稻瘟病菌四个LIM蛋白编码基因及Gγ亚基编码基因的生物学功能研究

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稻瘟病是水稻生产上的毁灭性病害之一。其病原菌-稻瘟病菌(Magnaporthe oryzae)通过形成分生孢子粘附于水稻表面,并在适宜条件下萌发形成附着胞进而侵染植物组织,引起稻瘟病。LIM蛋白是一类分子中含有一个或多个LIM结构域的蛋白,可调控细胞黏附、细胞运动、细胞骨架组构、细胞命运决定、器官发育、基因表达、蛋白互作和信号传导等一系列生物学功能。本研究通过生物信息学分析发现,稻瘟病菌中有4个LIM蛋白编码基因,分别命名为MoPAX1(MGG05738)、 MoLRG1(MGG04377)、 MoRGA1(MGG04186)和MoLDP1(MGG06198).采用基因敲除和互补策略,分别对这4个基因进行敲除和功能分析,结果表明:(1)MoPAX1或MoLRG1基因敲除均导致稻瘟病菌致病能力丧失,且突变体的营养生长极其缓慢;(2)MoPAX1基因敲除突变体完全丧失产孢能力,MoLRG1基因敲除突变体只产生极少量的畸形孢子,而MoRGA1敲除突变体产生大量的长形孢子;(3)MoPAX1和MoLRG1基因敲除突变体均不能在人工疏水表面和植物组织表面形成附着胞,MoRGA1基因敲除突变体在人工疏水表面的附着胞形成严重减少,而在植物组织表面能正常形成附着胞并穿透表皮组织;(4)MoLDP1基因敲除突变体无明显的表型改变;(5)所有基因敲除突变体的表型缺陷均能通过相应基因互补而得以恢复或部分恢复;(6)通过GFP融合表达及蛋白定位分析,发现MoLrg1和MoRga1蛋白均定位于细胞的隔膜孔,而MoPax1蛋白的表达分布于整个细胞基质;(7)结构域缺失实验表明,MoLrg1的LIM2(第2个LIM结构域)和RhoGAP结构域是蛋白行使功能和定位所必需的,而LIM1(第1个LIM结构域)只与MoLrg1蛋白的胞内定位相关。缺失MoPax1中3个LIM结构域的任何一个均不影响该蛋白的功能,但3个LIM同时缺失影响蛋白功能和胞内定位;(8)基因转录表达谱分析表明,MoLrg1、MoPaxl和MoLdb1在基因表达、代谢调控和蛋白互作方面存在较高的相似性。综上所述,LIM蛋白-MoLrg1和MoPax1在调控稻瘟病菌营养生长、形态分化和致病性等方面均具有重要的生物学功能。此外,我们先前通过T-DNA插入突变的方法鉴定到了一个稻瘟病菌Gy亚基失活的突变体A1-412,该突变体在产孢、附着胞分化和致病性方面均存在缺陷。本研究进一步用基因敲除的方法阐明Gγ亚基编码基因MGG1的功能,并分析了Mgg1蛋白的细胞定位,取得以下结果:(1)稻瘟病菌MGGl基因敲除突变体的产孢量显著下降,仅为野生菌株的1/10;(2)MGG1基因敲除突变体的孢子萌发率明显降低,在疏水表面培养6h和24h后分别仅有约13%和57%的孢子萌发,而野生菌株6h的萌发率即可超过90%;(3)MGG1基因敲除菌株在疏水表面处理24h仍不能形成附着胞,而野生菌株处理6h时附着胞形成率已超过80%。通过添加外源的cAMP和IBMX, MGG1敲除菌株分生孢子的萌发和附着胞形成均可部分恢复,但形成的附着胞不能穿透植物表皮;(4)MGG1基因敲除菌株与亲和菌株TH3进行有性生殖仅产生极少量的子囊壳;(5)MGG1基因敲除突变体在大麦和水稻叶片上均丧失了致病性;(6)基因互补实验结果表明,MGG1基因敲除菌株的产孢、萌发、附着胞形成及致病性均恢复至野生菌株Guy11水平;(7)蛋白亚细胞定位研究表明,Mgg1蛋白定位于菌丝、分生孢子和附着胞的细胞膜上。综上所述,稻瘟病菌Gy亚基在调控分生孢子形成、孢子萌发、有性生殖、附着胞分化及致病性等方面具有重要的生物学功能。
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