郭維 王磊 吳宏清 白玲 章衛(wèi)民
(1.廣東省微生物研究所 廣東省菌種保藏與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東省微生物應(yīng)用新技術(shù)公共實(shí)驗(yàn)室 廣東省華南應(yīng)用微生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,廣州 510070;2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院,南昌 330045)
蟲草(Cordyceps spp. s. l.)是一類重要的真菌資源,主要寄生于昆蟲、蜘蛛和某些大團(tuán)囊菌屬地下種類的子實(shí)體上,它是一類復(fù)型真菌,在其生活史中存在以分生孢子形成為特征的無性型和以子座形成并產(chǎn)生子囊孢子為特征的有性型[1],其種類繁多,代謝產(chǎn)物豐富,且具有多種生物活性[2]。卵孢菌素(Oosporein)是布氏蟲草(C. brongniartii)無性型,即布氏白僵菌(Beauveria brongniartii)的一種天然真菌毒素[3]。研究表明,卵孢菌素是布氏白僵菌唯一的主要次級代謝產(chǎn)物,最大產(chǎn)量可達(dá)270 mg/L[4]。因此,卵孢菌素在害蟲的生物防治中起著重要的作用。迄今為止,卵孢菌素的相關(guān)功能基因及其在蟲草菌中的合成途徑尚不清楚。
深紅蟲草(C. cardinalis)是一種寄生于鱗翅目幼蟲的病原真菌[5]。本實(shí)驗(yàn)室在前期研究中分離獲得了深紅蟲草的無性型(菌株C033),通過研究首次發(fā)現(xiàn)其發(fā)酵提取物具有良好的生物活性,進(jìn)一步通過發(fā)酵產(chǎn)物的分離純化,獲得了紅褐色粉末狀活性物質(zhì)——卵孢菌素,且產(chǎn)量較高,得率為120 mg/L[6,7]。此外,該菌株具有生長速度快、產(chǎn)孢量大的特點(diǎn),是研究蟲草菌生物合成卵孢菌素的理想菌株。但是,根據(jù)該菌株現(xiàn)有的卵孢菌素產(chǎn)量,有必要通過遺傳改造提高該蟲草菌合成卵孢菌素的產(chǎn)量,為今后開發(fā)出新型高效的生防制劑奠定基礎(chǔ)。
為了研究蟲草菌的基因功能、基因表達(dá)調(diào)控和表達(dá)體系,建立一個高效的蟲草菌轉(zhuǎn)化體系非常關(guān)鍵。目前,對于絲狀真菌的轉(zhuǎn)化方法通常有原生質(zhì)體轉(zhuǎn)化法、醋酸鋰轉(zhuǎn)化法、電穿孔轉(zhuǎn)化法和根癌農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)化法(Agrobacterium tumefaciens-mediated transformation,ATMT)等[8]。ATMT是一種最為有效的轉(zhuǎn)化方法,具有操作方法簡單、轉(zhuǎn)化受體多樣、轉(zhuǎn)化效率較高、遺傳穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。在蟲草的無性型及相關(guān)真菌中已報(bào)道了蛹蟲草菌、球孢白僵菌、金龜子綠僵菌等利用ATMT法成功地建立了相應(yīng)的轉(zhuǎn)化體系[9-14]。
由于深紅蟲草是2004年才報(bào)道的一個蟲草新種[5],至今國內(nèi)外還沒有關(guān)于該蟲草菌的轉(zhuǎn)化體系的研究報(bào)道。本研究以深紅蟲草菌株C033作為出發(fā)菌株,根癌農(nóng)桿菌EHA105為基礎(chǔ),構(gòu)建含遺傳霉素抗性基因的雙元載體pCambia2301,建立高效的遺傳轉(zhuǎn)化系統(tǒng),旨在為進(jìn)一步研究其相關(guān)功能基因,高效利用深紅蟲草菌株防治蟲害奠定理論基礎(chǔ),同時也為其它蟲草菌重要活性代謝產(chǎn)物相關(guān)功能基因的研究提供參考。
1.1.1 菌株和質(zhì)粒轉(zhuǎn)化受體 深紅蟲草(C. cardinalis)菌株C033由本實(shí)驗(yàn)室保存;轉(zhuǎn)化供體:根癌農(nóng)桿菌(A. tumefaciens)EHA105由華中農(nóng)業(yè)大學(xué)提供;雙元載體pCambia2301購于北京鼎國生物技術(shù)有限責(zé)任公司,其包含β-葡萄糖苷酶報(bào)告基因(gus)和抗性篩選標(biāo)記新霉素磷酸轉(zhuǎn)移酶基因(nptⅡ),這2個基因均受CaMV 35S啟動子調(diào)控,其中g(shù)us基因包含一個內(nèi)含子,可消除殘余菌液中的gus基因表達(dá)行為,pCambia2301載體通過凍融法導(dǎo)入到農(nóng)桿菌EHA105菌株。該載體T-DNA 區(qū)域的結(jié)構(gòu)見圖1。
圖1 雙元載體pCambia 2301的T-DNA結(jié)構(gòu)
1.1.2 試劑 遺傳霉素(G418)、頭孢霉素、乙酰丁香酮(AS)購自德國羅氏公司;卡那霉素購自Sigma公司;Ex Taq DNA聚合酶購于日本TaKaRa公司;gus檢測液:X-GluC溶液、50 mmol/L的磷酸鈉緩沖液、50 mmol/L的鐵氰化鉀溶液、50 mmol/L的亞鐵氰化鉀溶液、0.5 mol/L的EDTA溶液,pH8.0。
1.1.3 培養(yǎng)基 C8固體培養(yǎng)基(%):葡萄糖5,蛋白胨1,KNO30.2,MgSO40.2,(NH4)3PO4·3H2O 0.2,CaCl20.01,瓊脂1.5,蒸餾水定容,pH自然,用于蟲草菌的培養(yǎng)。
YEB固體培養(yǎng)基(g/L):蛋白胨5,蔗糖5,牛肉膏5,酵母提取物1,MgSO40.24,蒸餾水定容,pH7.2,用于農(nóng)桿菌的活化培養(yǎng)。
MM液體培養(yǎng)基(g/L):K2HPO41.45,KH2PO42.5,NaCl 0.15,MgSO40.5,CaCl20.066,F(xiàn)eSO40.0008,(NH4)2SO40.5,葡萄糖1.8,0.5%甘油(W/V),蒸餾水定容,pH自然,用于農(nóng)桿菌的擴(kuò)大培養(yǎng)。
隨著電噴柴油機(jī)和電控系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)不斷發(fā)展,電噴柴油機(jī)主機(jī)遙控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提出的功能需求不斷演變。下面以MAIN的電噴主機(jī)的接口和配套的主機(jī)遙控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能為例進(jìn)行分析。
IM培養(yǎng)基的組成同MM,另加200 μmol乙酰丁香酮(AS),pH5.3,用于農(nóng)桿菌的誘導(dǎo)培養(yǎng)。
1.2.1 菌株C033對遺傳霉素(G418)的敏感性試驗(yàn) 將無菌水配制的蟲草菌分生孢子懸浮液稀釋至106個/mL,取100 μL涂布于含不同濃度G418(0、100、200、400、600和800 μg/mL)的C8平板上,28℃培養(yǎng)4 d,重復(fù)3次,根據(jù)觀察結(jié)果,確定G418對深紅蟲草菌株的最小抑制濃度。
1.2.2 菌株C033分生孢子液的制備 用無菌蒸餾水從培養(yǎng)5-7 d 的C8平板洗下C033菌株的分生孢子,離心后用MM液體培養(yǎng)基重懸,血球計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù),再用MM液體培養(yǎng)基將孢子濃度調(diào)整為106個/mL。
1.2.3 根癌農(nóng)桿菌EHA105的轉(zhuǎn)化及活化培養(yǎng) 采用凍融法[15]將質(zhì)粒pCambia2301直接轉(zhuǎn)化到根癌農(nóng)桿菌EHA105菌株中,轉(zhuǎn)入含50 μg/mL卡那霉素的YEB平板上培養(yǎng),挑取單菌落PCR鑒定并測序,結(jié)果正常說明轉(zhuǎn)化成功,保存單菌落。從含50 μg/mL卡那霉素的YEB平板上挑取農(nóng)桿菌單菌落,接種于3 mL YEB液體培養(yǎng)基(含50 μg/mL卡那霉素),28℃、220 r/min振蕩培養(yǎng)過夜。
1.2.4 農(nóng)桿菌介導(dǎo)菌株C033的轉(zhuǎn)化 將培養(yǎng)好的農(nóng)桿菌菌液250 μL接種于50 mL MM培養(yǎng)基中,28℃、220 r/min擴(kuò)大培養(yǎng)2 d,檢測菌液OD600值,將IM培養(yǎng)基稀釋至OD600=0.15,繼續(xù)在相同條件下培養(yǎng)6-12 h,取100 μL菌株C033孢子懸液和活化的100 μL EHA105(含有pCambia2301)混勻后,均勻涂布到表面鋪有濾紙的IM固體培養(yǎng)基上,28℃避光培養(yǎng)2 d。將濾紙轉(zhuǎn)移到含G418和頭孢霉素平板上,28℃繼續(xù)培養(yǎng)2-4 d,挑取長出的單菌落在不含G418的C8平板上傳3代,再接種到含G418的C8平板上傳2代,若抗性穩(wěn)定,則初步認(rèn)定為蟲草菌株的轉(zhuǎn)化子,保存菌種。
1.2.5 gus基因組織化學(xué)檢測 轉(zhuǎn)化子單菌落形成后,接種到含G418和頭孢霉素抗性的C8液體培養(yǎng)基的96孔板上,保證每孔一個單菌落,培養(yǎng)3 d后,此時菌落顏色為正常的紅色,向每孔加入50 μL的gus檢測液,37℃保溫過夜,通過組織化學(xué)分析確定gus表達(dá)的穩(wěn)定性。
1.2.6 轉(zhuǎn)化子的鑒定 隨機(jī)挑選10個單孢分離轉(zhuǎn)化子,按改良的CTAB法[16]分別取菌塊0.5 g提取基因組DNA。采用PCR擴(kuò)增檢測目的片段,以pCambia2301載體上的gus和nptⅡ基因序列為參考,設(shè)計(jì)兩者的上下游引物,其中g(shù)us正向引物為5'-CGTCCTGTAGAAACCCCAAC-3',反向引物為5'-ATTGACCCACATTTGCCGT-3',nptⅡ正 向 引 物為5'-GAGGCTATTCGGCTATGACTG-3',反向引物為5'-ATCGGGAGCGGCGATACCGTA-3'。gus和nptⅡ基因的預(yù)期片段長度分別為300 bp和700 bp左右,引物由上海生工生物公司合成。PCR反應(yīng)體系共20 μL,包括100 ng DNA,200 μmol/L dNTPs,1 μmol/L的上下游引物,1 U Ex Taq DNA 聚合酶,1.5 mmol/L MgCl2,5 μL 10×Taq DNA聚合酶緩沖液。反應(yīng)程序?yàn)椋?5℃變性5 min;94℃變性45 s,58℃退火45 s,72℃延伸90 s,32個循環(huán);72℃延伸10 min。取5 μL擴(kuò)增產(chǎn)物于1%瓊脂糖凝膠中進(jìn)行電泳檢測。
表1顯示,當(dāng)含有G418的C8固體平板的終濃度為400 μg/mL時,蟲草菌絲生長明顯受到抑制,而當(dāng)G418濃度達(dá)到500 μg/mL時,菌絲完全不能生長。因此,選擇遺傳霉素G418的最佳篩選濃度為500 μg/mL。
表1 深紅蟲草菌株C033對遺傳霉素G418的敏感性
從經(jīng)檢測已導(dǎo)入gus基因的菌體上刮取適量菌絲進(jìn)行組織化學(xué)染色檢測,發(fā)現(xiàn)均不同程度被染成藍(lán)色。轉(zhuǎn)化菌株重新培養(yǎng)20 d后,再挑選6個轉(zhuǎn)化菌株進(jìn)行組織化學(xué)染色檢測,仍然被染成藍(lán)色,說明gus基因轉(zhuǎn)入蟲草菌株后能持續(xù)表達(dá),證明本試驗(yàn)所建立的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)是穩(wěn)定有效的。
隨機(jī)選取10個經(jīng)G418和頭孢霉素篩選的轉(zhuǎn)化子,以野生型菌株為陰性對照,質(zhì)粒pCambia2301為陽性對照,采用CTAB法提取總DNA,用針對nptⅡ基因所設(shè)計(jì)的引物nptⅡ-F、nptⅡ-R和gus基因所設(shè)計(jì)的引物gus-F、gus-R進(jìn)行PCR擴(kuò)增。PCR產(chǎn)物的瓊脂糖凝膠電泳檢測結(jié)果如圖2和圖3所示。所挑取的轉(zhuǎn)化子的擴(kuò)增產(chǎn)物在700 bp和300 bp處均呈現(xiàn)出與陽性對照相同的特異性片段,而陰性對照沒有出現(xiàn)特異性條帶,初步說明遺傳霉素抗性片段插入至蟲草菌株轉(zhuǎn)化子的基因組中。
圖2 轉(zhuǎn)化子nptⅡ基因的PCR擴(kuò)增結(jié)果
圖3 轉(zhuǎn)化子gus基因的PCR擴(kuò)增結(jié)果
2.4.1 菌株C033的孢子濃度 用無菌水將菌株C033的孢子分別稀釋至103、104、105和106個/mL,進(jìn)行轉(zhuǎn)化試驗(yàn)。結(jié)果(圖4)顯示,當(dāng)孢子濃度為105個/mL時,轉(zhuǎn)化子數(shù)目最多,約40個/平板。因此,選擇蟲草菌孢子的最佳濃度為105個/mL。
2.4.2 根癌農(nóng)桿菌OD值 分別采用OD600值為0.1、0.2、0.4、0. 6和0.8等5個濃度梯度的農(nóng)桿菌對孢子濃度為105個/mL的蟲草菌株進(jìn)行轉(zhuǎn)化,結(jié)果(圖5)顯示,當(dāng)農(nóng)桿菌OD值為0.6時轉(zhuǎn)化效果最佳。
2.4.3 誘導(dǎo)劑乙酰丁香酮(AS)濃度 調(diào)整轉(zhuǎn)化過程中的AS濃度分別為100、150、200、250和300 μmol/L,結(jié)果(圖6)顯示,隨著共培養(yǎng)基中AS濃度增高,轉(zhuǎn)化子數(shù)目也相應(yīng)增加,當(dāng)AS濃度達(dá)200 μmol/L時轉(zhuǎn)化子數(shù)目達(dá)到最高,提高AS濃度至250和300 μmol/L時轉(zhuǎn)化效率逐漸降低,因此200 μmol/L為AS的最佳添加濃度。
圖4 菌株C033孢子濃度對轉(zhuǎn)化效率的影響
圖5 根癌農(nóng)桿菌的OD值對轉(zhuǎn)化效率的影響
圖6 誘導(dǎo)劑AS濃度對轉(zhuǎn)化效率的影響
2.4.4 共培養(yǎng)時間 調(diào)整共培養(yǎng)時間為24、36、48、60和72 h,結(jié)果(圖7)顯示,當(dāng)共培養(yǎng)為24 h時,轉(zhuǎn)化子數(shù)量稀少,隨共培養(yǎng)時間的延長,轉(zhuǎn)化子數(shù)目增多,當(dāng)培養(yǎng)時間為48 h時,轉(zhuǎn)化子數(shù)達(dá)到最多,而繼續(xù)延長共培養(yǎng)時間,轉(zhuǎn)化子數(shù)目則逐漸減少。
自1998年de Groot等[17]首次將根癌農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)化法應(yīng)用于絲狀真菌的遺傳轉(zhuǎn)化以來,已有許多絲狀真菌通過ATMT法成功實(shí)現(xiàn)了遺傳轉(zhuǎn)化。本研究利用這一轉(zhuǎn)化系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了對深紅蟲草菌株的遺傳轉(zhuǎn)化,建立了該蟲草菌的轉(zhuǎn)化體系,并通過分析各轉(zhuǎn)化因素對轉(zhuǎn)化效率的影響優(yōu)化了轉(zhuǎn)化條件。
圖7 共培養(yǎng)時間對轉(zhuǎn)化效率的影響
在蟲草菌的遺傳轉(zhuǎn)化過程中,首先必須尋找合適的抗生素作為遺傳改造的抗性標(biāo)記。目前,用于真菌轉(zhuǎn)化篩選的抗生素抗性標(biāo)記中主要有潮霉素(HygB)、遺傳霉素(G418)等,而以HygB最為常見。在蛹蟲草(C. militaris)的遺傳轉(zhuǎn)化中發(fā)現(xiàn)HygB對其具有明顯抑制效果,因此以它作為抗性標(biāo)記,利用ATMT法成功獲得了轉(zhuǎn)化子,并篩選到蟲草突變株[9]。G418及其抗性基因npt II已在啤酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)[18]、須癬毛癬菌(Trichophyton mentagrophytes)[19]等真菌的遺傳轉(zhuǎn)化中得到應(yīng)用。本研究通過試驗(yàn)證明,深紅蟲草菌株C033對HygB具有高度的抗性,因此HygB不宜用來篩選該菌株的轉(zhuǎn)化子。該菌株對新霉素類抗生素較為敏感,因此選擇G418用于轉(zhuǎn)化子的篩選。
蟲草菌孢子的濃度及農(nóng)桿菌的菌液濃度、誘導(dǎo)劑AS濃度及共培養(yǎng)時間是實(shí)現(xiàn)蟲草菌遺傳轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因素,因此本研究主要對這些影響因素進(jìn)行了優(yōu)化。隨著蟲草菌孢子濃度的提高,轉(zhuǎn)化效率明顯提高,但過高的孢子濃度會造成菌絲的蔓延,不利于轉(zhuǎn)化子的生長。本研究通過對不同孢子濃度的蟲草菌進(jìn)行轉(zhuǎn)化試驗(yàn),結(jié)果蟲草菌孢子濃度為105個/mL時轉(zhuǎn)化率最高。在一定的濃度范圍內(nèi),增加農(nóng)桿菌的菌液濃度會提高蟲草菌的轉(zhuǎn)化效率,但過高的農(nóng)桿菌濃度反而降低轉(zhuǎn)化效率,其原因可能是農(nóng)桿菌濃度過高抑制了蟲草菌的生長。本試驗(yàn)通過不同濃度的農(nóng)桿菌對蟲草菌株進(jìn)行轉(zhuǎn)化,結(jié)果農(nóng)桿菌OD值為0.6時轉(zhuǎn)化效果最好。
共培養(yǎng)基中AS能起到誘導(dǎo)活化農(nóng)桿菌vir基因的作用,濃度太低會導(dǎo)致農(nóng)桿菌病毒蛋白表達(dá)量不夠,難以完成轉(zhuǎn)化,AS濃度過高可能會導(dǎo)致T-DNA插入的拷貝數(shù)目增加[20]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)添加不同濃度的AS轉(zhuǎn)化效率不同,當(dāng)AS濃度達(dá)200 μmol/L時轉(zhuǎn)化子數(shù)目達(dá)到最高。但也有研究發(fā)現(xiàn),在對蛹蟲草菌株的轉(zhuǎn)化中添加AS與否并不影響轉(zhuǎn)化效率,說明AS并非是誘導(dǎo)蛹蟲草轉(zhuǎn)化所必須的[9],推測這與不同的轉(zhuǎn)化宿主有關(guān)。共培養(yǎng)時間關(guān)系到農(nóng)桿菌vir基因的表達(dá)、蛋白的活化、T-DNA的剪切和復(fù)合物向孢子內(nèi)的轉(zhuǎn)移,過短的共培養(yǎng)時間將導(dǎo)致轉(zhuǎn)化無法順利完成,共培養(yǎng)時間太長,非轉(zhuǎn)化子對轉(zhuǎn)化子生長的競爭作用將導(dǎo)致轉(zhuǎn)化效率降低,加大假陽性出現(xiàn)的概率[21]。在本試驗(yàn)中,當(dāng)共培養(yǎng)時間為48 h時蟲草菌的轉(zhuǎn)化子數(shù)量最多。
深紅蟲草菌是鱗翅目幼蟲的病原真菌,卵孢菌素為其主要的次級代謝產(chǎn)物[22],在蟲草菌侵染昆蟲,最終導(dǎo)致昆蟲死亡的過程中發(fā)揮著重要作用。盡管卵孢菌素的化學(xué)結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)及生物活性已有相關(guān)報(bào)道[23,24],但其相關(guān)功能基因及合成途徑尚未見報(bào)道。在本研究建立的蟲草菌遺傳轉(zhuǎn)化體系中,該菌株的生長速度快,產(chǎn)孢量大,轉(zhuǎn)化效率高,獲得的轉(zhuǎn)化子遺傳穩(wěn)定性好,由此構(gòu)建的蟲草菌T-DNA插入突變體庫將為蟲草菌株的選育、相關(guān)功能基因的克隆及功能分析,闡明卵孢菌素的合成途徑奠定技術(shù)基礎(chǔ)。
遺傳霉素和頭孢霉素分別為深紅蟲草菌株C033的有效篩選劑和除菌劑,篩選劑的濃度為500 μg/mL。通過根癌農(nóng)桿菌EHA105介導(dǎo)建立了深紅蟲草菌株的遺傳轉(zhuǎn)化體系。當(dāng)根癌農(nóng)桿菌菌液在600 nm處的吸光值為0.6左右,蟲草菌孢子的濃度為105個/mL,AS的濃度為200 μmol/L,根癌農(nóng)桿菌與蟲草菌的共培養(yǎng)時間為48 h時,該體系的轉(zhuǎn)化效率最高,可獲得約100個轉(zhuǎn)化子。
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