近日,南京師范大學生命科學學院戴傳超課題組在JOURNAL OF AGRICULTURAL AND FOOD CHEMISTRY發(fā)表了題為“Engineered Phomopsis liquidambaris with Fhb1 and Fhb7 Enhances Resistance to Fusarium graminearum in Wheat”的研究論文。該研究利用小麥中的兩個抗赤霉病基因Fhb1和Fhb7,分別構(gòu)建了攜帶抗病基因的內(nèi)生真菌楓香擬莖點霉表達菌株(PL-Fhb1和PL-Fhb7),通過接種到小麥后定殖及表達,能夠有效抵抗禾谷鐮刀菌及嘔吐毒素的侵害,PL-Fhb1及PL-Fhb7分別能夠降低48.3%、57.32%的發(fā)病小穗數(shù),并且小麥籽粒中嘔吐毒素含量分別從17.48 μg/g降低到1.23 μg/g、以及從17.48 μg/g降低到0 μg/g,從而有效提高了小麥赤霉病抗性。該內(nèi)生菌具有促進植物生長、抗逆、不進入植物種子等特點,具有較好的生物安全性,為內(nèi)生菌作為生防菌株在小麥赤霉病的防治及應(yīng)用方面提供了新思路。
小麥赤霉病 (Fusarium head blight) 是一種由一種或者多種鐮刀菌引起的真菌性病害,嚴重危害小麥產(chǎn)量及品質(zhì)。小麥赤霉病產(chǎn)生的真菌毒素如嘔吐毒素 (DON) 威脅人畜的身體健康,因此,研究高效防治小麥赤霉病的方式對于小麥生產(chǎn)具有重要的意義。戴傳超研究組之前從大戟重陽木 (Bischoffa polycarpa) 中分離了內(nèi)生真菌楓香擬莖點霉 (Phomopsis liquidambaris),該菌能夠定殖于擬南芥,花生以及水稻等作物,具有促進水稻生長、緩解花生連作障礙、促進氮素吸收等特點。為進一步明確楓香擬莖點霉在小麥中的定殖分布特點,本研究通過將綠色熒光蛋白GFP在楓香擬莖點霉中表達,利用熒光顯微鏡以及共聚焦顯微鏡對其定殖情況進行觀察,發(fā)現(xiàn)楓香擬莖點霉可定殖于小麥中(圖1),為楓香擬莖點霉攜帶抗赤霉病基因提高小麥抗赤霉病水平奠定了基礎(chǔ)。
圖1 楓香擬莖點霉在小麥根系中的定殖
隨后,從蘇麥3號和二倍體長穗偃麥草中分別克隆了Fhb1和Fhb7基因,并將其分別連入載體并轉(zhuǎn)入楓香擬莖點霉中,構(gòu)建了工程菌PL-Fhb1和PL-Fhb7。該工程菌接種到含有嘔吐毒素的PDA和PDB培養(yǎng)基中,發(fā)現(xiàn)均比野生菌具有更好的嘔吐毒素耐受性,其生長能力明顯要優(yōu)于對照組,且形態(tài)特征受到嘔吐毒素的影響也要明顯弱于對照組。結(jié)果表明Fhb1和Fhb7在內(nèi)生真菌中的表達能夠顯著提高楓香擬莖點霉對于嘔吐毒素的耐受能力(圖2)。
圖2 DON對工程菌株和野生菌株菌絲生長和形態(tài)特性的影響
將工程菌接種于感染了禾谷鐮刀菌的小麥或嘔吐毒素處理的小麥,可顯著增強小麥抗鐮刀菌的水平(圖3,圖4)。質(zhì)譜分析研究發(fā)現(xiàn)PL-Fhb7能夠?qū)ON轉(zhuǎn)化為無毒的DON-GSH,從而提高小麥對于小麥赤霉病及毒素的抵抗能力。
圖3 嘔吐毒素對于接種了工程菌的小麥幼苗的影響
圖4 禾谷鐮刀菌對于接種了工程菌的小麥幼苗的影響
最后,本研究探究了工程菌接種不同時期小麥后對于小麥抗病能力以及品質(zhì)的影響。在越冬后的小麥葉部以及揚花期的小麥花中接種工程菌,隨后在小麥易感小麥赤霉病的時期—揚花期進行禾谷鐮刀菌的接種。發(fā)現(xiàn)分別接種了PL-Fhb1和PL-Fhb7兩種工程菌的小麥,其生長從飽滿度、籽粒含量以及重量都要明顯優(yōu)于對照組,其籽粒中的嘔吐毒素含量也要明顯低于對照組;且接種工程菌的小麥,對小麥的質(zhì)量和品質(zhì)并沒有明顯的影響。結(jié)果表明接種工程菌能夠顯著降低禾谷鐮刀菌導致的小麥赤霉病的危害及降低嘔吐毒素在小麥中的含量(圖5)。
圖5 接種工程菌對小麥品質(zhì)及產(chǎn)量的影響
綜上所述,該研究通過對內(nèi)生菌進行合理設(shè)計及遺傳改造,分別構(gòu)建了PL-Fhb1和PL-Fhb7兩種內(nèi)生菌抗病基因工程菌,從而提高了內(nèi)生菌對小麥赤霉病的抵抗水平,具有較好的生物安全性,為小麥赤霉病的生物防治提供了一個新的途徑和方式。