个小麦品种(系)抗条锈病评价及基因分子检测[J]. 中国农业科学, 2017, 50(16): 3122-3134. |
[14] | 陶兴林,侯栋,朱惠霞,刘明霞,张金文,胡立敏. 花椰菜温敏雄性不育系GS-19花药败育的细胞学及转录组分析[J]. 中国农业科学, 2017, 50(13): 2538-2552. |
[15] | 王宇秋,李国邦,杨娟,黎良,赵志学,樊晶,王文明. 稻曲病菌侵染水稻颖花的酵母双杂交cDNA文库构建与应用[J]. 中国农业科学, 2016, 49(5): 865-873. |
|