櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄
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小麦白粉菌BgtVosA、BgtVelB、BgtBrlA基因的克隆
及在调控无性繁殖中的作用
曾凡松1,翟亚美1,袁 斌1,龚双军1,向礼波1,薛敏峰1,阙亚伟1,史文琦1,
郑 磊2,张 强2,杨立军1,喻大昭1
(1.农业农村部华中作物有害生物综合治理重点实验室/农作物重大病虫草害防控湖北省重点实验室/
湖北省农业科学院植保土肥研究所,湖北武汉430064;2.山东金正大生态工程集团股份有限公司,山东临沂276700)
  摘要:为了明晰小麦白粉菌BgtVosA、BgtVelB、BgtBrlA基因的序列特点及它们在白粉菌产孢过程中的表达动态,为解析velvet蛋白在调控白粉菌无性繁殖中的作用提供理论依据,采用基于RNA-seq数据的克隆测序技术获得BgtVosA、BgtVelB、BgtBrlA基因的CDS序列,用生物信息学方法分析它们编码的蛋白质序列特征和空间结构,用RT-qPCR监测它们在白粉菌分生孢子形成时期的表达模式。结果表明,BgtVosA、BgtVelB、BgtBrlA基因的ORF长度依次为1470、1341、1143bp,分别编码489、446、380个氨基酸,分子量在54.0~48.0ku,属于碱性、亲水性、热不稳定蛋白质,均含有核定位信号,不含跨膜螺旋和信号肽,空间结构呈现出近球形。BgtVosA、BgtVelB、BgtBrlA分别与其他真菌来源的VosA、VelB、BrlA蛋白具有同源性,且与白粉菌同源蛋白具有更近的亲缘关系,氨基酸序列在白粉菌自然体中均高度保守。B
gtVosA、BgtVelB属于典型的velvet蛋白家族成员,可能通过分子互作形成复合物,但其结构与构巢曲霉同源蛋白复合物存在明显差异。在小麦白粉菌无性繁殖阶段,BgtVosA、BgtVelB基因均显著上调(P<0.01),BgtBrlA表达水平没有显著变化(P>0.05)。DNA结合区域分析推测BgtVosA-BgtVelB复合物不能靶向BgtBrlA启动子,调控其BgtBrlA的表达。BgtVosA、BgtVelB基因在调控白粉菌无性生殖中起重要作用。  关键词:小麦白粉菌;Velvet蛋白;BrlA基因;无性产孢;表达分析
  中图分类号:S435.121.4+
6  文献标志码:A  文章编号:1002-1302(2023)16-0026-09
收稿日期:2022-11-23
基金项目:国家小麦产业技术体系建设专项(编号:CARS-3-1-2)。作者简介:曾凡松(1980—),男,湖北宜昌人,博士,副研究员,主要从事小麦病害防控研究。E-mail:zengfansong2005@126.com。通信作者:杨立军,博士,研究员,主要从事小麦病害防控研究。E-mail:Yanglijun1993@163.com。
  小麦白粉病是由禾谷类白粉菌小麦专化型
(Blumeriagraminisf.sp.tritici,Bgt)引起的重要病害。白粉病降低小麦的产量和品质,在我国常年发
生面积约7
00万hm2
,对小麦生产造成了严重威胁[1]。禾谷类白粉菌只能在活的寄主上生活,可通过有性生殖和无性生殖繁衍后代,其中有性生殖每年只发生1次;而无性生殖可在1个生长季节发生
很多次,产生的分生孢子不仅是无性世代的繁殖
体,而且是病害流行的主要侵染源[2]
。分生孢子落
在小麦叶片上1d
后侵入寄主表皮细胞,2d后形成成熟的吸器,从寄主细胞中不断汲取营养物质,3d后形成大量的营养菌丝,4d后进入无性生殖阶段,菌丝上开始形成足细胞,5d后开始形成分生孢子梗,不断分化出分生孢子,在风力的作用下扩散传
播,导致病害迅速扩散[3]
。解析白粉菌产孢相关基
因的功能,有助于揭示白粉菌无性繁殖的分子机制,为白粉病的流行和防控提供理论依据。关于丝状真菌产孢遗传机制的研究始于对构巢曲霉(Aspergillusnidulans)的研究。BrlA基因编码1个C2H2—锌指转录因子,它能够激活AbaA、WetA基因的表达,这3个基因组成的BrlA-AbaA-WetA途径
在构巢曲霉无性产孢过程中起核心调控作用[4]
Velvet家族蛋白是丝状真菌特有的蛋白,它们具有Velvet结构域,参与真菌无性、有性发育过程的调控和次生代谢产物的合成,其成员包括VosA(viabilityofsporesA)、VeA(velvet)、VelB(velvetlikeB)、
VelC(velvetlikeC)、VelD(velvetlikeD)[5-6]
Velvet蛋白可在BrlA-AbaA-WetA途径下游起调控作用,其中VosA能够与VelB形成复合物,结合到BrlA的启动子区域,反馈抑制BrlA的表达,从而影
响分生孢子的数量和成熟[7-8]
。VosA、VelB能够直
接或间接地调节异源G蛋白信号转导途径和促分裂原蛋白激酶信号途径相关基因,影响真菌无性生
殖、初生代谢和次生代谢[9-10]
。国内外关于白粉菌
velvet蛋白的研究还未见报道。从已发表的小麦白粉菌基因组中到了3个含有velvet结构域的蛋白,NCBI登录号分别为:EPQ65573.1、EPQ63747.1、
EPQ67732.1[11]
白粉菌无法在人工培养基上生长,只能在活的寄主上存活,因而很难对其进行遗传转化,基因功能研究
进展速度偏慢。本研究对小麦白粉菌2个velvet蛋白BgtVosA、BgtVelB以及调控因子BgtBrlA进行了氨基酸序列分析、功能注释、结构预测和变异位点检测,对这些基因在小麦白粉菌分生孢子形成过程中的表达谱进行了监测,旨在为揭示白粉菌无性生殖调控的分子机制奠定基础。1 材料与方法1.1 试验材料
供试的小麦白粉菌菌株Bgt21-2来自江苏省
盐城市[12]
。培养白粉菌的小麦材料为感病品种
Chancellor。种植小麦的土壤为含有水溶肥(山东金正大生态工程集团股份有限公司)的营养土,白粉
菌的接种、扩繁参照Y
ang等的方法[3]
。菌株在Chancellor离体叶段上进行扩繁,每12d扩繁1次。1.2 基因克隆
以构巢曲霉AnVosA、AnVelB(NCBI登录号分别为ABI51618.1、ABQ17967.1)和烟曲霉(A.fumigatus)AfBrlA蛋白质序列(NCBI登录号XP_753026.1)为查询序列,在已发表的参考菌株
96224蛋白质数据库[11]
中进行BLASTp比对,获得
BgtVosA、BgtVelB、BgtBrlA的候选蛋白。根据菌株Bgt21-2分生孢子形成阶段转录组测序的reads比
对参考基因组后的数据[13]
,获取覆盖3个基因ORF
的cDNA序列。采用PrimerPremier6.0软件从ORF上游和下游设计引物,送武汉天一辉远生物科技有限公司合成。
采用醋酸纤维素包埋法[14]
将接种5d后的小
麦叶片表面的菌丝体剥离,液氮速冻后保存备用。
采用T
rizol试剂盒和PrimeScriptTM
反转录试剂盒(大连宝生物科技有限公司)提取总R
NA和合成cDNA。以cDNA为模板进行PCR扩增。25μL反应体系包含1μLcDNA,2.5μL10×ExTaqPCR
buffer,1.25μL50mmol/LMg2+
,0.5μL10mmol/L
dNTPs,上下游引物各0.5μL,0.25μLExTaq酶(大连宝生物科技有限公司),补ddH2O至25μL。反应程序:95℃预变性5min;95℃10s,55℃30s,72℃2.5min,40个循环;72℃10min。PCR产物
经凝胶回收后连接到T-vectorpMDTM
19,送武汉天
一辉远生物科技有限公司测序。为检测目的基因DNA序列变异,采用CTAB法提取菌株分生孢子样
品中的基因组DNA[15]
。用相同的方法进行PCR扩
增、产物连接和序列测定。1.3 基因序列特征分析
采用DNAMANv6.0软件和NCBIORFfinder工具对基因编码区进行序列分析。采用ExPASy-ProtParam和ExPASy-Scale工具分析蛋白质氨基酸的理化性质,包括分子量、理论等电点、脂肪指数和
亲水性指数[16]
。采用SinalPv5.0、NLStradamus和
TMHMMv2.0等软件预测蛋白质的信号肽、核定位
信号和跨膜区[
17-19]
。采用MEMESuitev5.5.0进行motif分析。采用I-TASSER在线工具计算B-因子(B-factor),预测蛋白质二级结构和三级
结构[20]
。采用ZDOCKServer(https://zdock.
umassmed.edu/)进行蛋白之间的分子对接[21]。1.4 系统发育树的构建
将目标蛋白质序列在NCBInr蛋白质数据库中进行BLASTp比对,搜索并下载同源序列。采用MEGAv6.0软件和邻接法(Neighbor-Joiningmethod)进行序列比对和系统发育树构建[22],并进行bootstrap1000次重复检验。
1.5 表达谱分析
在接种菌株Bgt21-2后3dpi(菌丝生长期)、4dpi(足细胞发育期)和5dpi(分生孢子梗发育期),取感染的小麦离体叶段进行台盼蓝染,显微观察和拍照。采用醋酸纤维素包埋法收集3个时间点的叶表面菌体,每个时间点样品重复3次。总RNA的提取和cDNA合成方法同“1.2
”节。根据“1.2”节方法克隆的目标基因的ORF序列,设计引物送武汉天一辉远生物科技有限公司合成。PCR反应体系采用2×Q3SYBRqPCRMasterMix-UniversalKit(吐露港生物科技有限公司)配制。PCR反应参照Hacquard等的方法[14]执行。PCR反应在ABI7500real-timePCR仪上完成,每个反应重复3次。采用2-ΔΔCT方法和SPSSv26.0软件计算基因相对表达量和统计分析[23]。
2 结果与分析
2.1 BgtVosA、BgtVelB、BgtBrlA基因的克隆
通过BLASTp比对从菌株96224基因组中获得了候选BgtVosA、BgtVelB、BgtBrlA蛋白序列,NCBI登录号分别为EPQ63747.1、EPQ65573.1、EPQ63980.1。根据菌株Bgt21-2转录组reads覆盖参考基因组区段,从非编码区设计了特异性PCR引物对(表1)。以5dpi菌体样品总RNA反转录生成的cDNA为模板进行PCR扩增,分别获得了覆盖BgtVosA、BgtVelB、BgtBrlA等3个基因完整ORF区域的cDNA序列,包含完整的ORF区域长度,分别为1470、1341、1143bp,编码489、446、380个氨基酸(图1),其中BgtVosA、BgtVelB各含有3、4个内含子,BgtBrlA不含内含子(图2)。
2.2 BgtVosA、BgtVelB、BgtBrlA蛋白的理化性质、序列特征和功能注释
BgtVosA、BgtVelB、BgtBrlA这3个基因编码的蛋白质的分子量分别为54.6、47.8、43.7ku,等电点为7.2~8.0,均属于偏碱性蛋白质。这些蛋白亲水指数(GRAVY)为-0.93~-0.50,脂肪指数为42.0~
表1 用于基因克隆和表达量检测的PCR引物
用途引物名称序列(5′→3′)
目标基因序列扩增BgtVosA-cDNA-FCACACTAATCCACCAAGCCC
BgtVosA-cDNA-RTACGGACATCAAGAGCCCAG
BgtVelB-cDNA-FCAAGTCGCCGTTAGACCTCAT
BgtVelB-cDNA-RGACTACCGAGTTCAGCGTGG
BgtBrlA-cDNA-FTGTTTCAGAAAACCGCCAGTC
BgtBrlA-cDNA-RAAAAGTTTACCGCCCCTCCG目标基因表达量测定Bg
tVosA-exp-FGGCAATCAATCACAACCAA
BgtVosA-exp-RAGGCTCTCCAGTGTCTAT
BgtVelB-exp-FCGTCTTCAGCGTCTACTC
BgtVelB-exp-RCGTCTTTGCGAATAGGGAT
BgtBrlA-exp-FCTGTGCCCTACCACAATGCT
BgtBrlA-exp-RGTCAAGCGGTGAAGACGGAT内参基因的扩增β-tub-FGCTATTCAGACCAGACAACT
β-tub-FCTTCTCTTCGCACCACAT
59.0,提示它们都是亲水性、热不稳定蛋白。3个蛋白均不含跨膜区和信号肽(表2)。BgtVosA、BgtVelB、BgtBrlA蛋白的核定位信号分别位于第191~204位氨基酸(RVRKEQNRTLIRKR)、第431~437位氨基酸(RKDAAKG)、第325~358位氨基酸(DKGGPDRPNRRTQYFKDAGKIIKAMSRRGGKLFS)。BgtVosA、BgtVelB具有典型的velvet结构域(Pfam数据库:PF11754.11;
Interpro数据库:IPR037525),属于velvet蛋白。BgtBrlA蛋白是1个C
型锌指蛋白(Pfam数据库:PF02200.19;PF13465.9;Interpro数据库:IPR013087),具有结合DNA和调控转录的功能,推测为1个转录因子(图2)。
2.3 BgtVosA、BgtVelB、BgtBrlA蛋白的系统进化分析
选择同源蛋白质序列分别构建BgtVosA、BgtVelB、BgtBrlA的系统进化树(图3)。BgtVosA与来自白粉菌的同源蛋白能聚到1个较大的分支中。小麦白粉菌、小黑麦白粉菌、大麦白粉菌等禾谷类白粉菌的同源蛋白之间的亲缘关系最近,处在同1个小分支中。它们与来自拟兰芥白粉菌等双子叶植物上白粉菌的同源蛋白也具有较近的亲缘关系。BgtVelB、BgtBrlA呈现出类似的结果,但不同的是,来自白粉菌的同源蛋白与来自腐生生活真菌的同源蛋白分别处在彼此独立的分支中,表现出更远的进化距离。
  同源蛋白的模体分析表明,从BgtVosA、BgtVelB、BgtBrlA的同源蛋白中分别到了10、6、5个保守的模体。23个VosA同源蛋白均含有Motif1、
表2 BgtVosA、BgtVelB、BgtBrlA蛋白质生物信息学特征分析
蛋白成熟多肽
长度
分子量
(u)
理论
等电点
(pI)
脂肪
指数
亲水性
指数
信号
肽数
核定位
q空间背景音乐克隆信号
跨膜
螺旋数
结构域
BgtVosA48954550.67.2356.89-0.7270191-204aa0Velvet结构域(第29~93位氨基酸;第86~197位氨基酸)BgtVelB44647772.07.2958.07-0.5300431-437aa0Velvet结构域(第113~4
34位氨基酸)
BgtBrlA38043656.57.9742.66-0.9270325-358aa0C2H2型锌指蛋白
Motif2、Motif3、Motif4,它们的注释为velvet蛋白结构域。在25个VelB同源蛋白序列中发现了4个保守的模体,分别为Motif1、Motif2、Motif3、Motif4,它们均为velvet蛋白结构域。18个BrlA同源蛋白中高度保守的模体包括Motif1、Motif2、Motif4、Motif5,其中Motif1、Motif2为锌指结构域,Motif5为核定位信号序列(图3)。
2.4 BgtVosA、BgtVelB、BgtBrlA蛋白二级和三级结构分析
BgtVosA的二级结构含有4个α螺旋和9个延