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大斑刚毛座腔菌漆酶基因功能验证及高产漆酶发酵条件优化

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摘要

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1 引言

1.1 漆酶与玉米大斑病的关系

1.2 真菌漆酶简介

1.3 漆酶的应用

1.4 本论文的研究内容和意义

2 材料和方法

2.1 试验材料

2.1.1 菌株和质粒

2.1.2 培养基

2.1.3 主要试剂及其配制

2.1.4 仪器和设备

2.2 漆酶同工酶基因的表达量分析

2.2.1 漆酶基因的克隆

2.2.2 漆酶基因在病菌侵染过程中不同时期的表达量分析

2.2.3 在不同诱导剂诱导下的表达量分析

2.3 StLAC1和StLAC2基因回复突变体的创制

2.3.1 StLAC1和StLAC2基因重组质粒的构建

2.3.2 StLAC1(StLAC2)基因回复突变体的获得

2.3.3 转化子的Southern blotting验证

2.4 StLAC1基因回复突变体分析

2.4.1 突变菌株生长发育分析

2.4.2 漆酶活性测定

2.4.3 胞内黑色素分析

2.4.4 StLAC1基因缺失与菌株附着胞膨压的关系

2.4.5 渗透调节能力分析

2.5 StLAC2基因的回复突变体分析

2.5.1 突变体生理生化分析

2.5.2 突变体疏水性测定

2.5.3 突变体细胞壁完整性测定和细胞壁观察

2.5.4 突变菌株的组织病理学分析

2.6 StLAC1、StLAC2双基因敲除转化子的创制

2.6.1 StLAC1、StLAC2双基因敲除载体的构建

2.6.2 StLAC2基因同源片段的PCR扩增

2.6.3 目的片段与目标载体的连接

2.6.4 StLAC1、StLAC2双基因敲除转化子的获得

2.7 大斑刚毛座腔菌漆酶的发酵条件和酶学性质

2.7.1 发酵基本条件

2.7.2 单因素试验优化

2.7.3 响应面优化试验设计

2.7.4 漆酶活力测定

2.7.5 漆酶酶学性质分析

3 结果与分析

3.1 大斑刚毛座腔菌漆酶家族基因的表达规律

3.1.1 漆酶基因的克隆

3.1.2 漆酶基因在生长发育及侵染过程中的表达量

3.1.3 不同漆酶基因在外源刺激物作用下的表达量

3.2 StLAC1和StLAC2基因的回复突变体

3.2.1 基因回复突变载体的构建

3.3 回复突变体StLAC1基因的分析

3.3.1 病菌生长发育

3.3.2 黑色素合成

3.3.3 附着胞形成和穿透能力

3.3.4 病菌细胞壁的孔径

3.3.5 附着胞膨压

3.3.6 致病性

3.3.7 其它漆酶基因在StLAC1基因缺失突变体中转录水平

3.4 回复突变体StLAC2基因的功能分析

3.4.1 病菌生长发育分析

3.4.2 StLAC2基因回复突变体的产孢能力

3.4.3 漆酶活性

3.4.4 黑色素合成

3.4.5 病菌的细胞壁完整性

3.4.6 病菌菌丝细胞壁的疏水性

3.4.7 玻璃纸穿透能力

3.4.8 StLAC2基因回复突变体的组织病理学观察

3.4.9 StLAC2基因回复突变体的抗渗透胁迫能力分析

3.5 StLAC1、StLAC2双基因敲除转化子的创制及分析

3.6 大斑刚毛座腔菌漆酶的发酵条件和酶学性质

3.6.1 发酵产酶曲线

3.6.2 漆酶分泌条件的单因素试验

3.6.3 响应面分析试验

3.6.4 漆酶酶学性质研究

4 讨论

4.1 真菌中漆酶基因与其生长、发育、侵染和致病性的关系

4.2 漆酶的发酵工艺与漆酶的工业化前景

5 结论

参考文献

在读期间发表的学术论文

作者简历

致谢

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摘要

漆酶作为一种多酚氧化酶,不仅在真菌的生活史中发挥着重要作用,同时在工业生产中具有一定的应用价值。本研究为了分析漆酶在玉米大斑刚毛座腔菌中的功能,利用实时荧光定量PCR技术分析了该病菌漆酶家族多个基因在发育阶段和诱导条件下的表达规律;继而利用原生质体转化获得了其中较为重要的StLAC1和StLAC2基因回复突变体,并分析了它们在在生长发育及侵染中的功能;此外利用响应面法优化大斑刚毛座腔菌产漆酶的发酵工艺,研究结果为进一步开发应用奠定了基础。主要研究结果如下:
  1.利用实时荧光定量PCR技术分析了大斑刚毛座腔菌漆酶多基因家族中的多个基因表达规律,结果显示不同漆酶基因在病菌不同发育时期及不同诱导物下的转录表达量具有差异性,其中StLAC1主要在附着胞和侵入钉时期表达,说明其主要参与了侵染过程;StLAC2只有在分生孢子时期表达量明显高于其他漆酶基因,说明StLAC2主要在分生孢子发育时2发挥作用;StLAC6、StLAC8除在分生孢子时期之外的其他时期表达水平均较高;StLAC2、StLAC4、StLAC5在植保素白藜芦醇的诱导下表达量明显增加;StLAC6、StLAC8在ABTS及铜离子诱导下表达量增加。以上结果说明,漆酶家族各基因在侵染过程的不同时期及不同培养条件下分别发挥作用。
  2.利用原生质体转化技术,通过PEG介导转化法获得了突变菌株△StLAC1、△StLAC2基因的功能回复突变体C.△StLAC1、C.△StLAC2。
  3.对大斑刚毛座腔菌野生型菌株01-23、敲除突变体△StLAC1、回复突变体C.△StLAC1进行表型分析发现,相比于基因缺失突变体△StLAC1,回复突变体C.△StLAC1生长速率变快,黑色素合成增加,渗透调节能力减弱,附着胞膨压、侵染能力显著回复,漆酶活性增强,离体叶片致病性变强。说明StLAC1基因在大斑刚毛座腔菌黑色素合成、附着胞穿透力和致病性等方面具有重要作用。
  4.对大斑刚毛座腔菌野生型菌株01-23、敲除突变体△StLAC2、回复突变体C.△StLAC2进行表型分析发现,回复突变体C.△StLA C2气生菌丝茂盛,菌丝细胞壁变厚,疏水能力变强,耐盐性降低,细胞壁完整性回复;漆酶活性有所升高,黑色素合成能力回复,侵染能力显著上升。说明StLAC2基因影响了大斑刚毛座腔菌黑色素合成、附着胞穿透力和生长发育等诸多方面。
  5.以质粒pBS为骨架,以草铵膦的基因为抗性基因,成功构建了StLAC2基因的敲除载体,通过原生质体转化法获得StLAC1、StLAC2双基因缺失突变体△StLAC2/△StLAC2。
  6.建立了以漆酶酶活力为响应值的多元二次回归模型,多元二次回归模型差异显著(p=0.0001),可以用该模型来拟合试验;响应面分析结果表明,各因素对漆酶活性的影响大小依次为Cu2+>葡萄糖>尿素,而葡萄糖和尿素交互作用极显著;通过拟合求出模型极值点,对应的大斑刚毛座腔菌产漆酶的最佳培养条件为:葡萄糖50.05g/L,KH2PO41g/L,尿素1.46 g/L,MgSO40.5 g/L,蛋白胨2g/L,玉米浆0.5g/L, CuSO40.07g/L,Tween803 mL/L,28℃,150 r/min振荡培养7d;在此条件下漆酶活性最高达40.00±1.20 U/mL;对大斑刚毛座腔菌漆酶初步分离纯化,SDS-PAGE检测其相对分子量约为80 kDa,以ABTS为底物时,最适反应温度为50℃,最适pH为4.2,并且具有良好的温度稳定性和pH稳定性,在常温、pH4.2时进一步测定Km值为0.036 mmol/L。

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