中国农业科学 ›› 2024, Vol. 57 ›› Issue (17): 3384-3397.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2024.17.006
张淑红1(), 张运峰1, 高凤菊1, 武秋颖1, 许可1, 李亚子1, 李艳梅1, 谷守芹2, 范永山1(
), 巩校东2(
)
收稿日期:
2024-04-26
接受日期:
2024-06-16
出版日期:
2024-09-01
发布日期:
2024-09-04
通信作者:
联系方式:
张淑红,E-mail:zsh3535@163.com。
基金资助:
ZHANG ShuHong1(), ZHANG YunFeng1, GAO FengJu1, WU QiuYing1, XU Ke1, LI YaZi1, LI YanMei1, GU ShouQin2, FAN YongShan1(
), GONG XiaoDong2(
)
Received:
2024-04-26
Accepted:
2024-06-16
Published:
2024-09-01
Online:
2024-09-04
摘要:
【目的】克隆玉米大斑病菌(Setosphaeria turcica)小分子热激蛋白(small heat shock protein,sHSP)基因,分析其结构及在病菌发育和HT-毒素诱导过程中的表达模式。【方法】利用隐马尔可夫模型(hidden Markov model,HMM)筛选玉米大斑病菌全基因组范围内的sHSP家族成员,采用PCR技术克隆玉米大斑病菌01-23菌株的sHSP,通过生物信息学方法进行sHSP的理化性质分析、亚细胞定位、结构预测和系统发育分析,RNA-Seq和RT-qPCR分析sHSP在玉米大斑病菌不同发育阶段和HT-毒素诱导过程中的表达情况。【结果】从玉米大斑病菌基因组筛选到3个sHSP家族成员(StHSP37.2、StHSP37.0和StHSP22.6),克隆了01-23菌株中3个sHSP的DNA序列,编码的sHSP蛋白均属于弱酸、亲水蛋白,无跨膜结构域和信号肽;二级结构中无规则卷曲占58.97%—60.35%,而β-转角仅为2.69%—7.83%;亚细胞定位预测StHSP37.2和StHSP37.0位于细胞核,而StHSP22.6位于细胞核和细胞质;均含有近C端的ACD_sHSP-like结构域,StHSP37.2、StHSP37.0和StHSP22.6分别有2、3和5个保守基序;利用SWISS-Model和AlphaFill构建了sHSP单体的三级结构模型;系统发育分析结果表明,StHSP22.6与链格孢(Alternaria alternata)、StHSP37.2和StHSP37.0与玉米小斑病菌(Bipolaris maydis)的sHSP亲缘关系较近;玉米大斑病菌sHSP在菌丝中表达量最高,其次为芽管、附着胞和侵入钉,在分生孢子中表达量最低;StHSP22.6和StHSP37.2与玉米大斑病菌HT-毒素诱导显著负相关,在14 d时相对基因表达量分别上调6.45和18.12倍,21、28 d时StHSP37.2表达量仅上调2.56、1.78倍,而StHSP22.6表达量与WT无显著差异;StHSP37.0与HT-毒素诱导显著正相关,14、21和28 d时相对基因表达量分别下调59.23%、86.30%和88.11%;通过与玉米大斑病菌sHSP显著相关的表达基因挖掘,推测StHSP37.2和StHSP22.6主要与HSP90、HSP104、分解代谢及线粒体Mg2+转运有关,而StHSP37.0主要与液泡碱性氨基酸转运、有机合成和分泌有关。【结论】玉米大斑病菌sHSP家族成员既具有高度保守性,又与其他sHSP有结构和系统发育的差异性;不仅与玉米大斑病菌菌丝、芽管、附着胞和侵入钉发育相关,在HT-毒素诱导过程中也发挥重要调控作用。
张淑红, 张运峰, 高凤菊, 武秋颖, 许可, 李亚子, 李艳梅, 谷守芹, 范永山, 巩校东. 玉米大斑病菌小分子热激蛋白基因克隆与表达分析[J]. 中国农业科学, 2024, 57(17): 3384-3397.
ZHANG ShuHong, ZHANG YunFeng, GAO FengJu, WU QiuYing, XU Ke, LI YaZi, LI YanMei, GU ShouQin, FAN YongShan, GONG XiaoDong. Cloning and Expression Analysis of Genes of Small Heat Shock Protein in Setosphaeria turcica[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2024, 57(17): 3384-3397.
表1
引物序列"
引物名称 Primer name | 克隆用引物序列 Sequence for gene cloning (5′-3′) | 引物名称 Primer name | 表达分析用引物序列 Sequence for gene expression analysis (5′-3′) | |
---|---|---|---|---|
StHSP37.2 F | ACACCAGCAACTCCACAGAT | StHSP37.2 F’ | TATCGCGTTTCACGACCTCA | |
StHSP37.2 R | CATTTACTACTCATAATCAACCATCA | StHSP37.2 R’ | GCTTTCTTTGCAGCATCCTTT | |
StHSP37.0 F | GTAGGCAGTAGGATTCCGC | StHSP37.0 F’ | CCATTGTCGTTTGCGTCATTC | |
StHSP37.0 R | CTCAACACACCATCCTCCAA | StHSP37.0 R’ | CCAAGATCCCTTTGCTCCAT | |
StHSP22.6 F | ATCACTGCGCTCAACAATCTC | StHSP22.6 F’ | TCGCTAAGCAGTCGCAAGAG | |
StHSP22.6 R | ACCACGATGCTGAGGATGC | StHSP22.6 R’ | GAAGGCAAAGGAGCGGTGG | |
β-tubulin F | CAACGAAGCCTCCAACAACA | |||
β-tubulin R | CTCGGTGTAGTGACCCTTTGC |
表2
玉米大斑病菌sHSP家族蛋白的理化性质和亚细胞定位预测"
项目Item | StH<BOLD>SP</BOLD>22.6 | StH<BOLD>SP</BOLD>37.2 | StH<BOLD>SP</BOLD>37.0 |
---|---|---|---|
分子式Formula | C1000H1548N290O308S2 | C1619H2522N474O532S4 | C1595H2384N510O509S7 |
氨基酸数目Number of amino acids | 196 | 334 | 342 |
等电点pI | 6.19 | 5.04 | 5.74 |
疏水性系数Grand average of hydropathicity | -0.997 | -0.912 | -1.030 |
不稳定系数Instability index | 52.62 | 63.02 | 39.50 |
亚细胞定位 Subcellular localization | 细胞核Nucleus 细胞质Cytoplasm | 细胞核Nucleus | 细胞核Nucleus |
表3
玉米大斑病菌sHSP家族蛋白的二级结构预测"
家族成员 Family member | α-螺旋α-helix | β-折叠β-sheet | β-转角β-turn | 无规则卷曲Random coil | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
数目 Number | 比例 Ratio (%) | 数目 Number | 比例 Ratio (%) | 数目 Number | 比例 Ratio (%) | 数目 Number | 比例 Ratio (%) | |
StHSP37.2 | 91 | 27.25 | 37 | 11.08 | 9 | 2.69 | 197 | 58.98 |
StHSP37.0 | 67 | 16.92 | 59 | 14.90 | 31 | 7.83 | 239 | 60.35 |
StHSP22.6 | 59 | 18.91 | 54 | 17.31 | 15 | 4.81 | 184 | 58.97 |
图7
玉米大斑病菌sHSP在HT-毒素诱导过程中的表达模式及HT-毒素活性测定 A:HT-毒素活性测定HT-toxin activity assay(CK1:10% DMSO;CK2:无接种培养基提取毒素Toxin extraction from medium without inoculation;WT:野生型菌株01-23 Wild-type strain 01-23;ΔSTK1:STK1基因敲除突变体STK1 gene knockout mutant);B:RNA-Seq转录组分析RNA-Seq analysis;C:RT-qPCR分析RT-qPCR analysis。*:P<0.05;**:P<0.01;***:P<0.001;****:P<0.0001"
表4
与StHSP37.2、StHSP37.0和StHSP22.6显著相关的基因及功能注释"
靶基因 Target gene | 正相关基因及功能注释 Positive correlation gene and functional annotation | 负相关基因及功能注释 Negative correlation gene and functional annotation | ||
---|---|---|---|---|
StHSP37.2 | 117863* | 2.A.1.44.1 L-氨基酸转运蛋白-3 The L-amino acid transporter-3, LAT3; r=0.98, P=4.0e-16 | 25166 | 1.A.35.5.1线粒体内膜Mg2+通道蛋白Mitochondrial inner membrane Mg2+ channel protein, Mrs2; r=-0.88, P=1.0e-08 |
150187 | KOG0546 HSP90共伴侣HSP90 co-chaperone CPR7/ cyclophilin; r=0.98, P=3.1e-17 | 89201 | PF09349OHCU脱羧酶Decarboxylase; r=-0.88, P=1.3e-08 | |
162245 | KOG2825亚砷酸盐转运ATP酶 Putative arsenite- translocating ATPase; r=0.98, P=7.2e-16 | 157713 | PF08241甲基转移酶Methyltransferase; r=-0.90, P=1.6e-09 | |
165581 | KOG1667 Zn2+结合蛋白Zn2+-binding protein Melusin/ RAR1; r=0.98, P=1.6e-16 | 165190 | KOG2393转录起始因子IIF Transcription initiation factor IIF, large subunit (RAP74); r=-0.88, P=1.8e-08 | |
165808 | KOG0156细胞色素P450 CYP2亚家族 Cytochrome P450 CYP2 subfamily; r=0.98, P=1.1e-16 | 166884 | KOG0234果糖-6-磷酸2-激酶Fructose-6-phosphate 2-kinase/fructose-2,6-biphosphatase; r=-0.87, P=3.0e-08 | |
166021 | KOG0019分子伴侣(HSP90家族)Molecular chaperone (HSP90 family); r=0.98, P=3.0e-18 | 1337606 | PF08427 Armadillo类螺旋结构域蛋白3 Armadillo-like helical domain-containing protein 3, C-terminal; r=-0.91, P=1.2e-09 | |
StHSP37.0 | 31815 | PF00545核糖核酸酶Ribonuclease; r=0.96, P=3.1e-14 | 28099 | KOG1969 DNA复制检查点蛋白DNA replication checkpoint protein CHL12/CTF18; r=-0.83, P=5.0e-07 |
148030 | PF10503酯酶PHB解聚酶Esterase PHB depolymerase; r=0.93, P=7.5e-11 | 43017 | PF11754 Velvet因子Velvet factor; r=-0.83, P=6.9e-07 | |
164754 | PF06108未知功能蛋白Protein of unknown function (DUF952); r=0.94, P=2.0e-11 | 43464 | KOG1974 DNA拓扑异构酶I互作蛋白DNA topoisomerase I-interacting protein; r=-0.84, P=2.6e-07 | |
164808 | KOG1614外泌体3′-5′核糖核酸酶复合物Exosomal 3′-5′ exoribonuclease complex, subunit Rrp45; r=0.93, P=6.0e-11 | 145658 | 未知蛋白Unknown protein; r=-0.85, P=1.2e-07 | |
166696 | PF13419卤酸脱卤酶样水解酶Haloacid dehalogenase-like hydrolase; r=0.97, P=6.9e-15 | 183743 | KOG2483上游转录因子Upstream transcription factor 2/L-myc-2 protein; r=-0.89, P=7.8e-09 | |
1467493 | 2.A.1.3.27液泡碱性氨基酸转运蛋白The vacuolar basic amino acid (Arg, Lys, His) transporter, Vba3; r=0.93, P= 5.4e-11 | 1116535 | 未知蛋白Unknown protein; r=-0.84, P=3.4e-07 | |
StHSP22.6 | 91583 | KOG1051分子伴侣HSP104及相关ATP-依赖Clp蛋白酶Chaperone HSP104 and related ATP-dependent Clp proteases; r=0.93, P=4.1e-11 | 28352 | KOG2645核苷酸焦磷酸酶Nucleotide pyrophosphatase/Type I phosphodiesterase; r=-0.88, P=2.1e-08 |
163286 | KOG0730 AAA+型ATP酶AAA+-type ATPase; r=0.95, P=2.3e-12 | 46176 | IPR029069 HotDog域超家族HotDog domain superfamily; r= -0.85, P=1.1e-07 | |
165491 | KOG1051分子伴侣HSP104及相关ATP-依赖Clp蛋白酶Chaperone HSP104 and related ATP-dependent Clp proteases; r=0.95, P=1.5e-12 | 86594 | KOG0960线粒体加工肽酶Mitochondrial processing peptidase, beta subunit, and related enzymes; r=-0.85, P=1.9e-07 | |
174460 | PF11951真菌特异性转录因子Fungal specific transcription factor domain; r=1.00, P=1.4e-28 | 99139 | KOG0465线粒体延伸因子Mitochondrial elongation factor; r=-0.85, P=1.9e-07 | |
1367638 | KOG1192 UDP-葡糖醛酸基和葡糖基转移酶UDP-glucuronosyl and UDP-glucosyl transferase; r=0.94, P=4.5e-12 | 117439 | GO:0000981 II型RNA聚合酶RNA polymerase II-specific; r=-0.86, P=6.3e-08 | |
1465755 | KOG0548分子伴侣Molecular co-chaperone STI1; r=0.93, P=4.4e-11 | 165190 | KOG2393 转录起始因子Transcription initiation factor IIF, large subunit (RAP74); r=-0.84, P=2.1e-07 |
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