雷帕霉素对山核桃干腐病菌生长及侵染的调控机制

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雷帕霉素是由吸水链霉菌(Streptomyces hygroscopicus)产生的大环内酯类抗生素,具有高效抑菌活性。雷帕霉素通过抑制雷帕霉素靶蛋白(Target of Rapamycin,TOR)调节细胞生长。为深入探究雷帕霉素抑菌机制,本文以山核桃干腐病菌(Botryosphaeria dothidea)为靶标病菌,测定了雷帕霉素对病菌菌丝生长的抑制效果,分析了雷帕霉素对病菌菌丝细胞生长及致病性的调控特征,研究了雷帕霉素对病菌生长及致病性的分子机制,探讨了TOR信号调控系统在病菌中的调控机制。主要研究结果如下:(1)采用菌丝生长速率法,测定了雷帕霉素对山核桃干腐病菌菌丝生长的抑制效果。结果发现,雷帕霉素处理5 d后,病菌菌丝生长受到显著抑制,抑制中浓度(EC50)值为5.00×10-3μg/m L,显著低于嘧菌酯(EC50值为6.32μg/m L)。采用菌丝生物量测定法,测定了雷帕霉素对病菌菌丝生物量积累的抑制效果。结果发现,雷帕霉素处理4 d后,病菌菌丝生物量积累受到显著抑制,EC50值为2.00×10-3μg/m L。结果表明雷帕霉素对山核桃干腐病菌的菌丝生长具有极强的抑制作用。(2)在光学显微境及扫描电子显微镜下,观测了雷帕霉素对山核桃干腐病菌菌丝细胞的影响。结果发现,5.00×10-3μg/m L雷帕霉素处理5 d后,病菌菌丝明显变细,表面出现破裂,分叉明显增加,末端菌丝隔膜增多,出现溢缩现象,菌丝颜色变深,菌丝细胞表现出提早衰老的特征,推测雷帕霉素诱导了病菌菌丝细胞凋亡。(3)采用油红O染色法,观测了雷帕霉素对山核桃干腐病菌菌丝细胞脂滴形成的影响。结果发现,雷帕霉素的添加显著促进了病菌脂滴积累,积累程度随雷帕霉素浓度的提高而增加。例如5.00×10-3μg/m L雷帕霉素处理5 d后,脂滴平均直径增加了11倍,每个细胞脂滴数量减少了66.7%,推测雷帕霉素诱发了病菌营养饥饿响应。(4)采用玻璃纸渗透法,测定雷帕霉素对山核桃干腐病菌的氮源响应及菌丝侵染的影响。结果发现,氮源对病菌菌丝侵染具有调控作用,铵态氮抑制菌丝侵入,而硝态氮无抑制作用,不同氨基酸对病菌侵染的调控效果不一。进一步研究发现,雷帕霉素可显著减弱铵态氮对病菌侵染能力的抑制。结果表明雷帕霉素调控病菌对铵态氮的代谢响应,并调控病菌的侵染能力。(5)为便于深入研究雷帕霉素对山核桃干腐病菌的作用机制,我们完成了病菌CK16全基因组测序及组装,CK16的核基因组由1 303个scaffolds组成,总组装长度44.39 Mbp(N50=354 846 bp),GC含量为54.60%,最大scaffolds为1 483 403 bp。发现了538个糖苷水解酶基因及46个毒素合成相关NRPS、PKS、DMATS等基因。(6)采用转录组分析技术,测定了雷帕霉素对山核桃干腐病基因表达的差异性。结果发现,5.00×10-3μg/m L雷帕霉素处理1 d后,差异表达基因总数1 308个,其中上调532个,下调776个。进一步发现,雷帕霉素通过TOR信号系统对于Bd Sch9、Bd Ppg1、Bd Sitf1、Bd Imp1等致病关键基因及Bd ATG1、Bd ATG5、Bd ATG7、Bd ATG17等自噬相关基因均具有负调控作用,初步明确了雷帕霉素通过抑制TOR激酶,诱发病菌细胞自噬相关基因、毒素产生相关基因、脂滴发生相关基因以及致病相关基因的表达。综上所述,本研究明确了雷帕霉素对山核桃干腐病菌生长的抑制功能,确定了雷帕霉素诱导病菌细胞凋亡的特征,发现雷帕霉素可通过氮源响应调控病菌侵染,初步揭示了雷帕霉素对病菌生长及致病性的分子调控机制,为抗真菌新靶标的筛选提供基础,为林木溃疡病致病机制研究提供参考。
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