Methods for Isolating Mitochondria from Tomato Gray Mold Pathogen

Methods for Isolating Mitochondria from Tomato Gray Mold Pathogen

灰霉病（gray mold）是番茄生产中一种重要的气传病害，其病原为灰葡萄孢属（Botrytis cinerea）真菌，寄主范围广，再侵染频繁，为害严重。化学防治仍是目前生产中防控该病害的主要手段，其中以甲氧基丙烯酸酯类杀菌剂为代表的呼吸作用抑制剂近年来在灰霉病防治实践中显现出了良好的防效，而线粒体作为真核细胞呼吸作用的主要场所，在线粒体上合成的ATP提供了细胞生命活动所需的大部分能量。为此，进行高纯度线粒体的分离对于开展呼吸抑制剂类杀菌剂的作用机制研究[1～5]具有十分重要的意义。至今，从病原真菌中分离获得高纯度线粒体的方法尚不成熟，国内外一般采用从动物或高等植物中分离得到的线粒体作为替代品来进行研究。

本研究拟借鉴相关研究[6～7]方法，采用机械破壁及差速离心的方法从番茄灰霉病菌中分离获得线粒体，并对其进行呼吸测定，以确证获得的线粒体是否具备完整的结构和功能。现将研究结果报道如下。

1 材料与方法

1.1 供试材料和仪器

1.1.1 番茄灰霉病菌（B.cinerea）菌株NJ-9，由中国农业大学植物病理学系种子病理学和杀菌剂药理学实验室提供。

1.1.2 供试药剂 α-酮戊二酸，NADHNa2（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸二钠盐）为Roche公司产品，ADPNa2（5′-腺苷二磷酸二钠盐）为Sigma公司产品。线粒体分离液的配制[9]：0.5mol/L 蔗糖，5mmol/L半胱氨酸，1mmol/L 乙二胺四乙酸二钠盐，0.3%（w/v）牛血清白蛋白Ⅴ组分，0.1mol/L（pH值7.4）磷酸盐缓冲液；线粒体保持液（洗液）的配制[9]：0.5mol/L 蔗糖，1mmol/L 乙二胺四乙酸二钠盐，0.3%（w/v）牛血清白蛋白Ⅴ组分，0.1mol/L（pH 7.4）的磷酸盐缓冲液；线粒体呼吸测定的反应液[9]：0.5mol/L 蔗糖，10mmol/L KCl，5mmol/L MgCl2，1mmol/L 乙二胺四乙酸二钠盐，0.1%（w/v）牛血清白蛋白Ⅴ组分，0.01mol/L（pH 7.2）的磷酸盐缓冲液。

1.1.3 菌体的培养 将浓度为8×106个/ml的孢子悬浮液接种到1L的复合盐液体培养基（SSY）[9]（10g可溶性淀粉，2g KH2PO4，1.5g K2HPO4，0.5g MgSO·7H2O4，1g（NH4）2SO4，2g 酵母粉，1L去离子水，pH 6.2）中，置于23℃，150rpm条件下摇培24h。

1.1.4 供试仪器 Oxytherm氧电极（Hansatech Instruments Ltd.），DHZ-D冷冻恒温振荡器（江苏太仓实验设备厂），高速低温离心机（Beckman Coulter AvantiR J-E）。

1.2 研究方法

1.2.1 灰霉病菌孢子的获得 将菌株NJ-9接种至MEA（麦芽糖20g，酵母粉5g，琼脂粉14g，1L去离子水）培养基上，25℃下黑暗培养5～7 天后，放置于日光灯和长波长紫外灯（黑光灯）下，12h轮流交替照射7～14天，产生大量的分生孢子，备用[8]。

1.2.2 线粒体的分离 通过真空抽滤的方法收集幼嫩菌丝，依次用4℃的去离子水冲洗两次，再用线粒体分离液冲洗。随后各操作中所用的器材必须在4℃下经过预冷处理，操作过程均需在0～4℃下进行。将用线粒体分离液预洗得到的菌丝悬浮在3倍体积的分离液中，分别采用以下两种方式进行破碎细胞壁：（1）杵状玻璃匀浆器法：每30～40g菌丝用100ml的分离液悬浮，用杵摩擦20次左右，混合到匀浆物均一、平滑即可。每次时间不要超过2～3min，整个样品处理的时间不要超过30min。立即将得到的匀浆物倒入50ml的离心管中，于2000g离心25min，取上清液于7000g转速下离心20min后取上清液于12000g再次离心15min，最后小心弃去上清，沉淀即为分离到的线粒体，外观为浅黄色胶状物。将线粒体悬浮在200μl的线粒体保持液中，置于冰上备用，放置时间不能超过3～4h，避免线粒体的降解。（2）高速组织匀浆器法：采用高速组织匀浆机（恒定功率220W），破碎菌丝，每次破碎时间15s，破碎3次，中间的隔1min（防止匀将机刀口发热影响线粒体的分离，将匀浆物用双层预冷的湿纱布快速过滤，过滤的时间不要超过30s，立即将匀浆物倒入50ml的离心管中，于1200g下离心20min；取上清于6000g离心20min后再取上清于12000g离心15min，小心弃去上清，沉淀即为分离到的线粒体。

1.2.3 氧消耗量的测定 采用极谱法在25℃条件下使用Oxytherm氧电极进行测定，标准反应液2ml，加入线粒体50μl（蛋白质的含量大约为0.3mg），反应液中氧饱和的最大浓度是226μmol/L，所有的底物都溶解到反应液中，依据Estabrook[10]的方法计算RCR和P/O值。

2 结果与分析

2.1 不同机械力对番茄灰霉病菌破壁的效果

提取过程保持0～4℃低温条件下，杵状玻璃匀浆、高速组织匀浆两种破壁方法均可从番茄灰霉病菌幼嫩的菌丝中分离得到紧密偶联的线粒体。全玻璃杵状匀浆器手工破壁操作耗费人力，需要的菌丝量较少，从10g到几十克湿重菌丝都能分离到完整的线粒体。通常60～80g湿重菌丝即可以分离得到满足试验需要的线粒体。高速匀浆器省力快速，但是在匀浆器高速转动时易产热可导致分离物的降解，操作过程中持续时间不能过长，必要时应使用循环冷却水降温或置于低温环境下操作；同时该法需要的菌丝量也较多，以50g 以上的湿重菌丝为宜，菌丝量少时容易在破碎过程中使线粒体结构受到破坏，从而影响提取效果。

2.2 番茄灰霉病菌线粒体的基本呼吸特性

番茄灰霉病菌线粒体的底物利用，呼吸控制率和磷氧值测定结果见表1。当以外源的NADH和α-酮戊二酸作底物被氧化时，状态3（在线粒体中加入底物及ADP后测定的线粒体呼吸速率）的呼吸数率明显增加，反映了在ADP刺激下线粒体功能增强的程度；两种底物的呼吸控制率（RCR）值都在3.1～3.3之间，高的呼吸控制率值表明线粒体中电子传递与氧化磷酸化紧密偶联；加入NADH做外源的呼吸底物时，磷氧比值（P/O）是1.3～1.7，表明有2个氧化磷酸化位点，即ATP生成有两个部位；α-酮戊二酸的磷氧比值（P/O）是2.2～2.5，表明有3个氧化磷酸化位点，即ATP生成有3个部位。图1表示两种破壁方法获得线粒体在外援NADH电子供体下呼吸特征图。以上研究结果表明分离的高纯度线粒体具有在活细胞中对等的生物功能，可作为线粒体生物学研究的适宜材料。

MethodsofdisruptionSubstratesState3respirationrates(nmolO2/min)(mgprotein)Respiratorycontrolrations(RCR)ADP/OrationsAll-glassNADH90.16±203.8±0.11.7±0.2Potter-Elvehjemhomogenizerα-ketoglutarate175.43±453.3±0.62.2±0.1AwaringNADH118.96±303.5±0.71.3±0.1blendorα-ketoglutarate198.17±653.1±0.52.5±0.2

Table 1 Respiration properties of mitochondrial isolated from mycelia of Botrytis cinereaa

Figure 1 oxidation of NADH and α-ketoglutarate by mitochondrial isolated from mycelial of B.cinerea, Concentration of substrates were 10mmol/L α-ketoglutarate,2mmol/L NADHNa2, the ADP concentration was 200μmol/L and reaction were carried with 0.2~0.4mg mitochondrial protein

3 结论与讨论

本研究获得以下结论：（1）采用杵状玻璃匀浆器和高速组织匀浆机两种机械力可以有效破碎番茄灰霉病菌的细胞壁，借助梯度离心可以实现番茄灰霉病菌线粒体的有效分离；（2）使用本方法获得的番茄灰霉病菌线粒体结构完整、功能齐备，具有在活细胞中对等的生物功能，可作为线粒体生物学研究的适宜材料。（3）B.cinerea在培养液中生长很缓慢，选取生长代谢最旺盛的菌丝，有利于线粒体的分离。

目前常用的破碎细胞方法包括传统的机械法（如匀浆、研磨、压榨、研磨、超声等）和非机械法（包括酶溶、冻融、化学等），都有其适用范围和优缺点，选择的原则是该方法不影响目标蛋白和产物的结构和功能。本文除采用上述两种机械破壁方法外，也曾尝试过超声波破壁方法以及采用蜗牛酶和纤维素酶进行酶解处理以获得原生质体的方法，但均没有获得理想的结果，推测可能与真菌细胞壁较厚，或使用的降解酶的降解特点有关。

有关线粒体生物学和呼吸动力学的研究报道[9]表明，RCR 比ADP/O比值更能反映线粒体功能的完整性和氧化磷酸化的效率，ADP/O值是指线粒体每吸收一克原子氧的同时，生成ATP 的克分子数的比值，它反映线粒体的能量转化效率。RCR是表征线粒体结构、功能完整性及氧化磷酸化效率的指标。本文研究表明外源的NADH仅有2个氧化磷酸化位点，即只能生成2个ATP，然而，有文献报道[11]灰霉病菌的线粒体在氧化NADH的电子传递链中有3个磷酸化位点。因此，需要进一步研究不同的呼吸抑制剂和氧化磷酸化抑制剂在灰霉菌线粒体的电子传递链的各种抑制效果。