抗病基因在野生马铃薯种中的多态性和进化

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马铃薯是有巨大的次生基因资源的作物,资源中有很多重要的性状能用于马铃薯育种。晚疫病是马铃薯种植区最大的问题之一,在北欧和西欧国家,马铃薯生长中使用大量的药物,因此,抗病育种是马铃薯育种的重点。该论文用核苷酸结合位点图谱研究了茄属的系统发育和抗病基因标记的发掘,这些标记有可能被育种公司应用。论文还利用很多茄种资源详细研究了两个晚疫病抗病基因Rpi-bib1和Rpi-blb2的多态性和进化。第二章利用100多份基因库资源47个种,评估了核苷酸结合位点图谱在系统发育重建的可能性。比较分支系统和表型分析结果,核苷酸结合位点图谱和扩增片断长度多态性图谱产生相似的系统发育树,表明核苷酸结合位点图谱能够用于系统发育重建。核苷酸结合位点图谱系统发育树不能明显区分出抗病基因资源和非抗病基因资源。马铃薯种的共分离片断序列分析表明,91%的共分离片断同源性在95%以上,说明核苷酸结合位点图谱非同源相似程度低(第三章)。以过去七八十年中456个欧洲马铃薯品种为材料,第三章报告了抗病基因位点遗传多态性的变化。遗传多态性轻微增加,这在很大程度上是因为野生的马铃薯种被用于了马铃薯的育种。通过结合核苷酸结合位点图谱标记和品种的系谱及表型分析发现了几个候选抗性基因标记。由于核苷酸结合位点图谱的低非同源相似程度,这些标记也被用于马铃薯种和品种之间的比较,其中,这些马铃薯种贡献了抗病基因标记给马铃薯品种。一个标记有可能来自种Solanum vernei,因为此标记既存在于S.vernei资源中,也存在于系谱中有s.vernei的马铃薯品种中。此标记的存在也与品种的表型数据相关。第四章描述了两个晚疫病抗病基因Rpi-blb1 and Rpi.blb2的等位基因发掘。这两个抗病基因起源于S.bulbocastanum种。通过判断Rpi-blb1侧翼区RGA1-blb and RGA3-blb的存在与否,第四章还分析了Rpi-blb1基因家族的结构。RGA1-bib序列高度同源,不仅存在于所有研究的结薯马铃薯种中而且还存在于非结薯马铃薯种S.etuberosum,S.fernandezianum和S.palustre,这些表明RGA1-blb在结薯马铃薯种和非结薯马铃薯种的分化之前就已经存在。相对而言,RGA3-blb的位点发生频率较低。在两个种S.bulbocastanum和Solanum stoloniferum中发现了高度同源的Rpi-bib1(>99.5%)。Solanum stoloniferum是属于分类单元series Longipedicellata中的一个四倍体种。在几个以含有Rpi-bib1同源类似物抗病植株为亲本的F1群体中发现了几个显性抗病基因Rpi-stol,Rpi-plt1,Rpi-pta1 and Rpi-pta2。另外,与Rpi-blb1相同,Rpi-sto1和Rpi-plt1也位于8号染色体。我们认为,以上四个基因和来自于S.bulbocastanum的Rpi-bib1有共同的祖先。分离数据也表明,在三个分离群体中各含有另外一个未知的晚疫病抗病基因。和Rpi-bib1不同的是,在所有研究的材料中都没有发现Rpi-blb2等位基因。第五章分析了Rpi-blb1和Rpi-blb2在种S.bulbocastan和近缘种S.cardiophyllum的发生频率和多态性。在24份墨西哥资源中发现了高度保守的Rpi-bib1等位基因,在来自危地马拉的资源中没有发现Rpi-blb1等位基因。随机选取Rpi-bib1等位基因,序列分析识别到了19个单元型,Rpi-blb1属于进化慢的Ⅱ型抗病基因(第四章和第五章)。所有推定的感病Rpi-bib1序列均相同,意味着单个突变事件产生了这个感病位点。只是在8份S.bulbocastanum资源中发现了Rpi-blb2等位基因,并且所有的Rpi-bib2等位基因具有相同的序列。所有这些表明Rpi-blb2进化发生在不久以前(第四章和第五章)。第五章在系统发育和进化的基础上讨论了论文的研究结果。基因Rpi-bib1最先在种S.bulbocastanum中被发现和克隆,这个种不能直接用于与栽培马铃薯的杂交。论文的研究结果表明,有功能的Rpi-bib1等位基因也存在于能与栽培马铃薯直接杂交的种S.stoloniferum中。因此,相对于来源于S.bulbocastanum的Rpi-blb1抗病基因,来源于S.stoloniferum的Rpi-blb1等位抗病基因Rpi-stol能够较为容易转入栽培马铃薯中。我们预测在其他的原生种中其它抗病基因也有可能有类似情况,即:抗病基因同源类似物存在于相对较为高级的种中,而这些种又能比较容易的应用于育种。因此,在开始一个不能直接用于杂交育种的马铃薯种的育种项目时,研究该抗病基因在其他可直接用于杂交育种的种有可能加速育种进程,节省时间并降低费用。
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