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《西北农林科技大学》 2017年
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CDC14基因在禾谷镰刀菌和稻瘟菌中的功能研究

李朝辉  
【摘要】:Cdc14磷酸酶对于细胞周期蛋白依赖激酶磷酸化的丝氨酸-脯氨酸位点具有高度的偏好性。Cdc14家族成员在动物和真菌中都很常见,但是在植物中缺失。尽管在植物病原真菌中也存在Cdc14的直系同源物,但是它们在侵染过程中的功能却未知。禾谷镰刀菌引发的小麦和大麦赤霉病,不仅造成了粮食的严重减产,还会产生毒素污染人畜的口粮。稻瘟菌引发的稻瘟病是世界范围内导致水稻减产危害最严重的病害之一,也是研究真菌与植物互作的模式真菌。本研究中,我们明确了Cdc14磷酸酶在这两种重要的植物病原真菌中的发育和侵染植物进程中具有重要作用。在禾谷镰刀菌中,FgCDC14基因是进行正常细胞分裂和隔膜形成所需的。敲除FgCDC14基因是不致死的,但是Fgcdc14突变体的生长速率和分生孢子产量均严重下降。野生型菌株主要通过成簇的瓶梗产生大量的分生孢子,而Fgcdc14突变体只能形成稀疏的分散的瓶梗。与野生型菌株相比,突变体产生的分生孢子隔膜减少,单个分隔中含有多个细胞核,表明Fgcdc14突变体在细胞核分裂和胞质分裂的协调中存在缺陷。有趣的是,Fgcdc14突变体产生的分生孢子的足细胞(间或顶细胞)会突破G1期阻滞进一步生长分化成产孢细胞,产生相互连接的分生孢子。Fgcdc14突变体菌丝中的隔膜减少且分布不规律。细胞核在Fgcdc14突变体的菌丝中分布也不均匀。在自交实验中,Fgcdc14突变体子囊孢子的发育也存在缺陷。Fgcdc14敲除突变体产生的子囊壳形态正常,但是内部产囊组织流产。Fgcdc14突变体子囊孢子的形成显著减少,不能产生子囊孢子聚集而成的鞭须。Fgcdc14突变体产生的子囊孢子形态畸形,具有少于四个的分隔,每个分隔中常常包含不止一个细胞核。这些结果表明FgCDC14基因的敲除影响了减数分裂和减数分裂后子囊孢子发育过程中的细胞核分裂和隔膜形成。在扬花期的小麦穗头和玉米须的侵染实验中,Fgcdc14突变体几乎是不致病的。在对接种点小麦籽粒和大米产毒培养基中毒素的测定中,Fgcdc14突变体产生DON毒素量显著下降,暗示FgCDC14的敲除影响了禾谷镰刀菌DON的合成。在体外酶活性测定实验表明,FgCdc14蛋白对Cdk类磷酸化位点具有特异性的磷酸酶活性,Fg Cdc14磷酸酶对底物的特异性几乎与芽殖酵母中同源的Cdc14一致。稻瘟菌作为典型的叶部侵染的病原菌,附着胞的形成和穿透在其侵染循环中是至关重要的环节。附着胞的形成和穿透受细胞周期的密切调控,Cdc14磷酸酶和细胞周期蛋白依赖激酶CDKs在有丝分裂退出和胞质分裂相关蛋白的磷酸化上是相互拮抗的。本研究中我们也对稻瘟菌中的MoCDC14基因进行了功能鉴定。Mocdc14敲除突变体生长速率和产孢量均显著下降。隔膜的形成和细胞核分布也存在缺陷。Mocdc14突变体的菌丝分隔不规律,菌丝的分隔中包含多个细胞核。突变体分生孢子中的隔膜常常不完整或完全缺失。在突变体附着胞形成过程中,划分附着胞和芽管的隔膜常常在远离附着胞基部的地方形成,或者甚至不能形成。与野生型另一个不同之处是,一些24h的发育成熟的Mocdc14突变体附着胞中包含不止一个细胞核。突变体除了附着胞黑化之外,部分芽管和分生孢子也发生黑化,黑化的区域与划分附着胞的不规律的隔膜形成的位置有关。Mocdc14突变体在附着胞形成过程中糖原的降解和附着胞穿透完整的植物细胞中也存在缺陷。突变体菌丝头形成的附着胞类似结构在隔膜形成,黑化,和穿透方面也存在类似的缺陷,常常会有一长段菌丝同附着胞类似结构一起黑化。这些结果表明MoCDC14基因在稻瘟菌的隔膜形成,细胞核分布,和致病性中具有重要的作用,分生孢子的产生和附着胞的形成过程中需要Mocdc14磷酸酶来确保隔膜的正常形成。总上所述,我们的结果表明Cdc14磷酸酶在禾谷镰刀菌和稻瘟菌的细胞分裂和隔膜形成中发挥作用,在禾谷镰刀菌中很可能是通过抵消Cdk激酶的磷酸化作用来发挥功能。Cdc14磷酸酶是这两种病原真菌侵染植物所需的。
【学位授予单位】:西北农林科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:S432.44

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