GFP在病原菌及其与植物互作中的应用
绿色荧光蛋白及其在细胞生物学研究中的应用
绿色荧光蛋白及其在细胞生物学研究中的应用绿色荧光蛋白（Green Fluorescent Protein, GFP）是一种从水母Aequorea victoria中分离出来的荧光蛋白质，可以发射绿色荧光。
由于GFP具有结构简单，对细胞无毒性和较强稳定性等特点，因此被广泛应用于细胞生物学和生命科学研究中。
以下是关于GFP及其在细胞生物学研究中的应用的介绍。
一、荧光蛋白及GFP的来源荧光蛋白质是一种含有环状芳香族氨基酸残基的蛋白质，能够吸收外部能量并将其转化为荧光发射。
GFP最初是在1955年，美国南加州大学的Osamu Shimomura研究水母发光机制时发现的。
GFP由238个氨基酸组成，分子量约27kDa。
GFP基因被克隆后即可在其他生物中表达，使它成为了生物体内最常用的荧光标记物之一。
二、GFP的结构和原理GFP的荧光由3个氨基酸残基Tyr（酪氨酸）、Ser（丝氨酸）和Gly（甘氨酸）构成的环状结构决定。
当氧气与Tyr形成共轭键时，便使荧光激发能量被吸收，并在GFP分子腔内缓慢扩散，直至荧光发射。
三、GFP在细胞生物学中的应用1、荧光定位GFP被广泛用于生命科学中细胞定位的研究。
由于GFP具有细胞膜透性和结构稳定性等特性，可以将其组装到生物体内，使其具有明亮的绿色荧光。
通过转化所需的基因序列来表达GFP，可以使研究人员直接在活细胞中观察到融合GFP蛋白质的定位和空间分布状况。
2、蛋白质交互作用GFP也被用作蛋白质交互作用的研究工具。
在这种情况下，GFP被连接到研究的蛋白质上，而研究人员观察到GFP与其他蛋白质结合的情况，从而确定蛋白质之间是否相互作用。
3、表达和异常行为GFP还可用于研究蛋白质的表达和异常行为。
通过表达GFP基因，可以探究研究对象的分泌情况、活动状态、质量控制和分解情况等。
4、细胞轨迹追踪GFP被广泛应用于细胞追踪研究中。
通过转染GFP基因，可以实时跟踪特定细胞类型的运动和位置，比如细胞分裂、游走和迁移等。
绿色荧光蛋白及其在细胞生物学中的应用
绿色荧光蛋白及其在细胞生物学中的应用绿色荧光蛋白(GFP)是生物学中非常著名的一个标记蛋白，它可以帮助科学家们观察、追踪细胞内部分子的运动和位置变化。
本文将介绍GFP的结构、功能以及在细胞生物学中的应用。
GFP结构与功能GFP来自于海葵(海洋无脊椎动物)中的一种发光蛋白，它的结构中含有一个环状结构(环状柄)和一个β桶(β-barrel)。
环状柄中含有一个色素分子，称为染料环，贡献了GFP的光学特性。
β桶的作用是保护染料环，并使它的光学特性达到最佳状态。
GFP有着非常特殊的性质，它可以在自然光下发出荧光，荧光颜色为绿色。
当其暴露在213-488nm的紫外线照射下，GFP就会发射从蓝、绿到黄的荧光波长。
GFP的这种特性使得它成为了生物学家们进行光学研究的最佳工具。
1. 显微镜下的成像GFP是一种非常强的标记蛋白，通过将其融合到目标物分子上，可以非常清晰地显示该分子的位置和运动。
利用显微镜技术，研究人员可以观察到细胞器、蛋白质、RNA等生命大分子在细胞内的运动和相互作用，从而揭示其在生物学中的重要作用。
2. 基因表达与细胞注释通过将GFP基因转染到细胞中，可以实现在特定细胞和组织中进行特定基因的表达。
同时，在转染GFP的细胞中，人们也可以通过显微镜监测到特定细胞的位置和分布，用于细胞的标记与识别。
3. 胚胎发育研究GFP还可以用于观察和研究胚胎发育过程中各种细胞分子的运动和定位。
通过将GFP融合到发育过程中的标志性分子中，研究人员可以观察到该分子在胚胎发育的不同阶段中的表达和变化，从而揭示胚胎发育的机制。
总结GFP的发现和应用开创了一种全新的标记技术，使科学家们能够更深入地探究生命大分子的运动、位置和相互作用。
GFP的强烈荧光使得其在细胞生物学研究中具有广泛的应用价值，特别是在显微镜下的成像、基因表达与细胞注释以及胚胎发育研究中。
可以预见，在不久的将来，GFP的应用将会更加广泛，并将继续推动生命科学研究的进步。
绿色荧光蛋白(GFP) 的特性及其在分子生物学研究中 的应用教学资料
GFP-绿色荧光蛋白的来源和应用
GFP:绿色荧光蛋白(GreenFluorescent Protein,简称GFP)是一种在美国西北海岸所盛产的水母中所发现的一种蛋白质。
它之所以能够发光,是因在其包含238个氨基酸的序列中,第65至67个氨基酸(丝氨酸—酪氨酸—甘氨酸)残基,可自发地形成一种荧光发色团。
发光机理:当蛋白质链折叠时,这段被深埋在蛋白质内部的氨基酸片段,得以“亲密接触”,导致经环化形成咪唑酮,并发生脱水反应。
但此时还不能发射荧光,只有当有分子氧存在的条件下,发生氧化脱氢,方能导致绿色荧光蛋白发色团的“成熟”,形成可发射荧光的形式。
上述绿色荧光蛋白发色团的形成过程,系由几位科学家分别研究完成的。
绿色荧光蛋白不仅无毒,而且不需要借助其他辅酶,自身就能发光,可以让科学家在分子水平上研究活细胞的动态过程。
当绿色荧光蛋白的基因和我们感兴趣的有机体内所拟研究的蛋白质基因相融合时,蛋白质既能保持其原有的活性,绿色荧光蛋白的发光能力也不受影响。
钱永健的贡献钱永健及其合作者,还解决了绿色荧光蛋白的晶体结构问题,从而允许能够较合理地对具不同性质的变体合成进行设计。
这些新变体有的荧光更强,有的呈黄色,有的呈蓝色,有的呈红色,有的可激活、可变色。
这意味着除绿色以外,还可以用其他颜色荧光蛋白标示不同的蛋白质和细胞。
GFP的发光特性GFP吸收的光谱,最大峰值为395nm(紫外),并有一个峰值为470nm的副峰(蓝光);发射光谱最大峰值为509nm(绿光),并带有峰值为540nm的侧峰(Shouder).GFP的光谱特性与荧光素异硫氰酸盐(FITC)很相似,因此为荧光素FITC设计的荧光显微镜滤光片组合同样适用于GFP观察.GFP的性质GFP荧光极其稳定,在激发光照射下,GFP抗光漂白(Photobleaching)能力比荧光素(fluorescein)强,特别在450～490nm蓝光波长下更稳定.GFP需要在氧化状态下产生荧光,强还原剂能使GFP转变为非荧光形式,但一旦重新暴露在空气或氧气中,GFP荧光便立即得到恢复.而一些弱还原剂并不影响GFP荧光.中度氧化剂对GFP荧光影响也不大,如生物材料的固定,脱水剂戊二酸或甲醛等.GFP融合蛋白的荧光灵敏度远比荧光素标记的荧光抗体高,抗光漂白能力强,因此更适用于定量测定与分析.但因为GFP不是酶,荧光信号没有酶学放大效果,因此GFP灵敏度可能低于某些酶类报告蛋白.由于GFP荧光是生物细胞的自主功能,荧光的产生不需要任何外源反应底物,因此GFP作为一种广泛应用的活体报告蛋白,其作用是任何其它酶类报告蛋白无法比拟的.在生物技术中的应用1.分子标记除用于特定蛋白的标记定位外，GFP亦大量用于各种细胞器的标记如细胞骨架、质膜、细胞核等等。
绿色荧光蛋白及其在细胞生物学中的应用
绿色荧光蛋白及其在细胞生物学中的应用绿色荧光蛋白(GFP)是一种由蛋白质基因编码的荧光标记物，可以在活细胞中可视化蛋白质的位置和移动。
GFP最初是从海葵中发现的，现在已被广泛应用于生物学研究中。
在细胞生物学中，GFP已成为一种重要的工具，用于研究细胞的结构、功能和信号转导。
GFP可以用于标记蛋白质，从而观察它们在细胞中的位置和运动。
通过将GFP基因与目标蛋白质基因融合，可以制造出发出绿色荧光的融合蛋白。
这种荧光标记可以在活细胞中使用显微镜观察。
因为GFP 是自发发光的，所以不需要其他化学试剂或光源，也不会伤害细胞。
此外，GFP的亚细胞定位可以通过不同的融合蛋白实现，比如细胞核、质膜、内质网、线粒体等。
除了用于观察蛋白质的位置和移动，GFP还可以被用于研究细胞的功能和信号转导。
例如，GFP可以用于标记细胞器，如细胞核、线粒体和内质网，从而研究它们的功能和相互作用。
此外，GFP还可以用于标记细胞信号分子，如钙离子和蛋白激酶，从而研究它们在信号传递中的作用。
总之，GFP已成为一个重要的工具，在细胞生物学研究中发挥着重要作用。
通过使用GFP融合蛋白标记，可以可视化细胞内蛋白质的位置和运动，研究细胞的功能和信号转导，以及研究细胞亚结构。
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GFP基因及其应用研究
GFP基因及其应用研究一、GFP基因的发现和结构GFP是由Aequorea victoria这种海洋生物中发现的一种荧光蛋白质。
简单来说，GFP是由238个氨基酸组成的蛋白质，具有绿色荧光。
GFP蛋白质的分类基因为亚稳蓝蛋白基因，全长716bp，编码238个氨基酸，分子量为27kDa。
GFP的主要结构与功能区域包括：β桶、环绕色氨酸残基、环肽、或许存在的水分子和色氨酸区域。
二、GFP基因在生命科学中的应用1. 应用于细胞追踪和分化状态研究GFP基因已经被广泛用于细胞定位、示踪和分化状态的研究。
比如，在细胞定位方面，研究人员可以将GFP融合到要研究的蛋白质中，然后通过观察GFP的荧光信号来确定这种蛋白质在细胞内的位置。
2. 应用于药物筛选和评估GFP基因已经被发现可以用于药物筛选和评估。
比如，研究人员可以将GFP融合到需要研究的药物靶点上，然后通过观察GFP 的荧光信号来确定药物的有效性。
3. 应用于基因定位和功能研究GFP基因也被广泛用于基因定位和功能研究。
比如，在基因定位方面，研究人员可以将GFP融合到要研究的基因中，然后观察GFP的荧光信号来确定这个基因在细胞中的位置。
4. 应用于基因治疗GFP基因还可以用于基因治疗。
比如，在基因治疗方面，研究人员可以将GFP融合到需要治疗的细胞中，然后通过观察GFP的荧光信号来确定治疗效果和细胞存活情况。
三、GFP基因的优缺点1. 优点GFP基因是一种非常有用的基因，具有广泛的应用前景。
它的主要优点包括：绿色荧光信号容易被检测、可以被化学和物理变化激发、不需要外部底物、容易被光学显微镜观察和肉眼观察等。
2. 缺点尽管GFP基因有很多优点，但是它也有一些缺点需要考虑。
比如，绿色荧光信号的强度相对较低、GFP蛋白质的稳定性较差、特别是在高温、酸碱度大等条件下容易失活。
此外，GFP荧光标记的分辨率也有限制。
四、总结GFP基因是生命科学领域中的一种非常有用的基因，已经被广泛用于细胞定位、示踪、分化状态的研究、药物筛选和评估、基因定位和功能研究以及基因治疗等方面。
gfp标记蛋白作用
gfp标记蛋白作用GFP标记蛋白作用绿色荧光蛋白（GFP）是一种广泛应用于生物学研究的蛋白质标记工具。
它源自于一种发光海洋生物，具有独特的发光特性，发出强烈的绿色荧光。
GFP标记蛋白在细胞生物学、分子生物学和生物医学等领域发挥着重要作用，为科学家们提供了一个强大的工具，用于研究蛋白质在细胞内的行为、功能和相互作用。
首先，GFP标记蛋白通过其独特的荧光特性，使科学家们能够直接观察和跟踪蛋白质在细胞中的动态过程。
通过将GFP融合到感兴趣的蛋白质上，科学家们可以使用显微镜等技术实时观察这些蛋白质在细胞内的位置、分布和运动。
这为研究细胞的结构和功能提供了非常重要的线索，并有助于揭示蛋白质在生物学过程中的作用。
其次，GFP标记蛋白的应用也拓宽了科学家们对蛋白质相互作用的认识。
通过将GFP融合到不同蛋白质上，科学家们可以观察这些蛋白质在细胞中的互相作用情况。
如此，我们可以了解蛋白质之间的相互作用对细胞功能的调控机制，甚至可以揭示新的信号通路和蛋白质网络。
这有助于研究疾病的发生机制以及药物研发中的靶点发现。
此外，GFP标记蛋白还可以用于研究蛋白质的空间定位和生物化学特性。
通过在GFP标记蛋白上引入一些特定的突变或标记，我们可以分析蛋白质的结构以及其与其他分子之间的相互作用。
这有助于理解蛋白质功能的基本机制，并为结构生物学的研究提供了有力工具。
最后，GFP标记蛋白技术的广泛应用也促进了生物医学研究的发展。
通过GFP标记蛋白，科学家们可以追踪病毒、细菌和肿瘤细胞等病理过程，从而为疾病的发生、发展和治疗提供了新的思路。
此外，GFP标记蛋白还可以用于监测基因表达、细胞分化和疾病标记物等方面的研究，为临床医学的诊断和治疗提供了宝贵的信息。
综上所述，GFP标记蛋白作为一种重要的蛋白质标记工具，在生物学研究中发挥着重要作用。
它提供了直观的可视化手段，使科学家们能够更好地了解蛋白质在细胞内的行为和相互作用。
与此同时，GFP标记蛋白也为生物医学研究提供了新的平台和思路。
【word】植物与内生真菌互作的生理与分子机制研究进展
植物与内生真菌互作的生理与分子机制研究进展第28卷第9期2008年9月生态ACTAEC0L0GICASINICAV o1.28.No.9Sep.,2008植物与内生真菌互作的生理与分子机制研究进展袁志林,章初龙‟,林福呈,(1.浙江大学生物技术研究所,杭州310029;2.中国林业科学研究院亚热带林业研究所,富阳311400)摘要:在自然生态系统中,植物组织可作为许多微生物定居的生态位.内生真菌普遍存在于植物组织内,与宿主建立复杂的相互作用(互惠,拈抗和中性之间的相互转化),并且存在不同的传播方式(垂直和水平传播).内生真菌通过多样化途径来增强植物体的营养生理和抗性机能.但这种生理功能的实现有赖于双方精细的调控机制,表明宿主和真菌双方都进化形成特有的分子调控机制来维持这种互惠共生关系.环境因子(如气候,土壤性质等),宿主种类和生理状态,真菌基因型的变化都将改变互作结果.此外,菌根真菌和真菌病毒等也可能普遍参与植物一内生真菌共生体,形成三重互作体系,最终影响宿主的表型.研究试图从形态,生理和分子水平阐述内生真菌与植物互作的基础.关键词:内生真菌;植物;互作机制文章编号:10000933(2008)09.4430.10中图分类号:Q143,Q948文献标识码:A Recentadvancesonphysiologicalandmolecularbasisoffungaiendophyte- plantinteractionsYUANZhi—Lin‟一.ZHANGChu.Long一,UNFu—Cheng‟1InstituteofBiotechnology,ZhejiangUniversity,Hangzhou,ZhejiangProvi nce,310008,China2Instituteofsubtropicalforesto”,ChineseAcademyofForestry,Fuyang,Zhe jiangProvince310029,ChinaActaEcologicaSinica.2008.28(9):4430～4439.Abstract:Innaturalecosystems,plantsconstitutesuitablehabitatsandniches forthecolonizationofadiversityofmicroorganisms.Endophyticfungi,livingintheinnerofhealthyplanttissues ubiquitously,exhibitcomplexinteractionswiththeirhosts(acontinuumofmutualism,antagonismandneutralism)anddi fferenttransmissionmodes(horizontalorvertica1).Plantnutrientacquisitionandstresstolerancemaybestrengthenedbythefungalsymbiont.However,a successfulplant—fungalendophyteinteractionrequiresthefinetuningofant agonisticinteractions,whichimpliesthe evolutionofuniqueself—regulatingmechanismsonbothsidestomaintaina mutualisticinteraction.Hostspecies,fungal geuotypeandenvironmentalfactorssuchasclimateandsoilpropertiesaswell asthenutritionalstatusoftheplantwill ultimatelydeterminetheoutcomeoftheinteraction.Additionally,ternaryinte ractionswithmycorrhizalfungiand mycovirusesmayalsobeimportantcomponentsparticipatingintheplant?en dophyteassociationand,thus,influencethehostphenotype,Inthisreview,weattempttooutlinetheinteractivemechanismsof plant—fungalendophyteassociationsonamorphological,physiologicalandmolecularleve1.KeyWords:endophyticfungi;hostplant;interactivemechanisms基金项目:国家自然科学基金资助项目(30600002)收稿日期:2008—0227;修订日期:2008—05—23作者简介:袁志林(1979～),男,苏州人,博士生,从事植物?共生真菌基础理论与应用研究.E-mail:zhi—*********************}通讯作者Correspondingauthor.E—mail:******************.cn;***************.e nFoundationitem:TheprojeetwasfinanciallysupportedbytheNationalNatur alScienceFoundationofChina(No.30600002)Receiveddate:2008—02-27;Accepteddate:2008—05—23 Biography:YUANZhi—Lin,Ph.D.cadidate,mainlyengagedinplant—fun galendophytesinteractions.E-mail:zhi一/in—*****************http://www.ecologica.ca9期袁志林等:植物与内生真菌互作的生理与分子机制研究进展植物与周围环境生物的互作是一种普遍现象,其中植物-微生物的相互作用是重要形式之一.在叶围(phyllosphere)和根围(rhizosphere)区域,植物体时刻与众多的有害,有益和中性微生物同生存,并产生直接或间接的接触.在长期的协同进化过程中,植物对微生物的侵染已经形成一种适应性的机制,既能够识别来自微生物的信号分子并作出相应的生理反应,包括亲和性的互作(compatibleinteractions)和非亲和性的互作(incompatibleinteracti0ns).植物为了适应复杂的生态环境,进化成很多形式的植物?微生物共生体系统.C同位素标记技术显示根系组织中存在相当复杂的植物一真菌,植物一细菌共生体,对提高植物抗性和促进养分吸收起重要作用].现有的一些结果表明,植物与真菌的相互关系可能更为古老,化石证据证实了早在4亿多年前就已经存在植物与真菌的共生体,而且这种共生关系在植物由水生演化到陆生过程中扮演了重要角色口].在自然界中植物与真菌的非致病性的共生关系(nonpathogenicsymbiosis)具有普遍性,而致病性的亲和互作只是个例].因此研究植物.共生真菌的相互关系有助于更好阐明真菌在自然界的生态功能.有两类共生真菌能够侵染并定植在植物组织中,其中菌根真菌(mycorrhizalfungi)只与植物根系建立互惠关系,在根部组织中能形成特定的功能性结构,如AM菌根中存在丛枝和泡囊,外生菌根中可形成菌套(mantle)和哈帝氏网(Hartignet)等,涉及土壤一真菌.植物根系3个界面;而内生真菌(endophyticfungi)普遍存在于植物的地上和地下部分,且只存在植物组织一真菌的互作界面,侵染根系的内生真菌也不形成明显的结构特征.从已积累的研究结果看,内生真菌一植物共生体可能远比菌根共生体复杂.植物一内生真菌共生体是继豆科植物.根瘤共生体,菌根共生体后发现的植物与微生物共生关系的又一种表现形式,业已成为国际研究热点.但从研究历史,深度看,与病原真菌,菌根真菌比较,内生真菌的工作才处于基础探索阶段.在近10a中,在植物内生真菌的研究领域已经取得了很大的进步,从传统的分离培养,类群分析和分类鉴定逐渐过渡到从形态,生理和分子水平阐明互作机理.本文针对这几个方面的问题加以详细叙述和评论.1内生真菌定义及不同类型的生物学特性比较有关内生真菌的定义,国际上一直存有争议,现在普遍接受的是Petrini提出的概念J,即生活史的一部分能侵染并定殖在植物组织器官中,宿主无明显感染症状的一类真菌.绝大部分属于子囊菌和半知菌,担子菌和卵菌作为植物的内生菌也有报道..‟.一般将内生真菌分为两个类群,即禾草内生真菌(grassendophytes orbalansiaceousendophytes)和非禾草内生真菌(non—grassendophytes).它们之间的区别见表1ts,38].表1禾草内生真菌和非禾草内生真菌生物学特性比较[8,38]Table1Comparisonofcharacteristicsoftwogroupsofendophyficfungiinpla nk[8,38]禾草内生真菌Endophytesofgrasshosts非禾草内生真菌Endophytesofnongrasshosts种类较少,主要是麦角菌科的子囊真菌Fewfungalspecies,Clavicipitaceae侵染宿主组织面积广,胞问定殖Extensivecolonizationofgrassleavesandsheath,intercellular与宿主是”组成性互惠关系”,对宿主的增益作用明显“Constitutivemutualism”系统性种子垂直传播,但ichlo#也可水平传播V erticallytransmittedviaseeds绝大多数子囊菌,半知菌和和少数的卵菌,担子菌Manyspecies,taxonomicallydiverse主要以局部组织的定殖侵染为主,胞内或胞问生存Restrictedcolonizationofplanttissues,intracellularorintercellular与宿主是”诱导性互惠关系”,多因素影响互作结果“Inducedmutualism‟‟or”conditionalmutualism”.manyfactors determiningtheoutcomeoftheassociation非系统性孢子水平转播,极少数可垂直传播Horizontallytransmittedviasporesfromplantstoplants2内生真菌侵染宿主的形态学,生理学机制及双方各自的生理反应与菌根真菌和病原真菌相似,内生真菌的侵染过程也经历一系列复杂过程,包括孢子与亲和性宿主的识别,活化,黏附表面基质,萌发直到侵染组织内部_9.在侵染早期,双方各自均释放信息素类似物并被彼此识别,由此在代谢水平上做出相应的调整.在丛枝菌根和外生菌根研究中发现,气生菌丝具有对宿主植物根系定位的能力,在真菌和根系非直接物理接触前就开始了信号的交流”].已经证明根系分泌物中的倍半萜类,黄酮类物质充当了信号分子,促进孢子萌发.在内生真菌与宿主互作中也发现有类似现象,通过建立体外共培养技术(invitrodualculturesystem),观察内生真菌与无菌苗(或愈伤组织)共培养时各自的生理反生态28卷应,研究表明内生真菌菌丝对宿主的某些化学物质具有趋化性(chemotaxis),且生长良好;而在非宿主组织中并无此现象,表明如果在内生真菌一宿主互作中存在明显的趋化信号,该内生真菌并非仅仅是随机性侵染体(incidentalopportunists),而是在进化过程中已经形成对宿主的适应机制|I引.另一方面内生真菌的成功侵染也必须穿透宿主的机械屏障并克服其防御反应.现已发现内生真菌产生的胞外酶系统也相当丰富,如纤维素酶(cellulases),漆酶(1accase),木聚糖酶(xylanase),蛋白质酶(protease)等,在侵染初期破坏植物角质层和皮层细胞的细胞壁,利于菌丝进入组织内部.与菌根真菌相似,植物对于这类共生真菌的侵染所引发的防御反应程度较弱_1,推测一方面内生真菌携带的低毒力因子,菌丝分泌某些糖蛋白或细胞壁组成的改变,从而削弱宿主对其强烈的识别能力8j.最近发现在拟南芥根部细胞内质网中存在一种p一葡萄糖苷酶(PYK10),能限制内生真菌印度梨形孢(Piriformosporaindica)的侵入,从而削弱宿主产生的防御反应.植物组成型次生代谢产物如皂角苷(saponin),精油(essentialoils)等是一种进化形成的抵抗外界病原物的机制.某些病原真菌为了成功侵染产生相应的策略,分泌解毒酶(detoxificationenzyme),能分解利用次生代谢产物,克服宿主的防御系统¨博.内生真菌也有类似的机制,而且内生真菌对次生代谢产物的生物转化能力在一定程度也定了决定其宿主的范围.侵染组织后,为了行使特定的生物学功能,互作双方在形态,生理和分子水平均发生着深刻的变化,从而建立稳定有效的共生体.由于绝大多数内生真菌在细胞间隙繁殖生存的,因此质外体空间(apoplasticspace)是两者信号物质,营养交换的主要场所.对P.indica.大麦共生体系的生理与分子机制研究发现:菌株侵染根系后能削弱根部细胞HvBI一1基因的表达,HvB1—1基因的过表达反能限制菌丝的侵染强度.HvBI一1基因在真核生物中很保守,能抑制细胞程序性死亡,这表明菌丝在宿主体内的生长和繁殖需要植物组织细胞一定程度的死亡,最终两者达到平衡状态.但在侵染过程中,真菌在识别新的环境(如在宿主胞外体空间存在的碳水化合物等)中所发生的一系列生物学行为和反应机制,到目前为止涉及很少.有研究者利用激光共聚焦技术观察了GFP标记的哈茨木霉(Trichodermaharzianum)菌株侵染番茄根系时菌丝形态水平的变化,结果发现共培养2d后菌丝顶端呈现酵母状的乳突型细胞,推测这种特异性的形态变化有助于双方营养的交换.在植物.病原真菌互作研究中,已经发现菌丝的程序性死亡(programmedcelldeath)或自噬(autophagy)对于其成功侵染组织是必需的‟引.研究内生真菌不同侵染时期的基因差异表达,有助于了解其互作的关键调控因子以及分析比较不同植物一真菌相互关系的异同.3内生真菌改变植物生理代谢并增强宿主抗逆性的现象和机制分析过去的研究往往只关注菌根真菌对植物个体,种群和群落结构的影响,而忽视了内生真菌的生理生态功能.自发现禾草地上部分内生真菌Epichlo~/Neotyphodium在增强宿主生物量,抗逆方面具有独特作用,科学家普遍认为植物体进化形成不同类型的真菌共生体对其生存起着关键作用.随着研究的深入,对于水平传播内生真菌的生物学特性也逐渐涉及,尤其在探讨根系内生真菌增强宿主生理功能的机制方面尤为活跃.研究内生真菌自身的生物学特性及其对植物初级代谢和次级代谢的调节有助于我们更好地阐明植物受益的机理.内生真菌赋予植物优良生长性状的特点与菌根真菌类似,如促进植物营养生长,光合作用增强,增加生物量(产量)并提高在逆境中的生存能力.担子菌P.indica能分泌生长素如吲哚乙酸促进植物生长…,内生镰刀菌通过抑制植物体内的乙烯信号途径来提高植物生长活力¨.内生真菌还能通过活化硝酸还原酶,分泌铁载体和磷酸酶等形式促进植物养分吸收,从而更利于植物生长(图1)拍.有些真菌还能分泌多糖类黏液物质,并在根表面形成菌膜(biofilm),协同植物抗旱.Carroll 归纳总结了内生真菌互利共生的5种特性:(1)该内生真菌在特定的宿主植物中普遍存在,地理分布较广,植物不表现任何明显的病症;(2)该真菌能垂直传播或水平传播的效率很高;(3)内生真菌在整株植物组织均能生长定殖,如果只在某一器官中生长,则该组织器官感染内生真菌的强度比较高;(4)内生真菌能分泌毒性或抗生物质;(5)该内生真菌在分类单位上与病原物拮抗菌很接近.因此通过常规的菌株分离,鉴定工作,并结合上述原则,可以筛选出具有9期袁志林等:植物与内生真菌互作的生理与分子机制研究进展特定生物学功能的内生真菌.从热带兰科植物根系中分离出内生真菌,其中有两个菌株Trichodermachlorosporum和Clonostachysrosea,在分类单位上均属于生防菌株,接种试验表明这些菌株能显着提高无菌苗移栽成活率和生物量.植物育种专家通过现代分子生物学技术已经初步阐明植物体存在一些抗逆基因来参与逆境调节,但至少有很多的工作表明植物体的某些抗性特征与内生真菌的存在有关.甚至有专家预测这种内生真菌生物技术可能与传统的抗逆育种和转基因培育技术并驾齐驱.无论是垂直传播内生真菌还是水平传播内生真菌都能增强在生物(病原物)和非生物胁迫(热,盐胁迫等)中的生存能力.内生真菌协同植物适应极端环境有3种假说:①适应性生态位共生(habitat—adapted symbiosis),既一种胁迫环境下植物的内生真菌不能使另一种逆境条件下的植物受益,只能增强原胁迫环境下植物的生理功能;如耐盐植物内生真菌对热胁迫植物无生物学效应;农作物抗病内生真菌对植物耐盐无贡献等.这种植物通过共生真菌的功能来实现抗逆是一种基于基因组间的表观遗传学作用机制(intergenomic epigenetics).②共生体调节(symbioticmodulation),植物,内生真菌双方由于受到周围微环境变化的选择压力,具有选择性地改变另一方的能力.这可能是一种跳一分布于叶片组织间隙的内生真菌菌丝————————卜一EndophyticroyceIiumoccur叶围PhyllospheretInIecellul|dr1yinleavestissues①次生代谢产物②诱导子③铁载体④植物激素⑤侵染定殖…一一一………根-R.ph.陀,根系内生真菌Rootfungalendophytes菌根真菌Mycorrhizalfungi图1植物地上和地下部分组织真菌共生体及可能的生理功能【～]Fig.1Fungalsymbiontsoccurringinabovegroundandbelowground planttissuesandpossiblefunctionstheyplayed①Secondarymetabolites;②Elicitors;③Siderophores;④Phytohormones;⑤Infectionandcolonization;⑥Promotinghost growthandyield;⑦Induceddiseaseresistance;⑧ConferringhostI℃sistancet0abi0ticstress【-36]跃式的协同进化方式,使共生体快速适应环境胁迫.③共生体生活方式的转换(symbioticlifestyleswitching),某些所谓的”病原真菌”,如一些炭疽菌属真菌(Colletotrichumspp.),在一种植物中表现致病,而在另一宿主中却表现互惠共生;病原真菌的单基因突变引起其生活方式的转变,由致病性向互利共生性转化引.但这些假说几乎都基于对现象或通过接种实验来证明,深层次的机理挖掘却很少.在非生物逆境中(如盐胁迫),受内生真菌侵染的植物能更快识别周围的逆境,而且可能通过增强植物组织脯氨酸(proline)的生物合成来消除活性氧的积累_3J.最近有研究者发现一种根际真菌Paraphaeosphaeriaquadriseptata能分泌一种能抑制植物热激蛋白HSP90活力的活性物质,从而提高植物的耐热程度,是否在内生真菌一植物互作体系中也存在类似的作用机制值得深入探讨帅J.目前对于内生真菌的抗病机制的认识还处于起步阶段,但不外乎以下几种途径:(1)分泌抗生物质;(2)生态位竞争;(3)重寄生作用;(4)诱导植物抗性47I引.如禾草内生真菌在离体(invitro)或活体(inplanta,invivo)条件下均能产生一系列生物碱类物质,能有效抗虫;非禾草内生真菌增强植物抗虫能力的发现是源于对虫生真菌的(entom叩athogenicfungi)生态功能的重新认识,某些感染病原虫体的真菌在植物组织中具有内生性特点,对虫体具有很强的抗性.研究最透彻的虫生真菌是Beauveriabassiana,能够与玉米,棕榈,咖啡树和罂粟等共生.B.bassiana能分泌多种代谢产物如bassianin,beauvericin,bassianolide,beauveriolide等,对病原虫体均产生毒害作用.植物体对病原物的抗性有两种不同的机制,即系统获得抗性(systemicacquiredresistance,SAR)和诱导型系统抗病性(inducedsystemicresistance,ISR).SAR反应主要受到病原菌,生防真菌或一些化合物诱导产生,显着特征是水杨酸,茉莉酸和乙烯等物质参与,并伴有病程相关蛋白(pathogenesis—relatedproteins,PR)如几生态28卷丁质酶,葡聚糖酶和多酚氧化酶等的积累,而ISR反应并没有PR蛋白的积累.早前人们对于植物根圈促生细菌(plantgrowthpromotingrhizobacteria,PGPR)引起植物诱导型系统抗病性有深入的认识.近期的研究也表明内生真菌也能诱导植物体产生相似的抗性反应_5卜j,如菌丝分泌的某些小分子蛋白或代谢产物能够作为诱导子引发植物抗性;植物组织内的谷胱甘肽?抗坏血酸代谢途径(glutathione—ascorbatepathway)被激活,从而增强了细胞抗氧化能力引.但内生真菌诱导植物抗性可能有其独特性和复杂性的一面,P.indica和Sebacinavermifel‟a接种烟草的试验表明,这两种内生真菌均能有效促进植物生长,但同时伴随着对烟草天蛾(Manducasexta)抗性能力的下降,结果证明了内生真菌的侵染导致植物体内一种防御蛋白活力的降低一胰蛋白酶抑制剂(trypsinproteinaseinhibitors,TPI)[57j.在镰刀属内生真菌(Fusariumsolani)也发现类似的现象,F.solani接种番茄对病原尖孢镰刀菌(F.oxysporum)的抗性是依赖乙烯合成途径的,但S.vermifera促进烟草生长却是通过抑制乙烯信号转导来实现的.有趣的是,将P.indica 接种大麦后却显现出多重有益效应,能同时抗病,耐盐和提高产量,这项研究结果对传统的观点:”植物抗病,增产不可兼得”提出了挑战.这些有趣的现象提示:在不同基因型的植物一内生真菌互作中所产生的表型可能会发生变化,而且不同的功能性内生真菌进化程度可能存在差别,有些是潜在的病原菌,而有些则是”真正内生菌”(trueendophytes)Lsj.很多报道表明PGPR微生物如假单孢菌属(Pseudomonasspp.)细菌和菌根真菌对根部土传病害的病原菌都具有良好的防治效果,但对植物地上部分病原物的防治能力有一定的局限性引,除非这些微生物能诱导植物系统获得抗性;而内生真菌能稳定存在于植物的整个组织器官中,受到植物体本身机械组织的保护,因此对士传,气传病原物的抗性持久有效.虽然大多数内生真菌增强植物抗病性的报道还多局限于室内盆栽试验,是否在田问试验中也有类似的功效是值得关心的问题.鉴于木本植物内生真菌种群多样性,植物体的抗性反应可能得益于诸多内生真菌发挥生理功能的总和,因此考虑优势内生真菌之问的协同作用可能使植物受益更明显].从大量的研究结果看,植物不同组织器官富含的内生真菌对植物的贡献能力也有差异,这对筛选功能性菌株具有一定的指导意义.根系和叶片组织是植物体受外界生物和非生物因子胁迫最大的部位,因此根系和叶片内生真菌对于保护植物组织免受伤害起着尤为重要的作用.归纳目前的研究结果并加以分析可以看出,内生真菌对植物各组织器官生理效应的影响能力有以下趋势:根系>叶片>茎.植物体根围区域是一个能量和物质交换异常活跃的区域,植物和土壤微生物相互影响,而且根系被认为是一个动态的”碳库(carbonsink)”,营养物质充足,是众多微生物相互竞争的部位j.因此在这种复杂的环境中植物的生存策略之一就是容纳了与之互惠共生的内生真菌;而且根系内生真菌的侵染程度较地上部分要强(extensiveorsystemiccolonization),而叶片内生真菌多以局部侵染为主(1ocallylimitedcolonization).红色不育真菌(SRF,sterileredfungus)和暗色有隔内生菌(DSEs,darkseptateendophytes)是根系非菌根共生真菌的典型代表鲫‟.,某些DSEs甚至能形成类似菌根的侵染结构,国外已经有很多综述文章对这两类真菌的生理生态功能加以评论,虽然存在相矛盾的观点,但不容置疑的是这种在植物根系普遍存在的真菌群体必然扮演着特殊的角色,如Phialocephalasp.能降解根部老化和木栓化的细胞,从而有利于减少植物体能量的耗损.需要指出的是,某些土壤习居菌如一些木霉属(Trichodermaspp.)真菌,镰刀属真菌(Fusariumspp.),也能侵染根系皮层细胞成为无毒”机会性”内生真菌,发挥着与其作为生防菌株类似的功能.可见要严格区分内生真菌和土壤真菌是有一定难度的,长期的选择进化改变了真菌的生活方式.4内生真菌-植物互作体系中的重要分子元件及调控机制当前关于豆科植物菌根共生体和根瘤共生体建立过程中的信号转导研究比较透彻,揭示出植物与微生物形成共生关系具有很大的保守性.研究证实至少有3个植物信号元件参与其中,分别是受体样激酶(DMI2),离子通道(DMI1),依赖钙调蛋白的激酶(DMI3).此外还发现其他重要功能蛋白,如植物质体蛋白和某些核孔蛋白对于真菌和细菌进人根系形成共生关系也至关重要.研究发现日本百脉根(Lotusjaponicus)中存在两种同源的质体蛋白基因(CASTOR和POLLUX)和编码一种核孑L 蛋白的基因NUP85,主要调节质体与胞液9期袁志林等:植物与内生真菌互作的生理与分子机制研究进展之间的离子流量并激活ca信号,被认为是植物与微生物形成内共生体所必需的保守元件..但至今还很少报道有关内生真菌共生体中信号分子的化学本质和维持这种互惠关系的必备元件.在拟南芥突变体Pii.2根部细胞质膜中分离到两个富含亮氨酸重复体(LRR)的蛋白质:At1g13230和A~g16590.其中Atlg13230含有一个内质网滞留信号,A~g16590是一种非依赖磷酸化的信号转导中的受体蛋白,参与识别P.indica的侵染.这两种蛋白对于P.indica发挥生理功能至关重要;但拟南芥的DMI-1突变体却未影响与P.indica的互惠关系,这可能说明植物体已经进化形成多种重要蛋白分子以此来响应不同的微生物类群.与此对应的是,在内生真菌中也存在一些关键的酶基因来执行特定的功能,这是共生体双方相互适应的结果.BarryScott研究小组长期致力于禾草内生菌与宿主的相互关系,阐述了维持这种动态平衡的分子机制,内生真菌Nox基因可以通过调控胞间合成ROS(活性氧)来控制菌丝在宿主中的生物量,从而建立互惠共生关系;Nox的突变体菌株侵染牧草能导致植物严重感病坏死,而且菌丝在组织中生长杂乱无序J.进一步的深入研究发现在E.festucae中的SakA基因编码一种MAP激酶,能调控Nox复合体的活性,一突变体导致ROS增加加;此外在禾草内生真菌中还克隆到一个编码非核糖体多肽合成酶(nonribosomalpeptidesymthetase,NPS)的基因,该基因参与合成铁载体(siderophores),同样NPS基因的突变体导致不能正常合成铁载体,也导致植物的病变坏死,表明内生真菌分泌铁载体能力的缺失改变了共生体铁离子的动态平衡(ironhomeostasis),引起转录水平的重调,最终导致其互惠性向拮抗性转化”J.5内生真菌对宿主表型的可塑性绝大多数内生真菌发挥有益生理功能是在一定条件下实现的,与宿主是诱导型互惠关系.根据内生真菌起源于病原真菌这一观点,Schulz和Boyle等提出了维持植物一内生真菌和谐共生的动态拮抗平衡假说(balanceofantagonisms),既只有内生真菌携带的毒性因子和植物的防御反应处于相平衡状态,才能建立稳定有效的共生体,任何一方的失调就能打破这种平衡关系,导致内生真菌不能成功侵染宿主或使植物感病.诸多因素能够影响内生真菌一植物互作结果,其中宿主基因型和生理状态,真菌基因型,环境因子和土壤的营养水平是最主要的因素.如上所述,Freeman等在1993就发现致病刺盘孢菌(Collectotrichumspp.)的一个单基因突变就能使其生活方式由致病性向互惠内共生性转变.后来证明这个单基因位点编码一种胞外丝氨酸蛋白酶.后来他们又发现,同一种病原菌,接种在不同植物产生的表型却不一样,有的致病,有的却表现互惠共生.特别是在水平传播内生真菌中,表现出了灵活的生活方式,在植物正常生理状态下呈现互惠共生(mutualism),而在宿主遭受逆境胁迫下有表现寄生性(parasitism);在当植物组织衰老死亡时,腐生(saprophytism)生活成为其主要方式.也许正是内生真菌所显现的表型可塑性(phenotypicplasticity)给研究带来了一定难度.6菌根真菌,内生真菌和植物三者之间的关联以上讲述的均是单一的植物一内生真菌互作,但在自然界中,植物体却能够容纳丰富的微生物类群,因此在植物个体组织中也必然存在复杂的植物一微生物,微生物一微生物之间的相互作用.利用免培(cultureindependent)环境PCR方法,提取植株健康根系总基因组DNA,通过真菌特异性引物扩增发现,根系中存在丰。
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Science (5) Nature (1) Nature Met (1) Nature (2) Nature Biotech (5) Mol Cell (1) PNAS (5) 20 papers
Application of GFP in fungal research
Isolation of transformed cells or specific cell types from populations cells (细胞分离) Quantification of gene expression of individual cells within whole organisms (定量分析基因表达) Assessment of the dispersal and biomass of organisms in complex environments, such as in animal of plant hosts, in biofilms, in fermentors, on leaf surfaces, or in soils (分析真菌的分布与生物量)
F. sambucinum hyphae
C. magna germinated conidia with germ tube and appressoria (附着胞)
B. Cinerea Conidiophores (分生孢子梗)
A. alternata hyphae and conidia (菌丝与分生孢子)
GFP在病原菌及其与 植物互作研究中的应用
李洪杰 2009年1月7日
2008年诺贝尔化学奖－GFP
Osamu Shimomura 下村修 美国Woods Hole 海洋生物学实验室 名誉退休教授 1960年日本名古屋大学 有机化学博士 首次分离出GFP 发现GFP在紫外线下 发出明亮的绿光
Martin Chalfie 马丁·沙尔菲 美国哥伦比亚大学教授 1977年美国哈佛大学 神经生物学博士
GFP expression in different structures of fungi
P. tritici-repentis (小麦褐斑病菌) 分生孢子
V. Dahliae (棉花黄萎病菌) 微菌核
分生孢子
C. sativa (麦根腐旋胞腔菌)
GFP expression in different structures of fungi
Roger Tsien 钱永键 美国加州大学 圣地亚哥分校教授 1977年英国剑桥大学 生理学博士 明确了GFP发光机制 拓展出绿色之外 的其他颜色
证明了GFP作为多种 生物学现象的发光 遗传标记的价值
Story of GFP research
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GFP expression in host plants infected with fungus
A mint root infected with GFP-labeled fungus
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