花生疮痂病菌毒素(ESC)对寄主细胞损伤及凋亡机制研究的项目可行性研究报告.docx
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1、花生疮痂病菌毒素(ESC)对寄主细胞损伤及凋亡机制研究的项目可行性研究报告一、项目提出的目的和意义(1)花生疮疝病国内外研究花生(AraChiShypogaeG是我国主要的经济作物和油料作物,种植面积位列世界第二位,总产量居世界第一。我国花生种植面积较广,主要分布在山东、河南、河北、安微、广东、江苏和辽宁等省区,据国家粮油信息中心提供的数据显示,2013年我国花生种植面积已达471万公顷.花生疮痂病(SPhaeeMnaarachidisBitaucoiirtCtJCnkinS)主要危害叶片和茎秆,形成大量疮痂状病斑(图1)。自1940年BitaUCOUrt首次在南美的巴西发现之后,日本(根岸宽
2、山等,1979)和阿根廷(GiOrdae/R,1985)等国家也相继报道,并在各花生产区Sft行成灾。近年来,我国广东、广西、福建、山东和辽宁等主要花生产区相维发生危害,分布广,危宙重,属典型的流行性病害。一般病田减产10%-30%,严重田块损失可达50%以上.辽宁省2009年仅在葫芦岛花生产区零星发生,2011年葫芦岛、阜新和锦州多个花生产区爆发式流行成灾,病田率75%700%,病株率82.6%100%,病叶率42.5%-95.3%,病情指数I8.1.535,发生面枳超过12万hm?(周如军等,2013),截止到2015年奥季已经传播到辽宁北部产区,且有维续苣延的趋势,已成为我国花生产业持续
3、发展中亟待解决的植保问题。图I花生疮痂病典型症状特征(左:叶片症状:右,茎杆症状)花生.疮痂病(SPhaCdoiaarachidisBitaucourtetJcnkins)属近年来新流行病害,国内外研窕报道较少日本学者根岸宽山在上世纪7(1.8O年代时日本该病病原学进行了研窕,明确了病原菌为Sp/wcM。,”rac加(加(根岸宽山等,1979)。巴西学者KCamCy对病残体和种子在花生疮掘病传播过程中的作用进行了研究,明确了田间病残体是该病初侵染源之一(KcamcyerR,2002),以菌丝体和分生.胞子盘在病残体上越冬,翌年产生分生胞子,借助风雨传播。国外尚未见其他相关研究报道。目前国内研究
4、主要集中在病原学、发生调查(方树民等,2007:李峰等,2012)侵染特性(郭陞秀等,2015)化学防治(田云云等,2014)等领域,申请人近年来在其病原学、流行因素分析、流行动态、抗性鉴定和田间防治等方面进行了系统研究并取得了相应结果(周如军等.2012,2014).而国内外在病害致病因子、侵染机制、寄主与病菌互作等方面尚未见研究报道,研究基础较为薄弱,极大限制了该病宙的深入研究,无法为后期抗病育种和新型防控技术研究提供理论基础。(2)植物病原真菌毒素在致病过程中的作用机制植物病原我菌与植物在长期协同进化和复杂的互作过程中,逐渐形成有利于致病性的进化,产生多种对寄主植物有害的物质统称为致病因
5、子,致病因了的种类、含量及其活力决定其致病力强弱,进而影响病害的发生和严重程度.近年来,病原真菌致病因子及其机理研究已成为植物病理学的研究热点。研究表明,病原久前致病因子主要包括施类、毒素、激素和蛋白类等多种物质4,其中毒素是尾胞菌(Cerv。SPom)、镰抱菌(Fusarium)、链格抱(A1.temariG等多种重要植物病原真菌的致病因子.研究病原真菌毒素及其作用机理对于了解病闺致病机理、寄主与病原物的互作机制、抗病育种和寻找新的病害防治途径具有重要意义。病原真菌揖素种类繁多,主要包括蛋白类,如小麦褐斑病的(Pyrenophomtntc-repentis)产生的PTR谁素和棉花黄萎病菌(i
6、d加,J4e产生的VD毒素:苔类,如甘原眼周病菌(Hc/而加MWrj“,scc0产生的长蠕白糖:脂类,如甜菜尾胞病菌(ce;WW仪Me产生的H.油三酯类毒素:杂坏类(花醒类、酚嘏类、菲醍类等)以及第基酸衍生物等类群。其中龙鼠类毒素由于其具有光敏性可引起膜蛋白交联、膜脂过氧化、膜流动性改变、细胞骨架损伤、DNA损伤等作用而备受瞩目。花品类毒素主要包括交缝施毒素型、弗莱菌素型以及以金丝桃素为代表的其他类毒素.其中弗莱菌素型包括的尾抱菌素和痂囊腔菌毒素是葡萄黑疽病、柑橘疮加病、大豆灰斑病、玉米灰斑病等重要作物病杏的主要致病因子。前期研窕表明尾胞菌毒素痂囊腔菌毒素是病菌侵染寄主植物的重要毒力因子1.i
7、aoeR,2OO8)尾抱菌素(CerCo$Porin)是由尾刑属真菌(Cen产生的红色的毒索,首次在(Cen:o$POraIdkUChii】中分离得到(OkubOe1975)。痂囊腔菌素(EISin(KhrOmC)是由加囊腔菌(以立。力产生的红色或橘灯.色的蠡素,1957年Weiss等人首次在痂囊腔菌属真菌中发现,主要包括A、B,C和D四种衍生物(WeiSSe/R,1964;1.ousbergeta1.1969),尾泡菌素与痂囊腔菌索的生物合成还受到众多生理生化、物理因子的影响,其中光和氧气是两个必不可少的关健因素。CERSPORINCercosporaipp图3足用的素结构图2布囊腔苗素结构
8、花根类植物毒素(尾弛菌素与痂囊腔菌素)具有明显的光敏作用,在Kuang-RenChUng等人对大豆灰斑病、柑橘疮揄病等病害的研究中,证明光有利于北阻类植物毒素的产生I1.与其毒力大小为定的相关作用,光存在时会与氧反应产生对细胞有毒宙作用的活性氧,光敏作用一般分为类型【和类型H两种机制,光敏剂吸收光后,首先激发到寿命很短的单或态,然后系间穿越到三重态,后者相时单选态来说更稳定,寿命更长,因而光做作用通常通过三重态来进行。光敏剂的三重激发态可进行两种类盘的反应:机制I通过电子转移或抽药反应与底物相作用,产生底物和光敏剂的自由基,这些自由基与周阳的氧反应产生氧化物,如超氧阴离子自由基(02)及羟基自
9、由战(OH)等;机制H光破剂的三重态与基态辄发牛.电子转移或能量转移产生超氧阴离子自由基(02)和雌重态氧CO。,后者是一种高亲电反应活性的物种,能行效地氧化生物分子(Guedesera/,2007)。在光敏作用中I型机制和H型机制同时出现,它们的相对强弱取决于溶剂极性、底物和光敏剂的特性和浓度、氧的浓度以及光敏剂与底物间的键合作用。由此可知氧与光敏作用密切相关,I1.在大多数光敏反应中O2是主要活性物种,但0?和QH的作用也不可忽视。活性氧(ROS)在寄主植物和微生物相互过程中起到重要作用。如在细胞发病机理过程中,NADPH氧化旃(NOX)信号诱导氧爆发以及程序性细胞死亡的反应是寄生对入侵病
10、原体的防御反应.与病原真菌后接触后,植物质膜结合的NOX活性提育,导致包括过氧化级(HQC在内的活性氧的快速枳累,其扩散进入细胞并激活植物防御(APdeta1.,2004)。最有代表性的植物防御反应是由ROS的积累和ROS清除旃的抑制产生的程序性细胞死亡响应,即过敏性坏死反应。ROS也参与防御的其他模式,如形成细胞壁的氧化交联的障碍以及抑制病原体侵入(Shct1.yefH,2008)。花胆类植物毒素产生的活性氧(ROS)对寄主植物细胞具仃极强的毒害作用。产毒病原真菌的致病机理包括三个可能过程:1)病原菌在侵染前释放毒素作为信号分子:2)择放的港索选择性地和寄主细胞上的受体位点结合:3)解放的毒
11、素抑制植物对真菌的侵染和定植的防御反应。因此,毒素对寄主产生的生理生化影响往往是通过与寄主体内的一种或几种生物大分子(靶分子)相互作用产生的.毒素进入寄主体内,通过与寄主体内特定靴分子相互作用,改变寄主原来正常的生理过程,引发一系列细胞学和生理生化反应,并最终使寄主产生一定的症状,如镰刀菌产生的毒素致使植物萎蕉,链格把毒素使寄主坏死,长蠕泡毒素使植物产生褪绿现象;尾抱属及痂囊腔菌属产生的毒素可使植物细胞膜过氧化,导致病害扩大危害,病情加重。尾胞菌素与痂囊腔菌素等花瓶类毒素均为脂溶性,在渗入细胞后可以作用于多种细胞器,包括溶的体、内质网、高尔基体、甚至破坏含有核酸的叶绿体和线粒体以及细胞核等。尾
12、胞菌素与痂囊腔菌素主要作用位点在细胞膜上,如在烟草悬浮细胞及柑橘原生质体中,添加尾泡菌素与痴囊腔菌素均能使细胞死亡。尾抱曲素与痂囊腔曲素在细胞间通过光敏作用产生的Q?以及其他活性氧种类,使细胞膜过氧化,电解质泄露到细胞间,为病原菌正常生长和产泡提供营养条件.接种叶片及培养液的初始电导率及总电导率的测定显示叶片中以及细胞中的电解质泄露到溶剂中,证明细胞膜的流动性降低,细胞内电解质泄露,细胞膜破裂,导致细胞死亡花生疮痂病为辽宁省花生产区新爆发式流行性病需,发生.区域广,危杏极为严重,殷病田减产10%30%,严重田块损失可达50%以上。仅辽宁2011年发生面积超过12JjhnR形成爆发式流行,危击极
13、为严亚,且有向北继续鹿延的趋势,已花生产业持续发展中酮待解决的植保问题。而国内外对于花生疮痂病的研究基础较为薄弱,缺乏病菌侵染过程、致病因子筛选、致病机制及寄主损伤机理等基础研究工作,无法诠释病菌与寄主之间的互作关系和互作机制,对F该病害的深入研窕及后期的抗病育种、新型安全防控技术的开发带来了巨大的理论屏障。以此为切入点,本项目以花生疮痂病菌为研究对象,深入开展花生疮痂病菌毒力因子筛选、毒素在致病中对寄主植物损伤和细胞凋亡作用及其作用机制等研究工作,探索花生疮痂病曲与寄主的互作模式和机制,研究结果该痛击的深入研究和后期花生的抗病育种具有重要意义。结合申请人前期对辽宁花生疮痂病侵染过程和流行因素
14、的研究基础,本顼目的研究结果可以很好地解择近年来辽宁花生产区花生疮师病爆发式流行因素和流行机制。项目研究过程中会建立花生细胞悬浮体系,并对各种因素进行优化,该技术时于花生的遗传转化和功能基因的转化提供材料和技术支持.另外,本研窕中将会探讨淬灭剂和金属高子对花生疮痂病的毒素的缓解和抑制作用,进而减轻病害的发生和流行程度,该部分研究结果对于寻找新型、安全的病杏防治方法提供了理论支持,对于花生减量使用农药具有重要意义。花生已成为辽宁省第三大作物,种植面积早已突破600万亩,且随若农业产业结构调整,玉米栽培面枳减少,花生.产业的发展势头持续见好。而花生疮痂病为辽宁省花生产区新爆发式流行性病害,发生区域
15、广,危害极为严重。结合前期研究,该项目的股利实施,不仅能够完善花生疮痂病的致病机制的理论探讨,同时刻于我省花生产业的健康发展和农民增收具有重要意义。二、项目研究内容和研究方案(可行性分析)1 .研究内容(1)花生疮损病菌毒素对寄主损伤和细胞。亡的作用。花生疮疝病菌毒素对病病斑形成和扩展的影响基于前期病原菌侵染过程研究基础,明确花生疮痂病菌毒素对病菌侵染及病斑扩展的影响。花生疮疝病菌毒素对细胞凋亡的作用基丁前期建立的花生细胞悬浮培养系统,分别加入不同浓度的花生疮痂病菌毒素,通过相应的染色方法测定细胞死亡率和存活率,明确毒素对花生细胞的损伤和细胞渊亡作用。(2)花生疮疝病菌毒素在寄主-病菌互作过程
16、中的作用机制花生疮痴病首毒素对寄主防御舞的影响动态测定花生疮加病菌毒素对寄主防御的的响应动态,确定毒素对寄生生理生化的的影响,进一步证明花生疮痂病菌毒素是否为花生疮掘病菌的毒力因子.花生疮痴病菌毒素对寄主细胞质膜过气化的影响利用细胞悬浮体系通过测定寄主细胞膜的选择透过性、流动性、细胞膜随活性和质腴过氧化程度,探索毒素时寄主植物细胞膜水平的毒害作用“花生疮癫病苗毒索对活性氧产生动态及鲍胞凋亡的作用机制利用细胞悬浮体系测定花生.细胞程序性死亡过程中的1。2、O2-以及HzO2三种不同活性氧种类及其含量,分析与细胞凋亡的关系,明确奇素对花生细胞凋亡的作用机制。(3)漳灭剂对花生损伤和细胞凋亡的抑制作
17、用明确淬灭剂种类和浓度对寄主细胞周亡的缓解或抑制作用,通过添加不同类型的活性氧淬灭剂,探索不同类型活性氧作用,进步证实施素.在花生疮痂病菌致病中的主导作用。2 .研究目标和拟解决的关健科学问题(1)花生疮疝病菌毒素在细题膜的损伤植物细胞膜是细胞的重要组成部分,起若调节控制细胞内外物斯交流的屏障作用,当植物遇到逆境条件时首先破坏细胞膜结构,改变细胞随活性,导致细胞渊萎或死亡。花生疮痂病菌毒素在病菌侵染植物组织过程中是否破坏细胞膜结构、损伤程度及毒害水平是本项目需要解决的一个关键问题.本项目拟利用细胞悬浮体系测定毒素对寄主细胞膜透性、脂质过氧化和质膜过氧化的影响,探索毒素对寄主植物细胞膜水平的毒害
18、作用。(2)花生疮相病菌毒素在寄主.病首互作过程中的作用及其机理病原真菌在致病过程中寄主-病菌互作是植物病理学的一个研窕热点,也是本项目需要解决的另一个关键问题。本项目拟利用细胞悬浮体系从细胞膜损伤、细胞程序性死亡过程中的活性氧种类及其含量以及活性氧在致病过程中的作用机制进行正向证明,利用泮灭剂进行反向证明,旨在充分论证毒素在致病过程中的作用方式和作用机制。3 .研究方案和试验方法(I)花生疮病病毒素对寄主损伤和细胞舞亡的作用花生疮疝病菌毒素对病病装形成和扩展的影响采用前期病原菌侵染机制中的接种方法,以花生疮加病菌毒素接种寄主植物叶片、茎干,在不同的环境条件下,通过网格法测量叶面积,以浸染位点
19、数计算侵染概率。明确花生疮施病菌椎素对病斑形成及扩展的具体作用。花生疮疝病菌毒素对细胞凋亡的作用建立花生、烟草的细胞悬浮体系,细胞活力采用氯化三苯基四赳(TTC)法测定,通过紫外分光光度法确定花牛.疮摭病菌傩素的浓度,将不同浓度的花生疮痂病菌毒素添加到不同密度的悬浮细胞中,通过荧光染色法检测细胞存活率,利用扫描电镜检测细胞内结构的凋亡特征以及对细胞存活不同时期迸行DNA条带分析,时细胞凋亡的过程进行动态观测分析。(2)花生疮痴病菌毒素对寄主细胞凋亡作用机制研究花生疮疝病菌毒索对寄主防御鼻的影响动态在对细胞程序性死亡研究的堪珈上,采用测定植物叶片及悬浮细胞过氧化气醯(CAT).过氧化物的(PoD
20、)、苯丙氨酸解氨的(PA1.).多酚氧化瓶(PpO)、超氧化物歧化的活性(SoD),确定在花生於痴病菌毒素浸染叶片及毒害细胞的过程中寄主植物及细胞的生理变化及花生疮痂病菌毒素的作用机制。花生疮疝病菌毒素对寄主细胞质膜过氧化和脂质过氧化的影响通过测定花生疮痂病菌毒素的PC值确定其主要作用位置,采用测定饱和脂肪酸与不饱和脂肪酸的比值以及细胞膜上Ht-ATPasc.CaiATPaSC的活性确定细胞膜的活性大小,丙二联(MDA)含量采用硫代巴比妥酸(TBA)比色法测定,膜破裂程度以电解质渗透率为指标,探究花生疮加病菌毒素对细胞损伤的机制,明确花生疮痂病菌毒素对寄主植物及细胞内的具体作用部位。花生疮痂病
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