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稻属黄单胞菌水稻致病变种(Xanthomonas oryzae pv. oryzae, Xoo)是水稻白叶枯病病原菌,通过水孔或气孔进入水稻维管束,并在此大量繁殖、堵塞维管束,严重影响了水稻(Oryza sativa )的产量[1]。生命活动的进行依赖于蛋白质活性的精细调控,在此过程中蛋白质空间构象不断改变从而实现蛋白质活性变化[2]。蛋白构型变化直接改变蛋白质的空间构象和功能,但蛋白质的刚性肽键不能自由旋转,需要在肽基脯氨酰顺反异构酶(peptidyl-prolyl cis-trans isomerase, PPIase)的作用下才能从反式构型转变为稳定性更高的顺式构型[3]。PPIase分为三类,即FK506结合蛋白(FK506 Binding Proteins, FKBP)、亲环蛋白和细蛋白[4-5],它们加速目标蛋白质的正确折叠,是蛋白质折叠过程中的限速酶[6-8]。由PPIase介导的蛋白折叠变构是生命活动的必需过程,在动物、植物和微生物的生命活动中均起到非常重要作用[9-15]。例如,在幽门螺旋杆菌(Helicobacter pylori)中,PPIase调控镍转运蛋白活性,调节细胞的镍稳态[16];拟南芥(Arabidopsis thaliana)亲环蛋白AtCYP71通过控制蛋白顺反异构调控器官形成过程中的染色质重构[17];免疫亲和素CYP28可能通过其PPIase活性调控由光系统II(PSII)复合体与光捕获复合体II(LHCII)组成的PSII-LHCII超复合体(SCs)的组装和积累[18]。在柑橘黄单胞菌(Xanthomonas citri)与柑橘(Citrus reticulata)的互作中,柑橘黄单胞菌TAL效应蛋白PthAs通过抑制柑橘亲环素CsCyp对RNA聚合酶Ⅱ的异构化,激活宿主的转录,增强柑橘的溃疡病变[19]。这些结果表明,PPIase在生物体生长发育和应对外界环境中发挥重要作用。但Xoo PPIase的功能及其在致病过程中的作用尚无报道。因此,笔者通过体外酶活测定分析了XppI是否具有PPIase活性,通过构建xppI突变体及其互补菌株分析了XppI是否调控Xoo的致病力,还分析了xppI突变是否影响Xoo的胞外酶含量、运动性及抗氧化能力,期望解析XppI调控病原菌致病力的机制,为白叶枯病害的防治提供理论支撑。
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供试植物是水稻(Oryza sativa )‘TP309’,本实验所使用的菌株和质粒如表1所示。
表 1 菌株和质粒来源
名称 相关特性 来源 Strains PXO99A Philippine race 6(PR6)strain, wild type 文献[20] DH5α Genetically engineered recipient bacteria. 北京博迈德公司 BL21(DE3) Bacteria for protein expression 北京博迈德公司 Plasmids pK18mobSacB Xanthomonas suicide vector, KanR 文献[21] pHMⅠ Broad host vector, SpR 文献[22] pQE80L Protein expression vector, AmpR 德国凯杰公司 注:Kan、Sp和Amp 分别表示卡拉霉素、壮观霉素和氨苄青霉素。 -
实验所用引物见表2。
表 2 实验引物
引物 序列(5′→3′) 用途 xppIddFF GCTCAAGCTTACACCAGATCGCCGGTGGCA xppI deletion xppIddFR GCTAGGATCCGATCTTCATGCGTAGCTCTG xppIddRF GCTAGGATCCAGTCATCACTACTAAGATCG xppIddRR GCTCGAATTCCCATCACCGCAAAGCCCATC xppIhmF GCTCAAGCTTACACCAGATCGCCGGTGGCA ΔxppI complementation xppIhmR GCTCGAATTCAAGCGTAGTCTGGGACGTCGTATG
GGTAGTAGTAGTAGCTGCCATCGCxppIqeF GACAGGATCCAAGATCGAAAAAGACAGCGTC XppI expression xppIqeR GACGAAGCTTCGATCTTAGTAGTGATGACTG 注:下划线表示酶切位点。 -
以Xoo野生型菌株PXO99A基因组为模板,以xppIqeF/xppIqeR为引物,扩增xppI基因片段,BamHI/HindIII酶切后连接到相同酶切的pQE80L载体上,测序验证正确后获得XppI-His融合表达载体pQE80L-xppI,然后将pQE80L-xppI转化BL21(DE3)细胞[23]。菌株37 ℃过夜培养后,按1∶100体积比转接到500 mL的新鲜溶菌肉汤(Luria Bertani, LB)液体培养基继续培养至OD600达0.6~0.8后,加入250 µL 1 mol·L−1异丙基-β-D-硫代半乳糖苷(Isopropyl-beta-D-thiogalactopyranoside, IPTG),并于25 ℃、90 r·min−1条件下诱导培养5~6 h。4 ℃离心收集菌体后进行超声破碎(超声功率比40%、超声5 s、间隙5 s、总时间10 min),取上清,SDS-PAGE电泳观察蛋白诱导表达情况。将目的蛋白按照BEAVER公司的BeaverBeadsTM IDA-Nickel Kit 试剂盒(Cat. No. 70501-K10)进行纯化,SDS-PAGE检测纯化效果。
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通过糜蛋白消化法测定XppI蛋白的异构酶活性。将25 µL XppI-His蛋白(25 µmol·L−1)、25 µL 糜蛋白酶(5 g·L−1)、145 µL 50 mmol·L−1 Tris-HCl缓冲液(pH7.5)和10 µL 1 g·L−1的底物N-Suc-Ala-Ala-Pro-Phe-p-nitroanilide混匀加入96孔板中,以BSA蛋白作为对照,25 ℃下测量反应液在390 nm处的吸光值变化[24]。
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基因敲除:以PXO99A基因组为模板,扩增xppI基因上下游片段,分别用HindIII/BamHI, BamHI/EcoRI酶切上下游片段,然后再连接到HindIII/EcoRI酶切的pK18mobSacB上,获得敲除载体pK18-xppI。电击转化pK18-xppI至PXO99A中,经过2步同源重组方法获得突变体菌株ΔxppI[23]。
基因互补:以PXO99A基因组为模板,扩增xppI基因片段,HindIII/EcoRI酶切后克隆到相同酶切的广宿主载体pHMⅠ,获得互补载体pHMⅠ-xppI。电击转化pHMⅠ和pHMⅠ-xppI进ΔxppI感受态细胞,获得ΔxppI-pHMⅠ及互补菌株C-ΔxppI菌株[23]。
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马铃薯蔗糖琼脂(Potato Saccharose Agar, PSA)培养基中28 ℃、180 r·min−1 培养野生型、突变体和互补菌株36 h,稀释菌液OD600至0.5±0.005。(1)按1∶1000(体积比)的比例转接到50 mL新鲜PSA液体培养基中,28 ℃、200 r·min−1 培养,每隔2.5 h 测OD600值直至稳定期;(2)将菌液进行10倍梯度稀释,点接PSA(蛋白胨 10 g·L−1,蔗糖 10 g·L−1,谷氨酸钠1 g·L−1,琼脂 15 g·L−1)与M4M(Na2HPO4.2H2O 7.52 g·L−1,KH2PO4 3 g·L−1,柠檬酸钠 0.5 g·L−1,(NH4)2SO4 1 g·L−1,酶水解干酪素 2 g·L−1,MgSO4.7H2O 0.2 g·L−1,葡萄糖 2 g·L−1,琼脂 15 g·L−1)固体培养基,28 ℃静止培养48~72 h,观察3种菌株之间生长是否有差异。
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野生型、突变体和互补菌株在PSA培养基中28 ℃、180 r·min−1 培养36 h,将菌液OD600调至1.0,剪叶法接种60 d龄的‘TP309’水稻叶片,每种菌株至少接种10片叶片,14 d 后观察并测量病斑长度[25]。
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PSA培养基中28 ℃、180 r·min−1 培养野生型、突变体和互补菌株36 h,调OD600至1.0,分别取2 µL不同菌液接种到含0.5% 羧甲基纤维素、0.1% 可溶性淀粉或2% 脱脂奶粉的PSA固体培养基上,28 ℃培养箱中倒置培养3 d。用0.1%刚果红染色含纤维素的平板30 min,再用1 mol·L−1 NaCl的溶液洗2次,每次10 min,观察水解圈直径(cm);用1∶100的 I2/KI(0.08 mol·L−1 I2,3.2 mol·L−1 KI)溶液染色含淀粉的平板 10 min,观察水解圈直径(cm);直接观察脱脂奶粉的水解圈(cm)[26]。
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PSA培养基中28 ℃、180 r·min−1培养野生型、突变体和互补菌株36 h,调OD600至1.0,用无菌牙签分别蘸取菌液10 s后,垂直接种于游动培养基(0.03% 蛋白胨,0.03% 酵母提取物,0.25% 琼脂)中并立即拔出。在28 ℃培养箱中正置培养4 d,测量菌体游动圈的直径(cm)[27]。
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取上述稀释菌液2 µL等间距接种到蠕动性培养基(1%蛋白胨,0.5%酵母提取物,2%葡萄糖,0.6%琼脂)表面上,在28 ℃培养箱中正置培养4 d,测量菌圈的直径(cm)[27]。
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PSA培养基中28 ℃、180 r·min−1 培养野生型、突变体和互补菌株36 h,调OD600至0.5±0.05,分别加入80 mmol·L−1、100 mmol·L−1、120 mmol·L−1 (终浓度)的H2O2,混匀后静置处理30 min。取1 mL处理好的菌液离心并用无菌ddH2O洗2遍后进行梯度稀释点板。在28 ℃培养箱中倒置培养3 d,观察不同处理菌的生长情况并拍照[28]。
A putative mechanism underlining regulation of the virulence of Xanthomonas oryzae pv.oryzae by XppI
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摘要: 为了解肽基脯氨酰顺反异构酶XppI (Xanthomonas peptidyl-prolyl isomerase) 在Xoo (Xanthomonas oryzae pv. oryzae) 与水稻互作中的作用,首先通过体外酶活实验分析了XppI的异构酶活性,随后通过同源重组法构建了xppI的突变体及其互补菌株,并分析了XppI对病原菌生长、致病力、胞外酶活性及抗氧化胁迫能力的调控作用。结果显示:XppI具有肽基脯氨酰顺反异构酶活性,能够正调控Xoo的致病力和抗氧化胁迫的能力,但不影响病原菌的生长和胞外酶活性。以上结果表明,XppI可能通过调控与抗氧化相关途径蛋白的构型影响病原菌应对宿主氧胁迫的能力,进而增强Xoo的致病力。
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关键词:
- 稻属黄单胞菌 /
- 肽基脯氨酰顺反异构酶 /
- 致病力 /
- 抗氧化胁迫
Abstract: In order to uncover the roles of Xanthomonas peptidyl-prolyl isomerase (XppI) in the interaction between Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo) and rice, we detected the isomerase activity of XppI in vitro, constructed the mutant and complementary strains of XppI by homologous recombination method, and analyzed the roles of XppI in growth, pathogenicity, extracellular enzyme activity and antioxidant ability of Xoo. The results showed that XppI had peptidyl prolyl cis-trans isomerase activity, and positively regulated the virulence and antioxidant ability of Xoo, but did not affect the growth and extracellular enzyme activities, which indicates that XppI may affect the ability of the causal agent Xoo to cope with oxygen stress in the host by regulating the conformation of antioxidation-related pathway proteins, thus enhancing the Xoo virulence.-
Key words:
- Xanthomonas oryzae /
- PPIase /
- virulence /
- antioxidant stress
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表 1 菌株和质粒来源
名称 相关特性 来源 Strains PXO99A Philippine race 6(PR6)strain, wild type 文献[20] DH5α Genetically engineered recipient bacteria. 北京博迈德公司 BL21(DE3) Bacteria for protein expression 北京博迈德公司 Plasmids pK18mobSacB Xanthomonas suicide vector, KanR 文献[21] pHMⅠ Broad host vector, SpR 文献[22] pQE80L Protein expression vector, AmpR 德国凯杰公司 注:Kan、Sp和Amp 分别表示卡拉霉素、壮观霉素和氨苄青霉素。 表 2 实验引物
引物 序列(5′→3′) 用途 xppIddFF GCTCAAGCTTACACCAGATCGCCGGTGGCA xppI deletion xppIddFR GCTAGGATCCGATCTTCATGCGTAGCTCTG xppIddRF GCTAGGATCCAGTCATCACTACTAAGATCG xppIddRR GCTCGAATTCCCATCACCGCAAAGCCCATC xppIhmF GCTCAAGCTTACACCAGATCGCCGGTGGCA ΔxppI complementation xppIhmR GCTCGAATTCAAGCGTAGTCTGGGACGTCGTATG
GGTAGTAGTAGTAGCTGCCATCGCxppIqeF GACAGGATCCAAGATCGAAAAAGACAGCGTC XppI expression xppIqeR GACGAAGCTTCGATCTTAGTAGTGATGACTG 注:下划线表示酶切位点。 -
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