捕食线虫真菌胞外丝氨酸蛋白酶的基因克隆及系统发育分析

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本研究选取了不同代表类型的捕食线虫真菌,根据GenBank上报道的能降解线虫和昆虫表皮的丝氨酸蛋白酶的基因序列设计简并引物,应用PCR和DNAwalking技术从云南节丛孢(Arthrobotrys yunnanensis)、弯孢节丛孢(Arthrobotrysmusiformis)、霜簇单顶孢(Monacrosporium psychrophila)、空环单顶孢(Monacrosporium coelobrochum)和狮子山隔指孢(Dactylella shizishanna)中分别克隆得到了与侵染相关的蛋白酶的编码基因序列,并通过同源性和系统发育分析在分子水平上对不同代表类型的食线虫真菌和昆虫病原真菌的丝氨酸蛋白酶(毒力因子)进行了比较。对食线虫真菌产生的胞外侵染性丝氨酸蛋白酶的研究不仅具有重要的理论意义,对于高效线虫生防制剂的开发也具有潜在的应用价值。 主要研究结果为: 1.克隆得到5个与捕食线虫真菌侵染相关的胞外丝氨酸蛋白酶编码基因,并递交GenBank。 弯孢节丛孢(A.musiformis)编码胞外蛋白酶的编码基因全长为1288 bp,含有一个长度为58个碱基的内含子序列,编码409个氨基酸,含有21个氨基酸残基的信号肽,成熟蛋白酶包括287个氨基酸。该蛋白酶的理论分子量为42 kDa。该基因的编码序列已经提交GenBank,序列索引号为EF113088。 云南节丛孢(A yunnanensis)胞外蛋白酶的编码基因全长为1283 bp,含有一个长度为52个碱基的内含子序列,编码409个氨基酸,含有21个氨基酸残基的信号肽,成熟蛋白酶包括286个氨基酸。该蛋白酶的理论分子量为 42 kDa。该基因的编码序列已经提交GenBank,序列索引号为EF113089。 霜簇单顶孢(M.psychrophila)胞外蛋白酶的3’编码基因长度为1176bp,含有一个长度为54个碱基的内含子序列,编码373个氨基酸,成熟蛋白酶包括288个氨基酸。该基因的编码序列已经提交OenBank,序列索引号为EF113090。 空环单顶孢(M.coelobrochum)胞外蛋白酶的编码基因全长为1284bp,含有一个长度为53个碱基的内含子序列,编码409个氨基酸,含有21个氨基酸残基的信号肽,成熟蛋白酶包括286个氨基酸。该蛋白酶的理论分子量为42 kDa。该基因的编码序列已经提交GenBank,序列索引号为EF113091。 狮子山隔指孢(D.shizishanna)胞外蛋白酶的编码基因全长为1273bp,含有一个长度为58个碱基的内含子序列,编码404个氨基酸,信号肽含有19个氨基酸,前肽含有99个氨基酸,成熟肽(蛋白酶)包括286个氨基酸,成熟蛋白酶的理论分子量为28.7 kDa。该基因的编码序列已经提交GenBank,序列索引号为EF1131092。 2.不同真菌来源的胞外丝氨酸蛋白酶同源性和系统发育分析。 通过对GcnBank上报道的捕食线虫真菌、内寄生线虫真菌、昆虫病原真菌和重寄生病原真菌的胞外丝氨酸蛋白酶的氨基酸序列进行同源性比较,表明这些不同真菌来源的丝氨酸蛋白酶具有较高的相似性,说明了丝氨酸蛋白酶在这些不同类型的真菌侵染线虫和昆虫的过程中可能发挥着相似的功能。同时,通过对这些具有侵染功能的捕食线虫真菌、内寄生线虫真菌、昆虫病原真菌和重寄生病原真菌胞外丝氨酸蛋白酶进行系统发育分析,表明这些不同来源的胞外丝氨酸蛋白酶来源于同一祖先,并进化形成两个明显的分枝,其中一个分枝上的蛋白酶来源于捕食线虫真菌,而另一个分枝上的蛋白酶来源于内寄生线虫真菌、昆虫病原真菌和重寄生病原真菌,分枝内部的同源性要比分枝之间的同源性高。不同类型胞外丝氨酸蛋白酶基因的进化分歧与蛋白酶在侵染线虫表皮和昆虫表皮的过程中的功能差异相关。有趣的是,从胞外丝氨酸蛋白酶构建的系统发育树可以看出,捕食线虫真菌的胞外丝氨酸蛋白酶基因的进化关系与其传统的分类学相一致,而与根据核基因(如28S rDNA,5.8S rDNA,ITS和β-tulbulin)所构建的系统发育树有一定的分歧。另外,根据丝氨酸蛋白酶的系统发育分析推测这些来源于不同类型的真菌的丝氨酸蛋白酶在侵染相关宿主的过程中具有相类似的功能。 3.对两株捕食线虫真菌分类地位的修订在本研究中,多次生节丛孢(Arthrobotrys multisecondarius)克隆得到的胞外丝氨酸蛋白酶基因与报道过的小舟单顶孢(Monacrosporium microscaphoides)的胞外丝氨酸蛋白酶基因具有极高的同源性(99.26%),为了进一步鉴定这两株菌的分类学关系,对它们的ITS序列和β-tubulin基因序列进行克隆和同源性分析,结果表明,尽管两株菌所产生的分生孢子具有明显的形态学差异,但它们的ITS序列同源性高达99.82%,而β-tubulin基因序列的同源性高达99.63%。根据对两株真菌的ITS、β-tubulill和蛋白酶编码基因的高度相似性可以确定多次生节丛孢(A.multisecondarius)可能是小舟单顶孢M.microscaphoides)的自发突变种。多次生节丛孢的胞外丝氨酸蛋白酶基因编码序列,多次生节丛孢和小舟单顶孢的β-tubulin基因序列和ITS序列已经提交GenBank,序列索引号分别为EF055263,EF059815,EF059816,EF059817和EF059818。 论文的创新性主要体现为: 1)首次从弯孢节丛孢(A.musiformis)、云南节丛孢(A.yunnanensis)、霜簇单顶孢(M.psychrophila)、空环单顶孢(M.coelobrochum)和狮子山隔指孢(D.shizishanna)中分别克隆得到了与侵染相关的蛋白酶的编码基因序列相关的编码基因。 2)首次对捕食线虫真菌、内寄生线虫真菌、昆虫病原真菌和重寄生病原真菌的胞外丝氨酸蛋白酶基因序列进行了较为全面的同源性比较和系统发育分析。 3)首次报道多次生节丛孢(A.multisecondarius)是小舟单顶孢(M.microscaphoides)的自发突变种。
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