王苗苗,于 杰,鐘 云,姜 波,吳 波,閆化學
(1.廣東省農業科學院果樹研究所,廣東 廣州 510640;2.西南大學園藝園林學院,重慶 400716)
指狀青霉又稱柑橘綠霉病菌(Penicillium digitatum),其引發的綠霉病對柑橘果實的生產、運輸和存儲等諸多環節造成巨大的經濟損失,通常占柑橘貯藏期病害損失的90%以上[1]。長期使用殺菌劑已使某些種群產生了耐藥性,如甲基托布津的防效已基本喪失[2]。因此,探索綠色、安全、高效的柑橘采后抗性誘導調控方式具有重要意義。
研究發現,病原菌入侵能夠在多種植物體內誘導產生一氧化氮(NO),外源NO能夠延遲采后果實成熟、提高耐寒性、抑制乙烯生物合成和表面褐化、增強果蔬采后抗病力[3-6]。在擬南芥、煙草等模式植物中,NO參與的植物抗病力的提高與絲裂原激活蛋白激酶(Mitogenactivated protein kinase,MAPK)調控途徑相關。MAPK級聯可調節植物抗病反應的信號分子物質NO的生成,誘導植物的抗病反應[7],比如煙草可通過MEK2-SIPK途徑調控NO的積累,增強植株抗病能力[8]。病原微生物侵染或激發子誘導可使植物體內產生NO,與ROS協同引起細胞超敏反應,同時NO又有可能作為細胞間的信號分子將超敏信息傳遞給相鄰細胞,激發細胞死亡[9]。NO還參與植物抗病反應的苯丙氨酸解氨酶基因PAL及病程相關蛋白基因PR1的轉錄,抑制一氧化氮合酶(NOS)活性顯著降低PAL和查爾酮合成酶基因(CHS)的轉錄[7]。
柑橘果皮是抵御病原菌入侵的天然屏障,含有抑制病原菌侵染和定植的物質(比如多巴胺、皂素等)[10],柑橘還可以通過誘導防衛反應(如活性氧、乙烯等信號分子誘導的抗病反應)來限制或殺死病原菌[11]。然而,柑橘果實一旦感染綠霉病,短時間內即快速腐爛。可見,從綠霉病菌孢子附著果面到攻克寄主防御體系,是一個快速且復雜的病原-寄主互作的結果。激活MAPKs是植物識別病原相關分子模式(PAMPs)和病原菌效應子(Effectors)過程的最早事件之一[12]。我們前期研究發現,外源NO能夠提高采后甜橙對綠霉菌的抗性,因此探討NO和MAPK基因在采后柑橘果實與綠霉病菌的互作機制,有助于完善柑橘果實的抗病信號網絡研究,為采后病害的防控提供新思路和理論基礎。
理論上,MAPK級聯這一高度保守的信號傳遞系統在柑橘果實與柑橘綠霉病菌的互作過程中應該起到較為關鍵作用。作為目前唯一所知的細胞內和細胞間的信號傳遞分子,NO在將胞外信號傳遞到胞內過程中與哪些MAPKs基因相關,以及如何影響MAPKs基因的表達尚未見報道。本研究以埃及糖橙(Citrus sinensis)作為材料,采用50 μmol/L硝普鈉(Sodium nitroprusside,SNP)溶液處理柑橘果實,接種柑橘綠霉病菌孢子懸浮液,分析外源NO對柑橘果實抗綠霉病能力和對果皮中MAPKs基因表達的影響,初步探明柑橘果皮中MAPKs基因響應綠霉病菌侵染的表達模式,以及在外源NO誘導柑橘果實抗綠霉病過程中,柑橘MAPKs基因可能發揮的作用及相關機制。
試驗于2017年在廣東省農業科學院果樹研究所進行。供試的埃及糖橙種植于廣東省農業科學院白云基地。采摘和運輸過程中避免機械傷害,挑取果形飽滿端正、無病蟲害、無機械損傷的果實作為試驗材料。
柑橘綠霉病菌分離自白云基地的柑橘綠霉菌病病果,實驗室內進行單孢分離,分離的菌株移至PDA培養基斜面,4℃冰箱保存。
SNP(NO供體)購自成都市科龍化工試劑廠,多糖多酚植物總RNA快速提取試劑盒(離心柱型)購自北京百泰克生物技術有限公司,PrimeScript RT reagent Kit with gDNA Eraser(Perfect Real Time)試劑盒購自寶生物工程(大連)有限公司,NanoDrop 2000C微量分光光度計購自賽默飛世爾科技公司。
果實采摘后用自來水清洗果面,然后使用1%次氯酸鈉溶液浸泡柑橘果實2 min,再用滅菌蒸餾水洗凈,自然晾干。將果實浸沒在濃度為50 μmol/L的SNP溶液中,對照果實浸沒在雙蒸滅菌水中,處理10 min,濾紙蘸去果面水分,室溫下置于密封黑色塑料袋內[6]。用含0.01%Tween-80的無菌水洗脫在PDA培養基上25℃培養7 d的柑橘綠霉病菌,在無菌操作條件下,震蕩混合后用無菌紗布過濾,濾液即為孢子懸浮液。使用血球計數將孢子懸浮液濃度調整至約1×105CFU/mL,隨配隨用。在SNP處理4 h后接種綠霉病菌孢子懸浮液。用200 μL槍頭在果面赤道部位對稱扎兩個1 mm寬、2 mm深的孔,向扎孔處注入1.5 μL孢子懸浮液,對照組注入1.5 μL含0.01% Tween-80的無菌水。接種后將柑橘果實置于室溫25(±2)℃、相對濕度80%~90%環境下貯藏,統計發病率和病斑面積。每個處理3次重復,每個重復15個果實。
取樣時間及方法:分別在接種柑橘綠霉病菌 0 、4 、8 、12 、24 、48 、72 h 后取樣,在接菌果實及相應對照切取病斑周圍1~2 cm寬度未發病果皮,迅速放入液氮中速凍,置于-80℃冰箱中保存。
使用多糖多酚植物總RNA快速提取試劑盒(離心柱型)提取柑橘果皮總RNA,操作步驟參照試劑盒說明書,用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測RNA的完整性。取1 μL洗脫液用微量分光光度計測定總RNA濃度。
反轉錄使用PrimeScript RT reagent Kit with gDNA Eraser(Perfect Real Time)試劑盒,操作步驟參照試劑盒說明書。
從NCBI網站下載柑橘MAPKs基因序列,使用Beacon designer 7.0軟件(Palo Alto,CA,USA)設計qPCR引物(表1)。使用Bio-Rad的CFX96 Touch? 熒光定量 PCR 檢測系統完成qPCR實驗。使用Bio-Rad CFX Manager 3.1分析qPCR數據,基因表達量計算使用2-ΔΔCt方法,柑橘CsACTIN基因作為內參[13]。
應用Excel 2013統計分析所有數據并繪制圖表。使用SPSS軟件(Version 22.0,IBM SPSS,Chicago,IL)的單因素方差分析(oneway ANOVA)方法對試驗數據進行差異顯著性分析。
埃及糖橙果實接種柑橘綠霉病菌24 h后,NO處理和對照的部分果實開始在接種點周圍出現水漬狀壞死斑病癥;接菌48 h后,NO處理果實發病率低于對照20%左右;接菌72 h后,NO處理果實發病率達到95%左右,對照果實全部發病(圖1A)。NO處理果實的病斑直徑顯著小于對照果實(圖1B)。
果皮中不同MAPKs基因的基礎表達量差異很大(圖2)。使用表1中的引物,沒有擴增到CsMAP7-like和CsMAPKB1基因的目標條帶。CsMAP13-like和CsMAPMMK1的相對表達量最高,約是CsMAP7的20倍;CsMAP、CsMAP1、CsNTF3和CsMAPMMK2的相對表達量約是CsMAP7的10~15倍;CsMAP15的相對表達量約是CsMAP7的7倍;CsMAP4-like、CsMAP9、CsMAP9-like、CsMAP19-like和CsMAP20-like的相對表達量是CsMAP7的2~4倍。
為了分析柑橘綠霉病菌對果實中MAPKs基因表達的影響,分別在對照果實接種綠霉病菌0、4、8、12、24、48、72 h后收集柑橘果皮樣品,RT-qPCR檢測各MAPKs基因的表達。結果表明,柑橘果實中MAPKs基因響應綠霉病菌的表達方式不同(圖3)。

表1 柑橘MAPKs基因實時定量PCR引物序列

圖1 外源NO處理對柑橘果實接種綠霉病后發病率和病斑直徑的影響

圖2 柑橘果皮中MAPKs基因的基礎表達情況
在整個試驗期間,柑橘果皮中CsMAP和CsMAP1基因的表達都表現為先受到抑制后又受到誘導的模式。與接菌0 h的對照相比,CsMAP基因的表達在接種綠霉病菌4、8 h階段受到抑制,相對表達量只有對照的60%左右;接種病原菌12~24 h,表達水平與對照相似,二者之間沒有顯著差異;接菌48 h后,CsMAP基因的表達受到綠霉病菌的誘導,直至試驗結束的72 h,基因的表達水平顯著高于對照果實,達到兩倍以上。與同一時間點的對照相比,在接種綠霉病菌4 h后,CsMAP1基因的表達受到抑制,果皮中CsMAP1基因的相對表達量下調40%左右,隨后相對表達量逐步增加,接菌24 h后達到顯著水平,接菌72 h后的相對表達水平達到對照果實的2.5倍左右。
整個試驗期間,對照果實中CsMAP9基因的相對表達量呈現階段性下降的趨勢,接菌0~8 h,CsMAP9基因的相對表達量無顯著差異,接菌12~24 h的相對表達量相似,相比接菌0~8 h下降50%左右,貯藏48、72 h后,CsMAP9基因的相對表達量只有0 h時的25%左右。與同一時間點的對照相比,接種綠霉病菌48、72 h后,柑橘果皮中CsMAP9基因的表達受到病原菌誘導,相對表達量是對照果皮的5倍左右,其余時間點差異不顯著。
在試驗處理24 h之前,對照和處理柑橘果實中CsMAP20-like基因的表達相似,而接種綠霉病菌48、72 h后,果皮中CsMAP20-like基因的表達受到病原菌誘導,接菌48 h后表達水平達到頂峰,是同一時間點對照的2倍以上。
與對照相比,柑橘果皮中CsMAP19-like基因分別在接種綠霉病菌4、48、72 h后受到顯著的誘導表達,接菌8~24 h與對照果實間無顯著差異。
與對照相比,接種綠霉病菌4、8、12 h能夠誘導柑橘果皮中CsMAP13-like基因的表達,表達量提高50%左右。而接菌24 h后,CsMAP13-like基因在同一時間點的對照和處理果實中的表達水平無顯著差異。
對照柑橘果皮中CsMAP9-like基因的表達一直處于較高水平,貯藏48 h表達量到達頂峰,約是對照0 h的1.5倍。與對照相比,柑橘果皮中CsMAP9-like基因在接種綠霉病菌4、8、12 h后受到誘導表達,相對表達量都提高約40%。接菌24 h至試驗結束,同一取樣點對照和處理柑橘果皮中的CsMAP9-like基因表達水平無顯著差異。
與同一取樣點的對照柑橘果實相比,CsMAPMMK2基因在接菌4、8、12 h后受到綠霉病菌誘導表達,相對表達量分別提高約50.5%、42.9%和70.2%。接種病原菌24、48 h后,綠霉病菌處理和對照柑橘果皮中CsMAPMMK2基因的表達無顯著差異,而貯藏72 h后,處理柑橘果皮中CsMAPMMK2基因表達水平迅速下降,僅為對照的44.1%。

圖3 綠霉病菌對柑橘果實中MAPK基因表達的影響
除接菌0 h以外,其余時間點柑橘果皮中CsMAPMMK1基因的表達均受綠霉病菌誘導。與對照相比,接菌 4、8、12、24、48、72 h取樣點試驗柑橘果皮中CsMAPMMK1基因的相對表達量分別提高了49.1%、62.7%、97.8%、80.1%和22.6%。
柑橘果皮中CsMAPNTF3、CsMAP15和CsMAP7基因受綠霉病菌誘導的表達模式相似,與對照相比,這3個基因都在接種綠霉病菌48、72 h后表達受到抑制,其余時間點無顯著差異。其中處理柑橘果皮中CsMAPNTF3基因接菌72 h后相對表達量顯著下降,僅為對照的40%左右;CsMAP15基因在接種柑橘綠霉病菌48、72 h果皮中的相對表達量僅為對照的67%和59%;CsMAP7基因在接種柑橘綠霉病菌48、72 h果皮中的相對表達量僅為對照的70%和79%。
CsMAP4-like基因的表達不受綠霉病菌的影響,處理和對照柑橘果皮中表達無顯著差異。
為了分析外源NO提高柑橘果實對綠霉病菌抗性的過程中MAPKs基因的表達變化,分別在SNP處理果實接種綠霉病菌0、4、8、12、24、48、72 h收集柑橘果皮樣品,RT-qPCR檢測各MAPKs基因的表達。結果顯示,外源NO能夠誘導柑橘果皮中MAPK基因的表達(圖4)。
CsMAP基因在SNP處理4 h后到達表達高峰,相對表達量是同一時間對照的5.4倍,隨后表達量下降,保持在對照的2~3倍的水平。
CsMAP1、CsMAP15和CsMAP13-like基因在SNP處理1 h(取樣點0 h)受誘導表達,相對表達量是對照0 h的1.4~1.5倍。CsMAP1和CsMAP15基因都在接菌4、12 h獲得兩個表達高峰,CsMAP1在峰值時的相對表達量分別為對照柑橘的6.2、9.5倍,隨后降至對照約2倍的表達水平。CsMAP15在峰值時的相對表達量分別為對照的4.3、4.8倍,隨后下降至與對照無顯著差異。CsMAP13-like基因在SNP處理4 h達到表達高峰,約是對照柑橘果皮中的3倍左右,隨后穩定表達。
CsMAP4-like基因在SNP處理4 h后表達受到顯著誘導,12 h達到表達高峰,約為對照柑橘果實的5.3倍。
CsMAP9基因受SNP誘導表達,處理4 h達到表達高峰,隨后表達水平逐漸下降。與同一取樣點的對照相比,試驗柑橘果皮中CsMAP9的相對表達量都提高3倍以上,其中處理12 h差異最大,相對表達量約是對照的6.9倍。
與對照0 h相對表達量相比,CsMAP9-like基因在SNP處理4~72 h的相對表達量都提高1倍以上,在SNP處理4 h達到表達高峰。
CsMAP20-like基因在SNP處理4 h達到表達高峰,約是同一時間對照果皮中相對表達量的6.3倍,隨后表達水平迅速下降,但仍為對照的兩倍以上。
CsMAPMMK1和CsMAPMMK2基因的表達模式相似,分別在SNP處理4 h和12 h獲得兩個表達高峰。與同一取樣點的對照相比,果皮中這兩個基因的相對表達量都在SNP處理12 h時受誘導提高的倍數最大,分別為7、4.5倍。
CsMAP7 和CsMAP19-like基因只在 4、8、12、24 h受到SNP誘導表達,CsMAP7的表達高峰在12 h,與對照相比,相對表達量約提高了3倍左右。CsMAP19-like的表達高峰在4 h,與對照相比,相對表達量約提高了6.3倍左右,隨后下降至48 h時與對照間無顯著差異。
CsMAPNTF3基因只在12、24 h受到SNP誘導表達,表達高峰在12 h,與對照相比,相對表達量約提高3倍左右。
本研究發現,柑橘綠霉病菌侵染能夠改變柑橘果皮中MAPKs基因的表達,CsMAP9-like、CsMAP13-like和CsMAPMMK2在綠霉病菌侵染前期(4~12 h)受誘導表達,CsMAP、CsMAP1、CsMAP9、CsMAP19-like和CsMAP20-like在綠霉病菌侵染后期(48~72 h)受誘導表達,CsMAP7、CsMAP15和CsMAPNTF3在綠霉病菌侵染后期(48~72 h)受抑制表達。外源NO能夠顯著提高柑橘果皮中MAPKs基因的表達水平,可能參與了采后柑橘果實抗綠霉病的生理過程,降低了柑橘果實綠霉病的發病率和病原菌的擴散速度。

圖4 外源NO對采后柑橘果實中MAPKs基因表達的影響
柑橘綠霉病菌是典型的死體營養型病菌,具有嚴格的寄主專化性,僅能通過傷口侵染成熟的柑橘類果實,一旦果實發生機械傷害,綠霉病菌孢子就能夠迅速定植,并在短時間內造成果實腐爛[14]。本研究結果顯示,接種柑橘綠霉病菌孢子24 h后,對照柑橘果實超過15%的侵染點能夠觀察到病斑,說明柑橘綠霉病菌能夠快速攻克寄主的防御體系。生產上為減少由柑橘綠霉病造成的經濟損失,主要采用在果實儲存前用適量殺菌劑,單鑒于殺菌劑的安全性問題和病原體耐藥性形成,應用化學殺菌劑控制果蔬采后病害越來越受到限制。一些新型的抗菌肽、拮抗菌等果實保鮮方法由于受到制備工藝、活性成分鑒定和使用方法等的限制,仍不能廣泛應用于生產[15-16]。通過使用小分子物質來激活植物的先天免疫系統成為一種新型的植物病害防控策略。比如用精氨酸處理采前番茄果實能夠誘導采后番茄果實的抗病性[17],MeJA能夠誘導番茄果實的抗病性[18],SNP處理能夠分別誘發采后番茄果實對灰霉病菌[4,19]和柑橘果實對膠孢炭疽菌的抗病性[6]。本研究結果也表明,SNP處理能夠提高采后柑橘果實對綠霉病菌的抗性,發病率和平均病斑面積顯著小于對照組果實。
柑橘果實的抗病性主要源于高度協調的生化和結構防御體系的共同作用,以阻止病原菌的傳播[20]。MAPKs是MAPK級聯最后的激酶,能將底物的S/T磷酸化[12],活化磷酸脂酶、轉錄因子和其他底物等,參與茉莉酸生物合成、植物防御基因的激活、超敏反應以及系統獲得性抗性等生理過程[21]。植物通過自身的MAPK級聯來感知外界環境變化和病原菌的入侵,將細胞外的信號傳遞到胞內,從而使植物產生生理適應過程。比如利用原發免疫應答或先天免疫系統來識別病原物,依據辨識結果啟動特異性的防衛反應來抵抗入侵病原物[22]。而病原菌效應子則通過直接或者間接的方式抑制植物的MAPK級聯,從而打破植物的免疫系統[23]。因此,研究植物MAPKs如何應對病原菌的入侵,能夠為開發新的病害防控措施提供理論基礎。從本研究中柑橘果皮MAPKs基因應對綠霉病菌入侵的表達可知,各MAPKs基因在響應綠霉病菌侵染過程中發揮了不同的作用。CsMAP和CsMAP1基因在病原菌侵染早期(4~8 h)受到抑制表達,后期(48~72 h)起到了正調控的抗病作用。CsMAP9和CsMAP20-like基因僅在果實發病后期起到了正調控的抗病作用。CsMAP19-like基因在綠霉病菌侵染早期(4 h)和后期(48~72 h)起到了正調控的抗病作用。CsMAP9-like、CsMAP13和CsMAPMMK2基因在綠霉病菌侵染早中期(4~12 h)起到了正調控的抗病作用,而CsMAPMMK2基因在果實發病末期(72 h)受到病原菌抑制表達。CsMAPMMK1基因在病原菌入侵過程中被誘導表達,說明該基因在柑橘果實抗綠霉菌病過程中起到了正調控作用。CsMAPNTF3、CsMAP7和CsMAP15基因的表達在果實發病后期(48~72 h)受綠霉病菌抑制,果實的防御體系被進一步打破,腐爛加劇。
NO是唯一已知能夠在植物細胞間和細胞膜與細胞質之間自由穿梭的抗病反應信號分子,通過多種途徑參與植物的抗病反應[24-25],如作為細胞間信號分子傳遞超敏信息,激發細胞死亡[6],誘導植物體抗病反應的氨酸解氨酶基因(PAL)及病程相關蛋白基因(PR1)的轉錄[7];外源NO能夠誘導果實中過氧化氫酶、酚類化合物、過氧化物酶、多酚氧化酶、過氧化氫酶等的活性,提高采后番茄和柑橘果實的抗病性[4,6];番茄SlMPK1/2/3 參與了外源 NO 誘導采后番茄果實抗灰霉病的反應[26]。本研究結果發現,柑橘果皮中13個MAPKs家族基因均受到外源NO的誘導表達,但表達模式存在較大差異,說明這些MAPKs可能在NO誘導的采后柑橘果實抗綠霉病菌過程中不同階段發揮作用。CsMAP、CsMAP9和CsMAP20-like基因受NO誘導的表達模式相似,在4 h后達到表達高峰,隨后表達開始回落(8~72 h),CsMAP4-like在處理后12 h到達表達高峰,說明這些基因在NO誘導的柑橘抗綠霉病菌的早期發揮了正調控作用。CsMAP1、CsMAP15和CsMAP13-like基因能夠快速響應外源NO的誘導作用,在處理1 h即受到誘導表達,它們可能在發病初期即參與抵御病原菌入侵的過程。CsMAPMMK1、
CsMAPMMK2、CsMAP7和CsMAP19-like基因在NO處理前期(4 h)和中期(12 h)有兩個表達高峰。總體上,NO處理前期(4~12 h)的MAPKs基因相對表達水平要高于后期(24~72 h),這也與果實發病率結果相呼應,NO處理24 h時果實的發病率只有對照的50%左右,而72 h時達到對照的95%左右,說明MAPKs基因的高水平表達利于柑橘果實抵抗綠霉病菌的入侵。
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