近日，南京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)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(diǎn)霉表達(dá)菌株（PL-Fhb1和PL-Fhb7），通過接種到小麥后定殖及表達(dá)，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(jìn)植物生長、抗逆、不進(jìn)入植物種子等特點(diǎn)，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(yán)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(diǎn)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(jìn)水稻生長、緩解花生連作障礙、促進(jìn)氮素吸收等特點(diǎn)。為進(jìn)一步明確楓香擬莖點(diǎn)霉在小麥中的定殖分布特點(diǎn)，本研究通過將綠色熒光蛋白GFP在楓香擬莖點(diǎn)霉中表達(dá)，利用熒光顯微鏡以及共聚焦顯微鏡對其定殖情況進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)楓香擬莖點(diǎn)霉可定殖于小麥中（圖1），為楓香擬莖點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(dá)能夠顯著提高楓香擬莖點(diǎn)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(qiáng)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(shí)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(yáng)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(shí)期—揚(yáng)花期進(jìn)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(dǎo)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(jìn)行合理設(shè)計(jì)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。
