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pBBR1MCS2-Tac-EGFP廣宿主載體適宜標記Ralstonia solanacearum

2021-08-04 18:26:40肖熙鷗林文秋陳卓鄒春香金輝鄒華芬
熱帶作物學報 2021年6期

肖熙鷗 林文秋 陳卓 鄒春香 金輝 鄒華芬

摘? 要:利用標記基因追蹤病原菌在植物體內(nèi)的入侵和定殖,是研究病原菌-寄主互作的重要手段。本研究利用電轉(zhuǎn)化法將廣宿主載體pBBR1MCS2-Tac-EGFP導入青枯雷爾氏菌(Ralstonia solanacearum)GMI1000菌株中,獲得了青枯雷爾氏菌帶綠色熒光標記的轉(zhuǎn)化子。轉(zhuǎn)接試驗結(jié)果表明,轉(zhuǎn)化子的抗生素抗性和綠色熒光強度有良好的遺傳穩(wěn)定性。pBBR1MCS2-Tac-EGFP不影響GMI1000菌株的致病力,且EGFP蛋白能夠在植物中穩(wěn)定表達。灌根法接種試驗結(jié)果表明,病原菌在第1天即完成對根系的侵染,并在第6天擴散至其他組織,隨后造成植株萎蔫。研究結(jié)果表明所獲轉(zhuǎn)化子可用于后續(xù)的病原菌侵染機理等方面的研究。

關(guān)鍵詞:青枯雷爾氏菌;綠色熒光標記;侵染動態(tài);pBBR1MCS2-Tac-EGFP載體

中圖分類號:S432.4????? 文獻標識碼:A

Wide-host Vector pBBR1MCS2-Tac-EGFP Suitable for the Labeling of Ralstonia solanacearum

XIAO Xiou1,2,3, LIN Wenqiu1,2, CHEN Zhuo1, ZOU Chunxiang4, JIN Hui1,2*, ZOU huafen1

1. South Subtropical Crop Research Institute, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Zhanjiang, Guangdong 524091, China; 2. Key Laboratory of Tropical Fruit Biology of Ministry of Agriculture & Rural Affairs, Zhanjiang, Guangdong 524091, China; 3. College of Agronomy, Gansu Agricultural University, Lanzhou, Gansu 730070, China; 4. Guagnzhou Landscape Architecture Company, Guangzhou, Guangdong 510180, China

Abstract: It is an important method to trace the invasion and colonization of pathogens in plants by marker genes. In the present study, the wide-host vector pBBR1MCS2-Tac-EGFP was transformed into the Ralstonia solanacearum GMI1000 strains by electroporation. Then the GFP expression and the GMI1000 pathogenicity were analyzed. The GMI1000-Tac-EGFP strains emitted GFP fluorescence under the 440 nm excitation light. After the susceptible eggplant was inoculated by wild type GMI1000 and GMI1000-Tac-EGFP, there was no difference between the GMI1000 and the GMI1000-Tac-EGFP in the disease index. The result suggested that GMI1000-Tac-EGFP didnt influence the pathogenicity of GMI1000. After inoculating eggplants and potatoes by GMI1000-Tac-EGFP, the eggplant root, potato root and potato stem emitted GFP fluorescence under the 440 nm excitation light. The result suggested that GMI1000-Tac-EGFP could express EGFP in the eggplant and potato. To monitor the moment of R. solanacearum cells in potato, potato was inoculated with GMI1000-Tac-EGFP. The result showed that GMI1000-Tac-EGFP invaded the root 1 d after inoculation, spreaded to the stem 6 d after inoculation. In conclusion, the wide-host vector pBBR1MCS2-Tac-EGFP is suitable for the labeling of R. solanacearum and an important tool to trace the invasion and colonization of R. solanacearum strains in plants.

Keywords: Ralstonia solanacearum; GFP marker; infection dynamic; pBBR1MCS2-Tac-EGFP vector

DOI: 10.3969/j.issn.1000-2561.2021.06.027

青枯雷爾氏菌(Ralstonia solanacearum)寄主范圍廣泛,能夠引起200多種植物感染青枯病[1]。青枯病是茄子和馬鈴薯等茄科作物生產(chǎn)中主要的病害之一,該病害能造成嚴重的損失,甚至可以導致絕收。在我國,除西藏、黑龍江和內(nèi)蒙古外,其余省份均有青枯菌的報道,尤其是在熱帶和亞熱帶地區(qū),青枯病危害更為嚴重[2]。到目前為止,尚無有效的方法對其進行防控。而研究青枯菌的致病機理對防控青枯病具有重要意義。利用標記基因追蹤病原菌在植物體內(nèi)的入侵、定殖等侵染途徑,是研究病原菌致病機理的有效手段和方法[3-7]。目前在R. solanacearum中使用的標記基因有GFP[8-10]、LUX[9, 12]和GUS[13]等。標記基因在R. solanacearum中的表達主要有2種方式,一種是利用Tn5轉(zhuǎn)座子將外源基因定點插入到R. solanacearum的染色體中[14],該方法插入的外源基因能穩(wěn)定存在于R. solanacearum染色體中,不會由于環(huán)境條件的影響而丟失,但是該方法操作較為繁瑣,且可能由于片段的插入導致R. solanacearum的基因功能喪失。Monteiro等[10]根據(jù)R. solanacearum演化型I和演化型II染色體序列特點,設(shè)計了特異引物開發(fā)了pRC系列載體,將標記基因定點插入到染色體中的假基因區(qū)域,直觀地研究了R. solanacearum在馬鈴薯、番茄中的浸染途徑。第二種方法是將含有標記基因的廣宿主質(zhì)粒轉(zhuǎn)化R. solanacearum,以游離質(zhì)粒表達標記基因,該方法操作簡單且不會由于定點插入導致R. solanacearum的基因功能喪失[11]。但是目前報道適宜R. solanacearum的載體較少。

本研究將廣宿主載體pBBR1MCS2-Tac- EGFP通過電轉(zhuǎn)化法將其導入R. solanacearum中,分析pBBR1MCS2-Tac-EGFP在R. solanacearum中的穩(wěn)定性以及R. solanacearum的致病力,研究結(jié)果將為進一步研究R. solanacearum在植物體內(nèi)的入侵、定殖提供適宜的標記載體工具。

1? 材料與方法

1.1? 菌株

R. solanacearum菌株GMI10000(間接來源于已故法國農(nóng)科院的Philippe Prior研究員的實驗室)。廣寄主載體pBBR1MCS2-Tac-EGFP由本實驗保存,該質(zhì)粒在工程菌中具有卡拉霉素(kan)抗性,由Tac啟動子驅(qū)動EGFP的表達(圖1)。

1.2? pBBR1MCS2-Tac-EGFP電擊轉(zhuǎn)化及檢測

利用電轉(zhuǎn)化方法將pBBR1MCS2-Tac-EGFP轉(zhuǎn)化R. solanacearum GMI1000菌株。GMI1000感受態(tài)的制備和電轉(zhuǎn)化方法參考張治飛[13]的方法。電擊轉(zhuǎn)化后取100 μL的菌液涂布于含有50 mg/L卡拉霉素的NA固體培養(yǎng)基上(葡萄糖5.0 g/L,蛋白胨10.0 g/L,牛肉浸膏3 g/L,瓊脂粉7 g/L),30 ℃培養(yǎng)48 h。

利用LUYOR-3415RG雙波長熒光蛋白激發(fā)光源在440 nm激發(fā)光下檢測轉(zhuǎn)化子EGFP的表達。根據(jù)EGFP最大開放閱讀框抗性基因設(shè)計引物(EGFPF:ATGAGTAAAGGAGAAGAACTTT TC,EGFPR:TTATTTGTAGAGCTCA TCCATGC C)并且委托廣州天一輝遠基因科技有限公司進行合成。PCR體系為:2×PCR Mix(康為世紀)12.5 μL,EGFPF(10 μmol/L)1 μL,EGFPR(10 μmol/L)1 μL,無菌水9.5 μL,菌液1 μL。PCR反應(yīng)程序:95 ℃ 5 min,95 ℃ 30 s,55 ℃ 30 s,72 ℃ 30 s,35個循環(huán);72 ℃ 5 min,PCR產(chǎn)物電泳檢測。將陽性克隆命名為GMI1000-Tac-EGFP。

1.3? 遺傳穩(wěn)定性評價

將GMI1000-Tac-EGFP轉(zhuǎn)接至不含卡拉霉素的NA培養(yǎng)基上,連續(xù)轉(zhuǎn)接培養(yǎng)20次,分析pBBR1MCS2-Tac-EGFP在GMI1000的遺傳穩(wěn)定性。在第2次、第10次和第20次轉(zhuǎn)接培養(yǎng)時,將GMI1000-Tac-EGFP從平板上用無菌水沖洗,懸浮至OD600=0.8左右,然后利用Tecan Spark測定熒光強度,激發(fā)波長485 nm,發(fā)射波長為535 nm,其中Gain值設(shè)定為80。

1.4? 熒光強度測定

將GMI1000-Tac-EGFP轉(zhuǎn)接至NA液體培養(yǎng)基中,28 ℃過夜培養(yǎng)至OD600=0.8左右,6 000 r/min離心10 min,收集菌液,用無菌水進行重懸浮至OD600=1.0。然后用無菌水進行4倍梯度稀釋。利用Tecan Spark測定熒光強度,激發(fā)波長485 nm,發(fā)射波長為535 nm,其中Gain值設(shè)定為80。使用Excel軟件進行線性回歸分析。

將苗齡為20 d左右的‘隴薯7號組培苗移栽于7 cm × 7 cm的營養(yǎng)缽中,25~28 ℃培養(yǎng)20 d左右后用于人工接種GMI1000-Tac-EGFP。在接種后7 d,取馬鈴薯莖基上1 cm莖段用于R. solanacearum數(shù)量分析。將莖段在75%酒精消毒后置于0.2 mL的無菌水中浸泡1 h。取200 μL測定熒光強度,分析R. solanacearum的克隆數(shù)。同時取500 μL利用平板稀釋法統(tǒng)計菌落數(shù),具體方法參考郜剛[15]的方法。3次生物學重復(fù)。

1.5? 致病力分析

將苗齡為20 d左右的‘隴薯7號組培苗移栽于7 cm × 7 cm的營養(yǎng)缽中,25~28 ℃培養(yǎng)20 d左右后用于人工接種。將GMI1000-Tac-EGFP和野生型GMI1000用無菌水稀釋至1×108 CFU/mL,進行傷根接種,每株接種20 mL菌液。同時以無菌水為對照。每次處理10株,3次生物學重復(fù)。接種后置于培養(yǎng)箱,28~30 ℃光照培養(yǎng),統(tǒng)計萎蔫癥狀出現(xiàn)的時間。

1.6? 利用GMI1000-Tac-EGFP分析R. solanacearum動態(tài)侵染過程

馬鈴薯‘隴薯7號組培苗培養(yǎng)20 d后進行接種。接種后置于培養(yǎng)箱,28~30 ℃光照培養(yǎng)。在接種后每24 h利用LUYOR-3415RG雙波長熒光蛋白激發(fā)光源在440 nm激發(fā)下檢測EGFP表達,并且拍照記錄。

2? 結(jié)果與分析

2.1? pBBR1MCS2-Tac-EGFP成功轉(zhuǎn)入GMI1000

本研究通過電轉(zhuǎn)化法成功地將pBBR1MCS2- Tac-EGFP轉(zhuǎn)入到GMI1000中。通過PCR在GMI1000-Tac-EGFP中擴增出750 bp左右的片段,與預(yù)期大小一致,而GMI1000中未擴增出相應(yīng)片段(圖2)。同時在LUYOR-3415RG雙波長熒光蛋白激發(fā)光源的藍光下,GMI1000-Tac-EGFP能夠發(fā)出綠色熒光,而野生型GMI1000未發(fā)出熒光(圖3)。研究結(jié)果證明pBBR1MCS2-Tac-EGFP成功轉(zhuǎn)入到GMI1000中,并且能夠在GMI1000中表達EGFP蛋白。

2.2? GMI1000-Tac-EGFP穩(wěn)定表達EGFP熒光

為進一步分析pBBR1MCS2-Tac-EGFP在GMI1000中的遺傳穩(wěn)定性,將不同移植時間的菌液涂布于平板上,培養(yǎng)觀察綠色熒光的表達情況,發(fā)現(xiàn)在移殖培養(yǎng)2次、10次和20次后,其熒光強度之間差異不顯著(圖4)。結(jié)果表明,pBBR1MCS2- Tac-EGFP載體能夠在GMI1000中穩(wěn)定遺傳。

2.3? EGFP熒光值與GMI1000-Tac-EGFP數(shù)量線性相關(guān)

與平板稀釋法相比,利用EGFP熒光定量分析細菌的克隆數(shù)具有高效快捷的優(yōu)點。圖5結(jié)果表明,在4.0×106~1.0×109 CFU/mL的范圍內(nèi),EGFP的熒光強度值與GMI1000-Tac-EGFP的數(shù) 量呈線性相關(guān)關(guān)系,R2為0.9954。當GMI1000- Tac-EGFP稀釋至約9.0×105 CFU/mL時,EGFP熒光值接近于無菌水的熒光值,此時EGFP的熒光強度較弱,未能進行有效檢測。因此在4.0×106~1.0×109 CFU/mL范圍內(nèi),可以利用EGFP熒光值計算R. solanancearum的數(shù)量。

根據(jù)EGFP熒光值與GMI1000-Tac-EGFP數(shù)量的線性關(guān)系,統(tǒng)計得到GMI1000-Tac-EGFP數(shù)量為9.75×108 CFU/g,而平板計數(shù)法統(tǒng)計得到的數(shù)量為8.95×108 CFU/g(圖6)。雖然利用EGFP熒光值估算的GMI1000-Tac-EGFP數(shù)量大于平板計數(shù)法統(tǒng)計得到的數(shù)量,但是二者差異不顯著。因此可以利用EGFP熒光值計算R. solanancearum的數(shù)量。

2.4? pBBR1MCS2-Tac-EGFP不影響GMI1000致病力

通過致病力試驗,發(fā)現(xiàn)GMI1000-Tac-EGFP和GMI1000接種馬鈴薯6 d后,葉片開始出現(xiàn)萎蔫狀(圖7),而無菌水對照葉片正常。結(jié)果表明,pBBR1MCS2-Tac-EGFP不影響GMI1000的致病力。

2.5? R. solanacearum侵染馬鈴薯動態(tài)變化過程

通過GFP熒光能夠動態(tài)直觀地觀察R. so

lanacearum在馬鈴薯中的動態(tài)變化過程(圖8A)?!]薯7號接種1 d后,在其根部能觀察到微弱的熒光,證明在接種1 d后,R. solanacearum已經(jīng)進入到馬鈴薯根部(圖8B)。隨著培養(yǎng)時間的增加,GFP熒光強度越來越強,并且分布的部位也越來越廣,R. solanacearum在馬鈴薯植株內(nèi)不斷繁殖和擴散。接種后第4天,在馬鈴薯的莖部檢測到GFP熒光,表明R. solanacearum已經(jīng)進入到馬鈴薯莖部;接種后6 d整個莖均有GFP的分布,接種后7 d,葉片的葉脈也有GFP熒光,此時R. solanacearum在整個植株內(nèi)均有分布。在接種后5 d馬鈴薯的部分葉片出現(xiàn)萎蔫癥狀,接種后7 d整個植株萎蔫。這是由于R. solanacearum在馬鈴薯的維管束中大量積累,堵塞導管水分的運輸,最終導致馬鈴薯萎蔫。

3? 討論

利用標記基因標記病原菌是動態(tài)分析病原菌侵染植物過程的重要手段。由于GFP的發(fā)光不需要底物,能夠無損地觀察病原菌侵染植株的動態(tài)變化過程,因此在多種病原菌上得到了廣泛應(yīng)用[16-19]。目前成功標記R. solanacearum的載體有pUT gfp/luxAB載體[8]、pRC系列載體[10]、pBBR1MCS-5[11]、pH7C-PpsbA載體[13]和?RSS1載體[20]等。

本研究利用電轉(zhuǎn)化法成功將pBBR1MCS2- Tac-EGFP廣寄主載體導入R. solanacearum GMI1000菌株中,并且GMI1000-Tac-EGFP能夠在馬鈴薯中穩(wěn)定表達。趙志文等[11]以pBBR1MCS-5載體為骨架構(gòu)建了pBBR1MCS5- pRipAK-GFP載體,將其轉(zhuǎn)化R. solanacearum、番茄細菌性斑點病菌和柑橘潰瘍病菌,結(jié)果表明該載體能夠在這3種病原菌中穩(wěn)定表達。同時在熒光顯微鏡下,GMI1000-Tac-EGFP整個細胞呈現(xiàn)綠色,棒狀,近橢圓形[9, 11]。標記基因是否影響病原菌對植物的致病力是標記基因能否應(yīng)用于病原菌的首要條件之一。而由于馬鈴薯組培苗較為幼嫩,在植株的根和莖稈均能檢測到強烈GFP熒光。因此以pBBR1MCS為骨架載體適宜標記R. solanacearum。

啟動子對下游基因的表達起著關(guān)鍵的調(diào)控作用。目前利用在R. solanacearum上使用的標記基因主要為R. solanacearum內(nèi)源啟動子,如RipAK、hrpG、hrpB、Exopolysaccharid等基因的啟動

子[10-11, 21],植物葉綠體PsbA啟動子[9]以及細菌的lac啟動子[11]。這些啟動子均能驅(qū)動標記基因的高效表達,而其他外源啟動子驅(qū)動標記基因在R. solanacearum中的表達尚未見報道。Tac啟動

子是一個由lac和trp啟動子人工構(gòu)建的雜合啟動子,在大腸桿菌中有高效的表達效率。在本研究中,GMI1000-Tac-EGFP在培養(yǎng)基上和植物體內(nèi)均能發(fā)出顯著的GFP熒光,證明Tac在R. solanacearum中也有較強的啟動活性,可以用于驅(qū)動外源基因在R. solanacearum的表達。而這些啟動子的表達效率的比較尚未見報道。在魚腥藻中,PsbA啟動子驅(qū)動效率與Tac啟動子無明顯差異[22],但是在R. solanacearum中的表達效率是否有差異有待進一步的研究。

利用GFP標記R. solanacearum在植物病原菌互作中得到了應(yīng)用。首先是分析R. solanacearum在浸染植物的過程。在自然條件下R. solanacearum通過傷口等侵染植株,然后通過木質(zhì)部向地上部分運輸,并且在導管中大量繁殖,最終導致植物萎蔫[4, 12, 21]。R. solanacearum大量粘附在其根系表面,并在皮層形成浸染點,或者通過根尖、側(cè)根和根部傷口侵入植株根部(接種后1 d);然后迅速進入根部維管束組織(接種后2~3 d),并向上浸染,進入莖部維管束組織和葉片(接種后4~5 d),導致馬鈴薯導管堵塞,最終導致表現(xiàn)出萎蔫(接種后6~7 d)[5, 13, 22-23]。本研究中,‘隴薯7號接種1 d后,在其根部能觀察到微弱的熒光,在接種后第4天馬鈴薯的莖部檢測到GFP熒光,第7天時葉片的葉脈也有GFP熒光,這與前人的研究結(jié)果基本一致[5, 13, 22-23]。其次是利用GFP熒光值分析病原菌的細胞數(shù)量。與傳統(tǒng)的平板稀釋法[23]、QPCR定量法[24]相比,該方法具有簡單、快捷、時間短和成本低等優(yōu)勢。本研究中,在4.0×106~1.0×109 CFU/mL范圍內(nèi),EGFP的熒光強度值與GMI1000-Tac-EGFP的數(shù)量呈線性相關(guān)關(guān)系,并且熒光強度計數(shù)法與平板稀釋法二者計算的R. solanacearum克隆數(shù)之間差異不顯著,因此可以利用EGFP熒光值分析R. solanacearum的細胞數(shù)量。

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責任編輯:謝龍蓮

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