PMA1在指状青霉生长和致病过程中的作用及其调控机制初探

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由指状青霉(Penicillium digitatum)侵染引起的柑橘绿霉病是导致柑橘果实采后腐烂的重要原因之一,目前主要使用化学杀菌剂进行防治,但化学杀菌剂的长期、大量使用引起众多抗性菌株出现,进而导致化学杀菌剂的药效降低,使用周期缩短。因此,亟需研发具有新型作用靶点、低毒、高效的杀菌剂。质膜H+-ATP酶(Plasma membrane H+-ATPase,PMA1)负责维持真菌胞浆p H平衡和调节营养物质的吸收,在真菌的生长和致病性方面起着关键作用,同时PMA1因其具有真菌结构特异性也是潜在的药物作用靶点。PMA1在植物和酵母生长过程的多个阶段均发挥着重要作用,但它在植物病原真菌中的功能和调节机制尚未明确。本试验运用RNA干扰(RNA interference,RNAi)和过表达技术获得PMA1基因突变菌株,并测定PMA1对指状青霉菌丝生长、孢子萌发、孢子活力、致病力及酸碱胁迫、离子胁迫、质子泵抑制剂耐受性的影响,进一步分析PMA1在指状青霉生长及致病力中的作用机制,探讨PMA1作为柑橘绿霉病新型杀菌剂靶点的潜力。主要结果如下:(1)PMA1基因沉默、过表达载体构建及其突变株的获得:试验采用RNAi和过表达技术成功构建PMA1基因沉默载体p-PS-A-H-3300和过表达载体p-H-PP-3300,并筛选到一系列PMA1基因不同表达水平的转化子,最终选择si57(沉默效率53%)、si194(沉默效率84%)和oe9(表达量上调约100%)进行后续试验。(2)PMA1基因沉默对指状青霉生长特性的影响。与指状青霉野生型菌株(Wild-type,WT)相比,si57和si194菌落直径分别减少了33.3%和11.7%,而oe9则增加了16.7%;与WT相比,si57菌丝生物量下降58.12%,生物量显著降低,过表达菌株生物量为1.03±0.0678 g,是WT菌株的1.65倍;PMA1基因沉默菌株孢子萌发率、孢子产量和孢子活力显著低于WT菌株,过表达菌株呈现相反变化趋势;si57菌株侵染柑橘果实致病能力明显减弱,病斑直径(47.28±2.69 mm)明显小于WT菌株(94.30±1.83 mm),oe9菌株接种的柑橘果实腐烂程度呈现更严重的发展趋势,病斑直径达到107.0±0.707 mm;在偏酸和偏碱条件下,PMA1基因沉默菌株菌丝生长抑制率明显高于WT菌株;与WT相比,si57对高浓度的Ca2+、Cu2+、Fe2+敏感;此外,si57对质子泵抑制剂敏感性显著高于WT菌株,oe9菌株敏感性显著降低。(3)PMA1基因沉默对指状青霉生长和致病性影响的作用机制研究。通过形态学观察,与WT相比,si57细胞形态发生显著变化,细胞壁明显加厚,极性生长点细胞膜破损,内容物泄露,以及细胞内部形成大量自噬体;与细胞壁形态变化一致,si57菌丝细胞壁几丁质和葡聚糖含量明显降低,并伴随几丁质酶和葡聚糖酶活性增加及相关基因表达水平分别上调表达;与WT相比,si57菌丝麦角甾醇含量降低,细胞膜透性增加,导致胞质内容物(离子、还原糖和可溶性蛋白质)泄漏,PI染色荧光增强进一步证明菌丝细胞膜透性增加;此外,在离体和活体条件下,si57细胞壁降解酶活性普遍低于WT菌株,相关降解酶基因相对表达水平均呈下调趋势;自噬通路重要调节基因Atg1、Atg15以及真菌凋亡重要基因metacaspase-1相对表达量均显著高于WT菌株,表明PMA1基因沉默可能激活指状青霉细胞自噬和凋亡程序。综上所述,PMA1基因沉默通过影响细胞壁和细胞膜组分以及降低细胞壁降解酶活性,从而影响指状青霉菌丝生长速率、孢子活力、产孢量和致病力等,同时si57菌株对酸碱环境、高浓度金属离子胁迫和质子泵抑制类杀菌剂敏感性增加。这表明PMA1在指状青霉生长和致病力方面起着重要作用,可作为研制柑橘绿霉病新型杀菌剂的潜在作用靶点。
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