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GTPase activating protein MoGcs1 is important for asexual development, appressorium differentiation and stress response in the rice blast fungus Magnaporthe oryzae

GTP酶激活蛋白MoGcs1参与调控稻瘟病菌的无性繁殖,附着胞分化及对外界胁迫的应答



全 文 :植物病理学报
ACTA PHYTOPATHOLOGICA SINICA  46(1): 17 ̄26(2016)
收稿日期: 2015 ̄06 ̄01ꎻ 修回日期: 2015 ̄08 ̄26
基金项目: 教育部高等学校博士学科点专项科研基金(20120097120010)
通讯作者: 张海峰ꎬ副教授ꎬ主要从事植物病原真菌分子生物学研究ꎻTel:025 ̄84396436ꎬE ̄mail:hfzhang@njau.edu.cn
第一作者: 刘秀ꎬ 女ꎬ硕士研究生ꎬ主要从事植物病原真菌分子生物学研究ꎻE ̄mail:2012102049@njau.edu.cnꎮ
doi:10.13926 / j.cnki.apps.2016.01.003
GTP酶激活蛋白 MoGcs1参与调控稻瘟病菌的
无性繁殖ꎬ附着胞分化及对外界胁迫的应答
刘 秀ꎬ张海峰∗ꎬ张正光ꎬ郑小波
(南京农业大学植物保护学院 /农业部作物病虫害监测与防控重点开放实验室ꎬ南京 210095)
摘要:稻瘟病菌(Magnaporthe oryzae)引起的稻瘟病是水稻上的一种毁灭性真菌病害ꎬ每年导致的稻谷产量损失可养活 6
千万人口ꎮ 从分子水平了解该病菌的致病机理ꎬ对新型药剂靶标的挖掘和病害防控策略的制定具有重要的理论和实践指
导意义ꎮ 生物体存在两类 GTP结合蛋白ꎬ一类是异三聚体 G蛋白ꎬ另一类是小 G蛋白ꎮ 小 G蛋白分子量为 20~ 30 KDꎬ具
有 GTP酶活性ꎬ在多种细胞反应中具有分子开关作用ꎮ 小 G 蛋白结合 GTP 时被激活ꎬ可作用于下游分子使之活化ꎮ 当
GTP水解成为 GDP时ꎬ则恢复为非活化状态ꎮ 细胞中存在一些专门控制小 G蛋白活性的调节因子ꎬ如鸟嘌呤核苷酸交换
因子(guanine nucleotide exchange factorꎬGEF)和 GTP 酶激活蛋白(GTPase activating proteinꎬ GAP)ꎮ GEF 能够催化 GTP
的转换ꎬ而 GAP的作用是加速 GTP的水解ꎬ使小 G蛋白向失活的状态转变ꎮ 本研究在稻瘟病菌中鉴定到一个 GAP 蛋白
MoGcs1ꎬ并对该蛋白编码基因的生物学功能进行了研究ꎮ 对 MoGCS1 基因进行敲除突变发现ꎬΔMogcs1 突变体产孢量显
著下降ꎬ分生孢子形态异常ꎬ且附着胞形成加快ꎬ但突变体的营养生长和致病能力与野生型比较无明显变化ꎮ 进一步研究
发现ꎬ突变体对外界盐胁迫敏感性升高ꎬ对细胞壁胁迫敏感性降低ꎮ 上述结果表明ꎬMoGcs1是稻瘟病菌生长发育过程中一
个重要的蛋白ꎬ参与调控病菌的无性繁殖、附着胞分化及对外界胁迫的应答ꎮ
关键词:小 G蛋白ꎻGAPꎻ无性繁殖ꎻ附着胞分化ꎻ胁迫应答
GTPase activating protein MoGcs1 is important for asexual developmentꎬ appresso ̄
rium differentiation and stress response in the rice blast fungus Magnaporthe
oryzae  LIU Xiuꎬ ZHANG Hai ̄fengꎬ ZHANG Zheng ̄guangꎬ ZHENG Xiao ̄bo  (College of Plant Protection /
Key Laboratory of Monitoring and Management of Crop Diseases and Pest Insectsꎬ Ministry of Agricultureꎬ Nanjing Agricultural
Universityꎬ Nanjing 210095ꎬ China)
Abstract: Rice blastꎬ caused by Magnaporthe oryzaeꎬ is one of the most devastating fungal diseases of rice
worldwide. In eukaryotesꎬ there are two kinds of GTP binding proteinsꎬ one is heterotrimeric G proteinꎬ and the
other is small GTPase protein. Small GTPase proteins have GTPase hydrolysis activity with a molecular weight of
20~30 KDꎬ and play as a molecular switch in multiple cellular responses. Small GTPase proteins are active when
bound to GTP and can thus activate the downstream proteins. When GTP hydrolyzes to GDPꎬ small GTPase pro ̄
tein returns to its inactivated status. There are many proteins such as GEF and GAPꎬ controlling the activity of
small GTPase proteins in the organisms. In this studyꎬ we identified and characterized a GAP protein in M.
oryzaeꎬ named MoGcs1. Targeted gene deletion of MoGCS1 showed that MoGCS1 plays crucial roles in asexual
developmentꎬ conidial morphologyꎬ appressorium formation and stress responsesꎬ but the gene showed no roles
in growth and pathogenicity. The results indicated that MoGcs1 is a key GAP protein of the rice blast fungus.
Key words: small GTPase proteinꎻGAPꎻasexual developmentꎻ appressorium formationꎻ stress response

 
植物病理学报 46卷
中图分类号: S432.44          文献标识码: A          文章编号: 0412 ̄0914(2016)01 ̄0017 ̄10
    稻瘟病菌(Magnaporthe oryzae)引起的稻瘟病
是水稻生产上最严重的病害之一ꎬ每年给水稻生产
造成 10%~30%的产量损失ꎬ严重威胁着全球的粮
食生产安全[1]ꎮ 由于稻瘟病菌全基因组测序的完
成及其遗传转化体系的易操作性ꎬ稻瘟病菌与水稻
互作研究已成为病原菌与植物互作的模式研究系
统[2]ꎮ 在自然界中ꎬ稻瘟病菌主要依靠分生孢子
完成其侵染循环ꎮ 分生孢子接触到水稻叶片时分
泌出黏性物质[3]ꎬ2 h后萌发长出芽管ꎬ4 h 后顶端
弯曲逐渐膨大形成附着胞ꎮ 附着胞随后形成黑色
素层ꎬ产生巨大膨压迫使侵入钉穿透寄主表皮细
胞ꎬ侵入钉在寄主细胞内扩展形成侵染菌丝ꎬ引起
水稻发病ꎮ 在合适的温度和湿度条件下ꎬ发病部位
可在 3~5 d 内产生分生孢子ꎬ从而完成整个病害
循环过程[4]ꎮ
细胞内物质转运对生物体的生长发育至关重
要ꎬ包括促进细胞膜、溶酶体等的形成ꎬ分泌蛋白
质、激素和神经递质并通过胞吞作用摄取外源分子
等[5]ꎮ 胞吞作用是普遍存在于酵母及哺乳动物中
的复杂的质膜运输过程ꎬ包括各种蛋白质及脂质激
酶、磷酸(脂)酶、信号分子的吸收和肌动蛋白骨架
的排列ꎮ 质膜蛋白、脂质及一些大分子物质在此过
程中通过胞内的囊泡运输被分配到早期内含体中ꎬ
随后在成熟的内含体及液泡中降解ꎬ或者作为一种
蛋白受体被重新利用[5]ꎮ 囊泡运输过程受多种蛋
白分子控制ꎬ其中包括 ADP 核糖基化因子(ADP ̄
ribosylation factorꎬARF) [6]ꎮ 一般情况下ꎬARF 是
由鸟嘌呤核苷酸交换因子( guanine nucleotide ex ̄
change factorꎬGEF)激活ꎬ将 GDP 转化为 GTPꎬ激
活的 GTP 酶与 SNARE( soluble N ̄ethylmaleimide ̄
sensitive protein receptor)蛋白及被运输的物质结
合形成复合体ꎬ向囊泡运输途径中的下一个部位转
移ꎮ 该复合体在运输过程中会被 GTP酶激活蛋白
(GTPase activating proteinꎬ GAP)所稳定ꎮ 当复合
体达到一定数量后ꎬ相关细胞器质膜融合形成囊
泡ꎬ最后使 ARF 重新返回到细胞质中[7]ꎮ 可见ꎬ
GAP蛋白在囊泡运输过程中具有重要的调控作
用ꎮ 在酿酒酵母中ꎬGAP 蛋白 Gcs1 和 Glo3 在高
尔基体向内质网的逆向运输过程中具有重要的作
用ꎮ 敲除突变 GLO3导致细胞内的逆向运输受阻ꎬ
而敲除 GCS1影响并不明显[8ꎬ 9]ꎮ 在稻瘟病菌中ꎬ
小 G蛋白 Rac1参与调控产孢、分生孢子形态和致
病性[10]ꎮ Cdc42 参与调控孢子形态ꎬ附着胞分化
和对寄主的侵入过程[11]ꎮ GAP 蛋白 Rga1 在无性
繁殖和附着胞分化过程中具有重要的调控作
用[12]ꎮ
本文对稻瘟病菌中的一个 GAP 蛋白 MoGcs1
的生物学功能进行了分析ꎮ 研究结果表明ꎬ
MoGcs1参与调控病菌的无性繁殖、分生孢子形态
建成、附着胞分化及对外界胁迫的应答过程ꎮ 研究
结果有助于深入了解稻瘟病菌生长发育的分子机
理ꎬ同时对研究其它病原真菌 GAP 蛋白的生物学
功能具有一定的借鉴意义ꎮ
1  材料与方法
1.1  供试菌株
    稻瘟病菌野生型菌株 Guy11 由本实验室保
存ꎬ敲除突变体 ΔMogcs1 及互补菌株 ΔMogcs1 /
MoGCS1由本研究获得ꎮ
1.2  MoGcs1蛋白结构域及系统发育树分析
    根据酿酒酵母中的 Gcs1序列在稻瘟病菌全基
因组数据库中(http: / / www.broad.mit. edu / annota ̄
tion / genome / magnaporthe_grisea / Home. html)进行
Blastp分析ꎬ获得与其高度同源的 Gcs1 蛋白序列
(MGG_01745)ꎮ 根据 MoGcs1 蛋白序列在 NCBI
(http: / / blast.ncbi.nlm.nih.gov / Blast.cgi)数据库中获
得其他10个物种的同源序列ꎬ利用Mega5.0 Beta[13ꎬ14]
软件对这些蛋白进行聚类分析生成系统进化树ꎮ 采
用 Smart Server(http: / / smart.emblheidelberg.de / )网
站对MoGcs1蛋白进行结构域预测ꎮ
1.3  MoGCS1基因敲除载体构建及突变体鉴定
1.3.1 MoGCS1 敲除载体构建及原生质体转化  根
据同源重组原理构建 MoGCS1 基因敲除载体ꎮ 以
野生型菌株 Guy11 为模板ꎬ分别利用引物 MGG_
01745F1(F) / MGG_01745F2(R)和 MGG_01745F3
(F) / MGG_01745 F4(R) (表 1)进行 PCR 扩增基
因同源重组的上、下臂ꎬ回收纯化目的片段ꎮ 以回
收的片段为模板ꎬ利用引物 MGG_01745F1(F) /
MGG_01745F4 (R)进行 over ̄lap PCR 扩增ꎮ 将
81

 
  1期 刘 秀ꎬ等:GTP酶激活蛋白 MoGcs1参与调控稻瘟病菌的无性繁殖ꎬ附着胞分化及对外界胁迫的应答
over ̄lap回收产物连接到 pMD19 ̄T simple vector
(TaKaRaꎬ Dalianꎬ China) 并测序ꎬ获得 pMD::
GCS1质粒载体ꎮ 以质粒 pCB1003为模板ꎬ利用引
物 FL1111 ( F) / FL1112 (R)扩增抗性筛选基因
HPHꎮ 将扩增得到的片段克隆到质粒 pMD::
GCS1中ꎬ获得敲除载体 pMD::GCS1::HPHꎮ 以
测序正确的质粒为模板ꎬ利用引物 MGG_01745F1
(F) / MGG_01745F4(R)扩增出约 3.4 kb的片段用
于稻瘟病菌的原生质体转化ꎬ转化方法参照 Dou
等的方法[15]ꎮ
1.3.2  MoGCS1 基因敲除突变体的筛选及验证 
提取具有潮霉素抗性的转化子基因组 DNAꎮ 以基
因组 DNA 为模板ꎬ采用基因探针引物 MGG _
01745KO ̄F(F) / MGG_01745KO ̄R(R)和臂外引
物 MGG_01745 BY(F) / Hph(表 1)进行 PCR 验
证ꎬ基因探针引物不能扩增出目的条带而臂外引物
可扩增出目的条带的转化子为候选敲除突变体ꎮ
对上述候选敲除突变体进一步进行 Southern
blot分析:分别提取野生型菌株 Guy11和候选敲除
突变体的基因组 DNAꎬ经限制性内切酶 Hind Ⅲ酶
切后进行凝胶电泳ꎬ分别以基因探针引物 MGG_
01745KO ̄F(F) / MGG_01745KO ̄R(R)和 HPH 引
物 FL1111 / FL1112(表 1)的扩增片段为探针进行
Southern blot分析ꎮ Southern blot操作过程参照罗
氏地高辛标记及检测试剂盒操作手册(Roche Ap ̄
plied ScienceꎬPenzbergꎬGermany)ꎮ 以基因片段为
探针未能检测到条带ꎬ且以 HPH 片段为探针能检
测到一条目标带的转化子即为基因成功敲除突
变体[16]ꎮ
1.3.3  MoGCS1 基因敲除突变体互补菌株的获得
设计 引 物 MGG _ 01745GFP ̄1 ( F ) 和 MGG _
01745GFP ̄2(R) (表 1)ꎬPCR 扩增包括 MoGCS1
基因及其自身启动子序列在内的互补片段ꎮ 扩增
获得的 PCR 产物经纯化后与 XhoⅠ线性化的
pYF11载体片段共转入酵母感受态细胞 XK ̄125ꎬ
形成互补转化载体 pYF11::MoGCS1 并测序ꎮ 将
测序正确的载体转化到 ΔMogcs1 突变体的原生质
体中ꎬ对转化子进行抗生素(博来霉素)筛选、PCR
验证和相关表型测定ꎬ获得与野生型表型一致的菌
株即为互补菌株[16]ꎮ
1.4  MoGCS1基因敲除突变体的生物学表型分析
1.4.1  不同培养基上的表型测定  从菌落边缘切
取约 2 mm×2 mm 的菌丝块接种于完全培养基
CM、基本培养基 MM、产孢培养基 SDC 和燕麦培
养基 OM 平板上ꎬ28°C 黑暗培养 7 d 后观察菌落
形态、测量菌落直径并拍照ꎮ 以野生型菌株 Guy11
为对照ꎬ每个菌株设 3个重复ꎬ试验重复 3次ꎮ
Table 1  Primers used in this study
Name Sequence (5′→ 3′)
MGG_01745F1 GCTACTCGTACGATCACATTG
MGG_01745F2 CTTCTCCAGACTCACACGTCGATATCGCGCTGATGTGATGACTGAC
MGG_01745F3 GTCAGTCATCACATCAGCGCGATATCGACGTGTGAGTCTGGAGAAG
MGG_01745F4 GCTCTGCTTGCCCAGGATCAC
MGG_01745KO ̄F ATGGCCTCCAAGGGCATGTG
MGG_01745KO ̄R CTTGGGCTCTCAGACCTGCTG
MGG_01745GFP ̄1 ACTCACTATAGGGCGAATTGGGTACTCAAATTGGTTTCAGAATCATATGAGACCAT
MGG_01745GFP ̄2 CACCACCCCGGTGAACAGCTCCTCGCCCTTGCTCACCCAATCATCCCATTCATCCT
MGG_01745GFP ̄F TCACGAAGACTGCCACTACA
FL1111 GGAGGTCAACACATCAATG
FL1112 CTCTATTCCTTTGCCCTCG
MGG_01745BY ̄F AGCCACCACTGCTTAGACTT
HphR CATTGATGTGTTGACCTCC
91

 
植物病理学报 46卷
1.4.2  突变体对不同胁迫因子的耐受性测定  分
别从野生型 Guy11、敲除突变体及互补菌株的菌落
边缘切取约 2 mm×2 mm 的菌丝块接种于含有不
同胁迫因子的 CM 培养基上ꎬ28°C 黑暗培养 7 dꎬ
观察菌落形态、测量菌落直径并拍照ꎮ 每个胁迫因
子设 3个重复ꎬ实验重复 3次ꎮ 盐胁迫和渗透胁迫
因子:0.7 M NaCl、0.6 M KCl 和 1 M sorbitol 分别
添加于 CM培养基中ꎮ 细胞壁胁迫因子:200 μg􀅰
mL ̄1 CFWꎬ 200 μg􀅰mL ̄1 Congo red 和 0. 005%
SDS分别添加于 CM培养基中ꎮ
1.4.3  突变体产孢量和附着胞形成分析   参照
Zhang等[16]的方法ꎬ分别统计 Guy11、ΔMogcs1突变
体和互补菌株 ΔMogcs1 / MoGCS1的分生孢子产量ꎮ
每个菌株 3个重复ꎬ实验重复 3 次ꎮ 将孢子悬浮液
的浓度调节至 1×104个􀅰mL ̄1ꎬ分别吸取野生型和突
变体的孢子 20 μL 滴于载玻片上(Fisherbrandꎬ12 ̄
540 ̄A 18×18 ̄2)ꎬ置于 28°C黑暗保湿培养ꎬ在 1、2、3
和 4 h分别观察附着胞形态和形成率ꎮ
1.4.4  MoGCS1 基因敲除突变体致病性分析  选
取生长 14 d的对野生型菌株 Guy11敏感的水稻品
种(CO39)和生长 7 d 的大麦幼苗ꎬ收集野生型菌
株 Guy11、ΔMogcs1 突变体和互补菌株的分生孢
子ꎬ将孢子浓度调节至 5×104个􀅰mL ̄1ꎬ用喷雾器
将孢子悬浮液均匀的喷洒至水稻和大麦叶片上ꎬ先
置于 28°C黑暗培养 24 hꎬ随后置于 28°Cꎬ12 h 黑
暗 12 h 光照交替培养ꎮ 观察水稻和大麦发病情
况ꎬ水稻 7 d后拍照ꎬ大麦 5 d 后拍照ꎬ实验重复至
少 3次ꎮ
1.5  实时定量 PCR 分析
    提取各菌株的总 RNAꎬ经 DNAase 消解后反
转录成 cDNAꎬ供实时定量 PCR(Real ̄time quanti ̄
tative  PCRꎬ  qRT  ̄PCR)使用ꎮ 根据待测基因的
cDNA序列ꎬ使用 Primer3.0 设计 qRT ̄PCR 引物ꎮ
在 ABI 7500 Fast Real ̄Time System 中采用 SYBR
Premix Ex Taq(Perfect Real Time)试剂盒(TaKa ̄
Raꎬ Dalianꎬ China)进行 qRT  ̄PCRꎮ 反应程序为:
95°C 30 sꎬ95°C 5 sꎬ60°C 34 sꎬ40 个循环ꎻ95°C
15 sꎻ60°C 1 minꎻ95°C 15 sꎮ 以稻瘟病菌中稳定表
达的 ACTIN 基因(MGG_03982) 为内参进行标准
化ꎬ将野生型菌株中待分析的基因表达量定为 1ꎬ
分析比较相应基因在突变体中的相对转录量ꎮ
2  结果与分析
2.1  MoGcs1的鉴定及系统进化树分析
    根据酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)Gcs1
的蛋白序列ꎬ在稻瘟病菌全基因组数据库中进行
BLAST_P比对ꎬ鉴定到一个与其同源的蛋白编码基
因MGG_01745ꎬ命名为 MoGCS1ꎮ MoGCS1 基因组
序列全长 1 617 bpꎬ含有 2个内含子ꎬ编码 404个氨
基酸ꎮ 结构域预测分析发现ꎬ该蛋白在 N端含有一
个保守的 GAP结构域(图 1 ̄A)ꎮ 该结果与酿酒酵
母及其他物种中的 Gcs1 蛋白类似ꎮ 利用 Mega5.0
Beta 软件对该蛋白及其同源蛋白进行进化树分析发
现ꎬMoGcs1与Gaeumannomyces graminis的Gcs1蛋
白序列最为相似 (图 1 ̄B)ꎬ 上述结果表明 Gcs1 蛋
白在不同物种中是一个非常保守的蛋白ꎮ
Fig. 1  Structure prediction of MoGcs1 and phylogenetic analysis of Gcs1 proteins from different organisms
A: Structure prediction of MoGcs1ꎻ B: Phylogenetic analysis of MoGcs1 and other Gcs1 homologues from other organisms. Se ̄
quence alignments were performed using the CLUSTAL_W 1.83 program. The calculated phylogenetic tree was analyzed using
the Mega5.0 Bata program.
02

 
  1期 刘 秀ꎬ等:GTP酶激活蛋白 MoGcs1参与调控稻瘟病菌的无性繁殖ꎬ附着胞分化及对外界胁迫的应答
2.2  MoGCS1基因敲除突变体及互补菌株的获得
    为了进一步研究 MoGCS1 在稻瘟病菌中的生
物学功能ꎬ采用如图 2 ̄A 所示的方法构建敲除载
体ꎬ并转化到野生型菌株 Guy11 中ꎮ 采用 PCR 技
术对转化子进行初筛验证获得候选敲除突变体ꎮ
进一步采用 Southern blot对候选突变体进行验证ꎮ
当以 MoGCS1基因片段为探针时ꎬ在野生型基因
组中能检测到一条 6 kb 的条带ꎬ而突变体中检测
不到条带ꎻ相反ꎬ当以潮霉素 HPH 基因为探针时ꎬ
突变体基因组中能检测到一条 6 kb 的条带ꎬ而野
生型中检测不到条带(图 2 ̄B)ꎬ表明MoGCS1基因
在稻瘟病菌中被成功敲除ꎮ 为了验证突变体的表
型是否由 MoGCS1 基因的敲除引起ꎬ采用 PEG 介
导的原生质体转化方法ꎬ将互补载体质粒 pYF11::
MoGCS1转化到 ΔMogcs1 突变体的原生质体中ꎬ
通过抗生素筛选、PCR 验证及表型测定ꎬ成功获得
了互补菌株 ΔMogcs1 / MoGCS1ꎮ
2.3  MoGCS1不参与稻瘟病菌的营养生长
    为了阐明 MoGCS1 基因对稻瘟病菌营养生长
的影响ꎬ将野生型菌株 Guy11、ΔMogcs1 突变体和
互补菌株 ΔMogcs1 / MoGCS1 分别接种于 CM、
MM、SDC和 OM平板中ꎬ28°C 黑暗培养 7 d 后观
察菌落形态并测量菌落直径ꎮ 结果显示ꎬΔMogcs1
突变体在 4种培养基上的菌落形态与野生型和互
补菌株比较无明显变化(图 3 ̄A)ꎻ进一步统计分析
发现突变体的生长速率与野生型比较无显著性差
异(图 3 ̄B)ꎮ 上述结果表明 MoGCS1 基因不参与
调控稻瘟病菌的菌落形态和营养生长过程ꎮ
2.4  MoGCS1 参与调控稻瘟病菌的无性繁殖和
分生孢子形态建成
    稻瘟病菌主要通过分生孢子完成其侵染循
环[17]ꎮ 目前在该病菌中已鉴定和报道了一系列与
产孢相关的基因ꎬ 包括 CON2、 CON7、 COM1、
STU1、HOX2和 COS1等ꎮ 它们主要参与病菌分生
孢子的产生ꎬ同时也参与生长或致病过程[17~22]ꎮ
为了阐明 MoGCS1是否参与调控稻瘟病菌的无性
繁殖过程ꎬ将野生型 Guy11、ΔMogcs1 突变体和互
补菌株分别接种到 SDC培养基上诱导产孢ꎮ 10 d
后收集孢子ꎬ观察孢子形态并用血球计数板统计孢
子数目ꎮ 结果发现ꎬΔMogcs1 突变体 85%的孢子
形态发生了明显变化ꎬ较野生型更加狭长(图 4 ̄Aꎬ
4 ̄B)ꎮ 对产孢量进行统计分析发现ꎬΔMogcs1 突
变体的产孢量较野生型显著下降ꎬ约为野生型的
30%(图 4 ̄C)ꎮ 上述结果表明 MoGCS1参与调控
Fig. 2  Deletion of MoGCS1 gene in Magnaporhte oryzae
A: Schematic diagram of the MoGCS1 gene and gene replacement constructꎻ B: The ΔMogcs1 mutant was verified by Southern
blot analysis. Genomic DNA of wild type Guy11 and the ΔMogcs1 mutant were digested with EcoR I and separated in a 1%
agarose gel. The DNA was hybridized with probe 1 amplified by primers MGG_01745KO ̄F (F) / MGG_01745KO ̄R (R) and
probe 2 amplified by primers FL1111 (F) / FL1112 (R) .
12

 
植物病理学报 46卷
稻瘟病菌的无性繁殖和分生孢子的形态建成ꎮ 为
了解释突变体产孢量下降的原因ꎬ进一步在野生型
和突变体中对几个产孢相关基因的表达进行了分
析ꎮ qRT ̄PCR 结果显示ꎬ产孢相关基因 CON2、
CON7、COM1、STU1、HOX2 和 COS1 的表达量在
突变体中均显著下降(图 4 ̄D)ꎬ表明 MoGCS1 可
能通过调控这几个产孢相关基因的表达ꎬ从而参与
调控稻瘟病菌的无性繁殖过程ꎮ
Fig. 3  Colony morphology and growth rate of the ΔMogcs1 mutant on various media
A: Colony morphology of the wild type strain Guy11ꎬ ΔMogcs1 mutant and the complementary transformant on CMꎬ MMꎬ OM
and SDC mediaꎻ B: Statistical analysis of the growth rate of the indicated strains. Error bars are standard deviation.
Fig. 4  Conidiation and conidial morphology of the mutant
A: Conidial shapes of the wild typeꎬ mutant and complementary transformant strainsꎻ B: Statistical analysis of the abnormal mor ̄
phological conidiaꎻ C: Statistical analysis of the production of conidiaꎻ D: qRT ̄PCR analysis of the expression of several conidi ̄
ation ̄related genes in the WT and the mutant strains. Error bars are standard deviations and asterisks “∗” and “∗∗” represent
significance at P<0.05 and P<0.01ꎬ respectively.
22

 
  1期 刘 秀ꎬ等:GTP酶激活蛋白 MoGcs1参与调控稻瘟病菌的无性繁殖ꎬ附着胞分化及对外界胁迫的应答
2.5  MoGCS1参与调控附着胞的形成
    附着胞是稻瘟病菌侵染水稻的重要结构ꎮ 为
了解 MoGCS1是否参与附着胞的形成ꎬ我们在诱
导界面上观察了 ΔMogcs1 突变体附着胞的形成情
况ꎮ 结果显示ꎬ与野生型 Guy11 和互补菌株比较ꎬ
ΔMogcs1突变体的附着胞形成明显提前ꎮ 诱导 2 h
观察附着胞形成率发现ꎬ突变体 88%的分生孢子
形成了附着胞ꎬ而野生型和互补菌株约 95%的分
生孢子仅形成芽管(图 5)ꎮ 该结果表明ꎬMoGCS1
参与调控稻瘟病菌附着胞的形成ꎮ
2.6  MoGCS1不参与稻瘟病菌的致病过程
    为了阐明 MoGCS1 是否参与稻瘟病菌的致病
过程ꎬ将野生型菌株 Guy11、ΔMogcs1 突变体和互
补菌株的分生孢子(孢子浓度为 5×104个􀅰mL ̄1)
分别喷雾接种到水稻幼苗上ꎬ7 d 后观察结果发
现ꎬ突变体的致病能力与野生型比较无明显差异ꎬ
在水稻叶片上均能形成典型的稻瘟病病斑(图 6 ̄
A)ꎮ 进一步在大麦幼苗上进行喷雾实验也出现与
接种水稻一致的结果(图 6 ̄B)ꎮ 上述结果表明ꎬ
MoGCS1不参与稻瘟病菌的致病过程ꎮ
2.7  MoGCS1参与对外界胁迫的应答
    为了正常的生长发育及侵染寄主ꎬ病原菌首
先必须适应外界的各种胁迫条件ꎮ 为了解
MoGCS1 是否参与对外界胁迫的应答ꎬ将野生型
Guy11、ΔMogcs1 突变体和互补菌株分别接种于
含有盐胁迫(NaClꎬKCl)ꎬ渗透胁迫( sorbitol)和
细胞壁胁迫(CFW、SDS 和 Congo red)的 CM 平
板中ꎬ28°C 黑暗培养 7 d 后测量菌落直径ꎬ并统
计抑制率ꎮ 结果显示ꎬ ΔMogcs1 突变体在 KCl培
养基上的耐受性与野生型相比明显降低ꎬ而在含
sorbitol和 NaCl的培养基上无明显变化(图 7 ̄A、
7 ̄B)ꎮ 相反ꎬΔMogcs1 突变体在含细胞壁胁迫因
子 CFW 和 SDS的培养基上耐受性明显升高ꎬ而
对 Congo red无明显变化(图 7 ̄C、7 ̄D)ꎮ 上述结
果表明ꎬMoGCS1 参与对外界胁迫的应答过程ꎮ
Fig. 5  Appressorium formation of the ΔMogcs1 mutantꎬ and its corresponding
wild type and complementary transformant strains
The average rate of appressorium formation on hydrophobic surfaces was measured. The numbers of appressoria from 100 conidia
of each strain were counted at 1ꎬ 2ꎬ 3 and 4 h post inoculationꎬ respectively. The experiment was replicated three times.
32

 
植物病理学报 46卷
Fig. 6  Pathogenicity assays on rice and barley seedlings
A: Two ̄week ̄old rice seedlings were sprayed with conidial suspensions of Guy11 and mutant strains. Diseased leaves were observed
and photographed at 7 days after inoculationꎻ B: Barley leaves sprayed with conidial suspensions from Guy11 and mutant strains.
Diseased leaves were photographed at 5 days after inoculation. Conidial suspension of each strain was five milliliters (5×104spores􀅰mL ̄1).
Fig. 7  Growth assays of ΔMogcs1mutant and its control strains on CMmedium with different stressors
A and C: Wide type strain Guy11ꎬ ΔMogcs1 mutant and complementary strains were inoculated on CM plates containing NaClꎬ
KClꎬ sorbitolꎬ CFWꎬ SDS and Congo redꎻ B and D: Statistical analysis of the inhibition rate of the indicated strains on different
stressors. Error bars are standard deviation and asterisks represent significance at P<0.01(∗∗) and P<0.05(∗) .
42

 
  1期 刘 秀ꎬ等:GTP酶激活蛋白 MoGcs1参与调控稻瘟病菌的无性繁殖ꎬ附着胞分化及对外界胁迫的应答
3  讨论
在酿酒酵母中ꎬ已发现 4 个 GAP 蛋白具有相
似的功能ꎬ其中 Gcs1和 Glo3在高尔基体向内质网
的逆向运输过程中具有重要作用[8ꎬ9]ꎬ且在高尔基
体向内质网运输的过程中具有部分重叠的功
能[23]ꎮ 敲除 GLO3导致细胞内的逆向运输严重受
阻ꎬ而敲除 GCS1却只出现轻微的缺陷ꎬ说明 Glo3
是参与该过程的主要蛋白[24]ꎮ 而过表达 GCS1 可
部分互补 GLO3敲除突变体的功能ꎮ Gcs1 可以通
过液泡蛋白分选(vacuolar protein sortingꎬ VPS)和
依赖于 AP ̄3 的途径调节从高尔基体反向运输
( trans ̄Golgi networkꎬ TGN)到液泡的囊泡运输过
程[24]ꎮ 在酵母中有研究证明 Gcs1 是 Arf1 和 Arf2
的 GAP 蛋白[25]ꎮ 在稻瘟病菌中ꎬ一系列小 G 蛋
白和 GAP蛋白被报道在病菌的生长、无性繁殖、附
着胞形成及致病过程中具有重要的调控作
用[10~12]ꎮ
本研究中ꎬ我们初步研究了稻瘟病菌中的一
个 GAP蛋白 MoGcs1 的生物学功能ꎮ 结果显示
该基因主要参与病菌的无性繁殖和附着胞的形
成过程ꎬ而不参与生长和致病过程ꎮ 说明 GAP蛋
白在产孢及附着胞形成阶段中具有重要的调控
作用ꎮ MoGcs1 通过调控多个产孢相关基因的表
达ꎬ从而影响病菌的产孢能力和孢子形态ꎮ 这与
以前报道的小 G蛋白和 GAP 蛋白具有相似的功
能[10~ 12] ꎻ同时提示小 G 蛋白和 GAP 蛋白在功能
上比较保守且存在重叠ꎮ MoGCS1 基因敲除突变
体 ΔMogcs1 对外界盐胁迫耐受性增强ꎬ对细胞壁
胁迫耐受性降低ꎬ说明 MoGCS1 参与对外界的胁
迫应答ꎬ但对不同的胁迫可能存在不同的应答机
制ꎮ 同时ꎬ该结果也提示 MoGCS1 可能参与了细
胞壁完整性过程ꎮ 此外ꎬ突变体的分生孢子形态
发生改变ꎬ进一步提示 MoGCS1 可能参与细胞壁
的完整性ꎮ 另外ꎬΔMogcs1 突变体附着胞形成提
前ꎬ但突变体的致病能力并没有变化ꎬ说明
MoGCS1 不影响附着胞的正常功能ꎮ 我们的研究
结果表明ꎬMoGcs1 是稻瘟病菌中一个重要的
GAP蛋白ꎬ参与调控病菌的无性繁殖、附着胞形
成及对外界胁迫的应答过程ꎮ 但是ꎬ该蛋白具体
的调控机制如何还有待进一步研究ꎮ
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责任编辑:李晖
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