芝麻茎点枯病菌两种细胞壁降解酶活性分析

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  摘要
  为明确芝麻茎点枯病菌漆酶(Lac)和聚甲基半乳糖醛酸酶(PMG)活性,采用分光光度法测定了9株芝麻茎点枯病菌漆酶活性和聚甲基半乳糖醛酸酶活性。结果表明,芝麻茎点枯病菌胞内、胞外均能检测到漆酶,不同菌株之间漆酶活性差异显著;芝麻茎点枯病菌体外培养能持续产生聚甲基半乳糖醛酸酶,并且不同菌株之间聚甲基半乳糖醛酸酶活性差异显著。
  关键词
  芝麻;茎点枯病菌;漆酶;聚甲基半乳糖醛酸酶
  中图分类号:
  S 435.653
  文献标识码:A
  DOI:10.3969/j.issn.05291542.2015.05.012
  Abstract
  The purpose of this study is to examine and measure the enzyme activity. The Lac activity and PMG activity of nine strains of Macrophomina phaseolina were tested by spectrophotom.The results demonstrated that intracellular Lac activity and extracellular Lac activity could be detected in M.phaseolina, and the Lac activity difference was significant among strains. PMG could be produced by M.phaseolina continuously during ten days, and the PMG activity difference was also significant among strains.
  Key words
  sesame;Macrophomina phaseolina;Lac;PMG
  芝麻茎点枯病是危害芝麻最严重的真菌病害之一,该病害破坏性强,每年造成的损失高达30%以上。引起芝麻茎点枯病的病原菌菜豆壳球孢[Macrophomina phaseolina(Tassi)Goid][1],在世界范围内能侵染500多种植物,具有土传和种传的特性,其菌核能在土壤或病残体上存活4年以上[2]。
  植物细胞壁是防止病原真菌侵入的屏障,也是寄主与病菌互作的重要场所[3],植物细胞壁主要由多糖(如纤维素、半纤维素和果胶)、蛋白质和木质素等构成[4]。在长期的进化过程中,植物病原真菌能产生可降解植物细胞壁成分的胞外酶,这些酶通过消化植物细胞壁聚合物为病菌生长提供营养物质,辅助其在寄主组织中定殖和扩散[5]。漆酶是一种含铜的多酚氧化酶,不但可降解木质素[6],而且可促进纤维素和果胶等细胞壁成分的降解。研究表明,漆酶是许多病原真菌致病的毒力因子,例如,漆酶与板栗疫病菌的致病力[7]、根瘤菌的抗逆性和致病性密切相关[8],在新生隐球菌的致病过程中起重要作用[9]。Islam等对M.phaseolina基因组测序分析表明,其木质素降解酶系统包括漆酶、木质素过氧化物酶、半乳糖氧化酶、氯过氧化物酶、卤过氧化物酶、血红素过氧化物酶[10]。另一种细胞壁降解酶,聚甲基半乳糖醛酸酶(PMG)能作用于α1,4键,使果胶中的聚半乳糖醛酸水解,释放出单体的半乳糖醛酸,进而促使细胞的裂解。冯晶等[11]的研究结果表明,玉米弯孢霉叶斑病菌能按照一定的顺序产生一系列细胞壁降解酶。陈夕军等[12]认为水稻纹枯病菌(Rhizoctonia solani Kühn)的细胞壁降解酶在水稻纹枯病的暴发过程中起着重要作用,陈兵等[13]认为果胶酶与水稻纹枯病菌的致病性关系密切。目前,关于芝麻茎点枯病菌产生的细胞壁降解酶种类及活性分析鲜有报道[1418]。本研究测定了芝麻茎点枯病菌漆酶(Lac)和聚甲基半乳糖醛酸酶(PMG)活性,分析比较了其变化规律,旨在为芝麻茎点枯病菌致病机理研究奠定基础。
  1材料与方法
  1.1供试菌株
  芝麻茎点枯病菌共9株,分别于2009-2010年采集于河南、江西和安徽省,由河南省农业科学院植物保护研究所生防室分离保存(表1)。
  1.2方法
  1.2.1菌株培养
  将-20 ℃保存的9株芝麻茎点枯病菌接种在PDA培养基上,30 ℃黑暗培养2 d,再转接至新鲜PDA培养基上30 ℃黑暗培养4 d,备用。
  1.2.2芝麻茎点枯病菌漆酶活性
  1.2.2.1漆酶活性检测
  在培养4 d的菌落平板上打取菌饼(d=6 mm),将菌饼分别接种到含0.03% ABTS[2,2联氮双(3乙基苯并噻唑6磺酸)二铵盐]和3 g/L KNO3的PDA培养基平板中间、含0.01% 苯胺蓝(azureB)的BM培养基(酵母膏10 g,葡萄糖20 g,琼脂粉18 g,水1 000 mL)平板中间[19],以菌饼接种在PDA培养基平板中间为空白对照,30 ℃黑暗培养3 d。每天观察培养基颜色变化情况,每个处理3次重复。
  1.2.2.2芝麻茎点枯病菌漆酶活性测定
  将培养4 d的产漆酶菌株菌饼接种到含有20 mL Fries培养基(蔗糖30 g,酒石酸钾钠7.7 g,酵母提取物0.5 g,NH4NO31 g,KH2PO4 1 g,MgSO4 0.5 g,NH4Cl 2.9 g,CaCl2 0.1 g,CuSO4·5H2O 0.625 g,蒸馏水定容至1 000 mL,pH 4.0)的50 mL三角瓶中,30 ℃黑暗静置培养10 d。培养物10 000 r/min离心10 min,上清液用于胞外酶活力测定。菌丝用01 mol/L TrisHCl(pH 4.0)缓冲液冲洗2次后,加1 mLTrisHCl重悬菌丝,-20 ℃冰冻过夜。在冰上迅速将冰冻的菌丝研磨成匀浆后转移至10 mL离心管中,再用1 mL TrisHCl缓冲液冲洗研钵,洗液转入同一离心管,4 ℃ 10 000 r/min离心10 min,吸出上清液,即为粗酶液,用于胞内酶活力测定。漆酶活力测定参照曹志艳等[18]的方法。在420 nm波长下,连续测定前5 min内吸光值的变化,按下式计算漆酶活力。漆酶活力单位定义为1 min内,1 mL酶液的吸光值变化0.01个单位所需酶量为1个酶活力单位(U)。胞内酶和胞外酶粗酶液制备与测定均3次重复,取平均值。   酶活力(U/mL)=(At2-At1)×稀释倍数/[(t2-t1)×2×0.01]
  式中At1表示反应起始时的吸光度,At2表示反应终止时的吸光度,t1表示反应起始时的时间,t2表示反应终止时的时间。
  1.2.3芝麻茎点枯病菌聚甲基半乳糖醛酸酶活性
  1.2.3.1葡萄糖标准曲线的制作
  称取50 mg葡萄糖,溶解在50 mmol/L HAcNaAc (pH 5.0)缓冲液中,定容至25 mL,配制成2 mg/mL葡萄糖母液。分别量取葡萄糖母液0.1、02、0.4、0.6、08、1.0 mL于10 mL离心管中,加50 mmol/L HAcNaAc补至1.0 mL,配制成浓度梯度为0.2、0.4、0.8、12、1.6、 2.0 mg/mL的标准溶液,然后每管分别加入DNS (3,5二硝基水杨酸)2.0 mL,于沸水浴中加热2 min进行显色,取出后于冰浴中迅速冷却,各加入HAcNaAc缓冲液2 mL,振荡混匀,在540 nm处测定光吸收值。以1 mL HAcNaAc缓冲液替代替葡萄糖按同样方法显色作为空白对照,以葡萄糖含量为横坐标(x),吸光度为纵坐标(y),绘制标准曲线[20]。
  1.2.3.2聚甲基半乳糖醛酸酶提取与活性测定
  聚甲基半乳糖醛酸酶提取与活性测定参照薛莲等[21]的方法,采用DNS比色法测定PMG活性。参照病程曲线下面积(AUDPC)方法计算酶活发展曲线下面积(the area under enzyme activity progress curve,AUEAPC,简称A值),以每个菌株的A值表示其综合活性大小,按如下公式计算A值[2224]:
  A=∑ni=1(Xi Xi 1)(Ti 1-Ti)/2
  式中i为酶活测定次数,n为总测定次数,X为酶活,T为测定时间。
  2结果与分析
  2.1芝麻茎点枯病菌漆酶活性
  2.1.1病原菌产漆酶活性检测
  对芝麻茎点枯病菌在含ABTS的PDA平板、含苯胺蓝(azureB)的BM平板和对照PDA平板上的生长状况(图1)的观察表明,在对照PDA培养基上的9个菌株菌落形态没有明显差异,菌落呈圆形向外扩展,气生菌丝发达,菌落生长迅速,呈放射状,最初白色、后变为灰色,培养36 h左右,在平盘中央形成直径2 cm左右的黑色菌核区域,菌核呈密集的点状分布,并快速蔓延,由菌核产生的色素把整个平板染成亮黑色,培养50 h左右菌丝长满整个平板;在含有ABTS的PDA培养基上生长时,菌落变成了紫红色。说明9株茎点枯病菌分泌的漆酶氧化了培养基中的ABTS,并且随着培养时间的延长,9株菌的显色直径不断增大,颜色也不断加深;9个菌株对培养基上的苯胺蓝也具有不同程度的脱色作用,说明芝麻茎点枯病菌不仅能够产生漆酶,而且都具有不同程度的降解木质素的能力。0947由于气生菌丝比较发达,浓密的灰白色气生菌丝掩盖了其下的颜色变化。
  2.1.2漆酶活性测定
  细胞内和细胞外漆酶活性测定结果表明,9株芝麻茎点枯病菌胞内、胞外均有漆酶活性。菌株0954和2010030胞内漆酶活性低于胞外漆酶活性,其余7株菌胞内漆酶活性均明显高于胞外漆酶活性(表2)。9个菌株中,2010003的胞外酶活力最高,为14.12 U/mL;2010028胞内漆酶活性最高,为71.89 U/mL,约是其胞外酶活力的13倍。漆酶只有分泌到细胞外才能与作物木质素接触,因此,胞外酶活性的大小与病原菌致病力的大小密切相关,推测菌株2010003侵染芝麻时降解木质素能力最强。
  2.2聚甲基半乳糖醛酸酶活性测定
  试验得出葡萄糖标准曲线为x = (y 0.100 2)/0.724 2(r2=0.999 2),根据标准曲线计算PMG酶活。芝麻茎点枯病菌在活体外均能产生可降解果胶的细胞壁降解酶PMG(图2),在10 d内对9株病原菌进行5次酶活性测定均能检测到PMG活性,表明在培养过程中病原菌可持续产生果胶酶。菌株2010028、2010077第2天酶活最高;0954第6天酶活最高;0926、0938、2010003、2010004、2010030第8天酶活最高;0947第10天酶活最高。以AUEAPC为评价指标进行比较(表3),菌株2010003 A值最高,极显著地高于其他菌株,菌株0926的A值最低。A值在一定程度上反映了不同菌株PMG综合活性的大小,也反映了不同菌株降解果胶能力的强弱,进一步推测菌株2010003降解果胶能力最强。
  3讨论
  研究表明9株M.phaseolina菌株均能检测到漆酶活性和PMG活性,推测这两种酶可能在茎点枯病菌致病过程中起重要作用。M. phaseolina不同菌株之间漆酶活性存在明显差异,并且同一菌株其胞内和胞外的酶活力差异也比较明显。真菌中的漆酶常以同工酶的形式存在[25]。研究中所用培养基组成和培养条件一致,所以9株病原菌产漆酶的水平取决于菌株本身的生长特征和代谢状况,可能其胞内酶与胞外酶的结构不同,因此在致病过程中所起作用也不同。芝麻茎点枯病菌产生果胶降解酶PMG机制复杂,不但受果胶的诱导,而且还与其上游一系列基因的表达量、调控序列及环境因子等因素有关。只有细胞壁降解酶在寄主体内积累到一定量才会有致病作用,PMG活性高峰在不同菌株中出现的时间不同,可能会影响病菌侵入寄主的时间。M.phaseolina对芝麻的致病过程是一个复杂的过程,除能产生PMG和漆酶之外,还会产生其他胞壁降解酶,例如纤维素降解酶,另外还有毒素和激素等致病因子的存在。本研究证实了M.phaseolina能产生漆酶和PMG,菌株2010003胞外漆酶活性以及PMG的A值均最高。为进一步研究其在寄主活体内的酶活和致病机制奠定了基础。
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