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水稻白叶枯病菌新小种致病力变异的分子机理

戴景程  
【摘要】:水稻是我国最重要的粮食作物。由黄单胞杆菌(Xanthomonas oryzae pv.oryzae, Xoo)引起的白叶枯病是我国水稻生产中的主要病害之一。由于病原菌致病性的变异,常常导致水稻抗病品种感病,造成水稻的减产和重大经济损失。白叶枯病菌新小种HuB05-8和HAN08-1的致病力发生变化后,能使含广谱抗性基因Xa21水稻品种感病,论文研究了它们致病力变异的分子机理。试验首先利用PCR和测序技术,获得HuB05-8和HAN08-1致病性相关基因的DNA序列,然后通过生物信息学的手段,与对照菌株PX099A基因组序列进行比对,了解致病相关基因的差异,再通过构建载体和遗传转化,将具有致病功能的基因片段转入供试菌株,观察其致病性的变化。并利用RT-PCR的方法验证这些致病性相关基因的表达,分析其调控机制。研究结果表明: (1)根据NCBI已发布的,与Xoo毒性因子硫化蛋白Ax21分泌相关的致病性基因序列,设计引物,通过扩增和测序,获得了HuB05-8和HAN08-1菌株致病性相关的9个基因序列。 (2)经生物信息学分析,HuB05-8和HAN08-1菌株均在Ax21上发现一个碱基(A-G)发生变异,所编码的氨基酸则由带正电荷的赖氨酸突变为带负电荷的谷氨酸。此外,raxA和raxB基因也有少许碱基发生了变化,包括一些同义突变,但其它基因在序列上无差异。 (3)将PX099A中raxA、raxB和Ax21基因与中间载体pEASY连接,再克隆到表达载体PHM1上,最后转入HuB05-8和HAN08-1菌株中表达。结果表明,raxA和raxB基因的变化对其致病性发生变异的影响甚小,而Ax21基因中一个碱基发生变化,显著改变了整个白叶枯病菌的致病能力。推测raxA和raxB基因可能只是编码Ax21蛋白分泌的通道,少数碱基的变异可能不改变其分泌能力。但是,Ax21基因中的一个碱基发生变异可能会影响基因表达,也可能影响了其编码蛋白的功能结构域,导致变异PAMP (Pathogen-associated molecular pattern, PAMP)分子无法被PRR-XA21(Pattern recognition receptor, PRR)识别,激发水稻的抗病反应。 (4)在对Ax21活性具有重要作用的八个基因中,raxA、raxB和raxC是Ⅰ型分泌系统的结构基因,为组成型表达;raxP、raxQ和raxST是硫化相关的基因,不受菌群效应的影响,属于稳定性的表达基因;raxH和raxR属于双组份调控系统,在菌群密度极低或极高的情况下,表达量升高,可能介导QS (Quorum sensing)分子Ax21的信号传递。 (5)当PXO99A、HAN08-1和HuB05-8的菌群密度一致(OD600值均为1.0)时,致病力变异的新小种HAN08-1和HuB05-8的Ax21、raxHR、raxSTAB的表达量明显低于PX099A,而raxPQ、raxC的表达量无差异,表明HAN08-1和HuB05-8的致病力的变异可能和Ax21、raxHR、 raxSTAB的表达量降低有关。Ax21是Xoo分泌的PAMP分子,被水稻细胞表面受体XA21识别后,会产生一系列的抗病反应。由于Ax21的表达量降低,导致水稻抗病反应迟缓。在HAN08-1和HuB05-8中,raxA和raxB基因的碱基变化可能会影响其转录的效率。raxHR是双组份调控系统,可能介导Ax21的分泌。


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