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客户文献解读| if=7.7, 组学揭秘氧化石墨烯暗藏的抗菌机制
文章来源:genecreate
作者:genecreate
发布时间:2020-06-01 17:00
热烈祝贺河北科技师范学院 陈教授及其团队研究成果荣登environmental science nano(if=7.7,中科院1区)
题目:metabonomics-assisted label-free quantitative proteomic and transcriptomic analysis reveals novel insights into the antifungal effect of graphene oxide for controlling fusarium graminearum
期刊:environmental science nano
影响因子:7.7
合作技术:label-free
研究背景
真菌病原体禾谷镰刀菌(fusarium graminearum,fg)是镰刀菌枯萎病( fusarium head blight,fhb)的病原体,镰刀菌是一种影响小麦和其他谷物(例如玉米)生产的全球性严重植物病。fg不仅造成作物产量和品质的重大损失,而且还会产生霉菌毒素,几乎破坏了受感染田间生产的所有谷物。传统上,最有效的方法是使用杀真菌剂(如多菌灵)进行化学控制,但是,农业中长期过度使用化学药品已经引起了许多严重的问题,包括增加的真菌抗性,化学残留物以及对环境和健康的危害。真菌对某些传统杀真菌剂产生的抗性使控制真菌的生长更加困难,鉴于当前控制措施的局限性以及fhb 对重要经济作物的严重影响,开发有效控制这些疾病的替代剂已迫在眉睫。
氧化石墨烯(graphene oxide,go)作为一种新型的抗植物病原体的抗菌剂开始被研究,并且被认为在农业科学中具有巨大的发展前景。之前已有文章对go的抗菌作用进行了研究,然而对于go的抗真菌模式仍然未知。
为了探究go的抗菌机制,作者利用转录组,蛋白质组学和代谢组学技术,系统地研究了go对重要的植物病原真菌禾谷镰孢(fg)菌株ph-1的抗真菌活性,探讨其抗菌机制,以便更好的利用g0服务农业生产和改善环境。
实验思路
![](/uploads/image/ua191122/3-191122155446263.png)
实验结果
1. go处理可以减少fg菌株ph-1的分支和生物量
用go处理fg菌株ph-1,通过对菌丝分支和生物量的统计,发现随着go浓度的增加,菌丝分支和菌丝体生物量都有明显的减少,说明go影响菌株的生长和发育。
![菌丝分支](/uploads/image/ua191122/3-191122155553418.png)
图1 菌丝分支/生物量随go浓度变化
2. 菌丝体在go处理后丧失了细胞膜结构的完整性
作者利用sem和tem观察菌丝体对go处理的超微结构变化。根据sem图像观察到对照中的菌丝体保持了其膜结构的完整性,大多数菌丝体在go处理后丧失了其细胞完整性,并变得伸长或扁平化。同时tem图像显示,go处理后,菌丝体细胞壁的电子密度降低,细胞壁分层不明显。此外,go处理的菌丝体细胞中有更多的大隔室;还可以看出go处理后菌丝中存在许多液泡,并且可以观察到膜融合的现象,这可能是由于go处理引起的细胞膜通透性的变化。先前的研究表明,由于石墨烯与脂质分子之间的强相互作用,go可以从大肠杆菌膜中破坏性提取磷脂。由此,可以推测go可以帮助从菌丝体中破坏性提取磷脂并影响膜通透性,从而导致胞质外渗,继而在处理过的菌丝中形成较大的隔室。
![sem 与tem 图像](/uploads/image/ua191122/3-191122155611249.png)
图2 go处理后的sem 与tem 图像信息
3. 定量rt-pcr揭示go浓度对菌株的影响
作者进一步检测了与菌丝体发育和分支相关的几个基因的表达水平,并且进行应激相关基因的表达检测。通过改变go浓度,检测了septins,pods,map激酶和myo2等与菌丝体的发育和分支密切相关的基因,发现随着go浓度的升高,这些基因的表达量明显降低;与应激相关的基因uspa1,uspa2和sim表达量随浓度的升高有明显的升高;抑制细胞增殖的基因ras2,随着go浓度增加表达量也逐步增加。诸如此类,这些基因表达量的变化均表明go处理能降低菌株细胞活力,减少菌株菌丝体的分支和生物量。
![rt-pcr检测](/uploads/image/ua191122/3-191122155632d5.png)
图3 rt-pcr检测相关基因表达
4. 蛋白质组学要说的故事
a)通过label-free无标记定量蛋白质组学,作者发现不同go浓度处理,从根本上改变了菌株的基因本体条目,使菌株体蛋白表达水平发生了大的变化。其中,与细胞、代谢过程、细胞结构相关、催化活性、细胞过程等相关的蛋白质,以及应激蛋白和膜封闭蛋白的变化较为明显。
b)通过对差异蛋白的分析聚类,作者发现这些蛋白质主要参与能量、糖、氨基酸和n-聚糖的生物合成、脂肪酸代谢等途径。这些结果表明go处理影响离子通道以及核苷酸和脂质代谢蛋白,这与菌丝体脱水,dna和rna含量降低以及细胞壁合成密切相关。这一发现与表型结果一致。
c)此外,作者进一步分析这些差异蛋白,发现部分差异蛋白的变化对维持菌株的生命活性起着重要的作用。即为了在不同浓度的go处理下存活,fg菌株ph-1可能会降低蛋白质表达以及某些不必要的生理和生化反应,这一现象值得进一步研究。
d)差异蛋白 kegg富集分析结果表明,go处理导致fg菌株ph-1中与组氨酸代谢有关的蛋白质蓄积,这可能是go在fg菌株ph-1上的抗真菌反应之一,而对组织特异性模块中蛋白质的cog分析表明,参与脂质合成的蛋白质减少可能是go对fg菌株ph-1的另一种抗真菌反应。
![蛋白质组学](/uploads/image/ua191122/3-191122155j5927.png)
图4 对照组与go处理菌株fg株ph-1的蛋白质组学比较分析
![蛋白表达层次](/uploads/image/ua191122/3-191122155rk05.png)
图5 不同浓度氧化石墨烯处理的fg株ph-1蛋白表达层次聚类分析
![cog分析](/uploads/image/ua191122/3-191122155u2160.png)
图6 cog分析
5. 代谢组学分析
最后作者从代谢组学分析结果中发现,go处理后海藻糖含量增加,而海藻糖被认为是真菌的主要碳源,并且是发芽初期真菌中的重要抗应激物质,表明海藻糖可当作禾谷镰刀菌响应go处理的一种生物标志物。go处理后组氨酸的含量增加,也表明fg遭受go诱导的应激。此外,作为真菌细胞壁的重要成分,脂质在go处理后含量显着下降。这可能会导致细胞壁成分减少,从而导致细胞壁不健康。 这与作者的sem和tem观察结果一致。
![代谢组学](/uploads/image/ua191122/3-191122155914o2.png)
![代谢组学](/uploads/image/ua191122/3-19112215592g33.png)
图7代谢组学分析
小结
在这项工作中,作者研究了go在基因、蛋白质组和代谢水平三个层面上抑制fg菌株ph-1的生长和分支的分子抗真菌机制。在基因水平上,基因的异常表达会抑制菌丝体的分支和成熟,从而降低菌丝体的生物量;在代谢水平上, go处理能引起代谢途径和组氨酸代谢的富集,推测组氨酸代谢可能是go在蛋白质水平上的抗真菌反应之一,是应激反应的生物标志物;在蛋白水平上,参与细胞壁合成的脂质蛋白的数量在蛋白质水平上降低,影响菌丝体细胞壁合成。通过本次工作,作者提出go对fg菌株ph-1的抗真菌活性可能是由于该菌株在转录、蛋白质和代谢水平上与go的协同反应,并且这种潜在的抗真菌机制也可能通过使用go来有效控制其他真菌。未来的研究可以在生物测定中加入其他重要的植物病原菌,扩大氧化石墨烯的抗真菌活性谱。此外,将现有的杀菌剂与氧化石墨烯相结合,研制出具有不同作用模式的新型氧化石墨烯杀菌剂,这可能是控制作物中植物病原体的另一种有效途径。
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