谷子内源激素对禾生指梗霉菌侵染的响应及其调控作用研究

来源 :山西农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ebear2009
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谷子白发病是由禾生指梗霉(Sclerospora graminicola(Sacc.)Schroeter)引起的一类重要的卵菌病害,受侵染谷子在其不同生育期会表现出“芽腐”“灰背”及“刺猬头”等多种症状。其中,S.graminicola侵染生长锥突起期花序会使谷穗发育分化受阻,形成“丛叶”症状;在雌雄蕊分化期侵染到花序,会导致“刺猬头”症状的产生。本研究以易感品种晋谷21为研究对象,通过对受侵染病穗的形态观测、转录组分析、激素含量测定,探索病穗形成过中激素的调控作用,并利用WGCNA分析筛选与激素相关的关键模块和Hub基因,研究谷子内源激素对禾生指梗霉菌侵染的响应及其调控作用,其主要结果如下:1.田间调查发现,受S.graminicola侵染谷子植株表现出节间缩短、株高矮化症状,成熟期病株平均株高为88.97 cm,显著低于健康株高的179.03 cm,其中受侵染植株的第15茎节长度仅为34.2 mm,与健康植株99.9 mm存在显著差异。借助RNA-seq分析了谷子响应S.graminicola侵染的花序发育相关的基因表达差异,结果表明:受S.graminicola侵染谷子在生长锥突起期至雌雄蕊分化期(S1-S5),穗部发育相关基因的表达受到病菌调控,在枝梗分化期(S3),调控抽穗的相关基因多数下调表达,其中编码抽穗和株型调节的关键基因Si7g23270下调5.93倍,在小穗和刚毛分化期(S4),控制小穗和穗异常的基因Si6g05700上调1.56倍,调控穗颈节间缩短的基因Si5g08600上调6.11倍;MADS-box家族基因在穗型分化和产量具有重要的调节作用,对筛选到的17个花序发育ABCDE类MADS-box基因表达分析表明,受侵染谷穗的B类、E类和AGL6基因均显著下调表达,其中在雌雄蕊分化期(S5),B类基因Si5g40400(AT5G20240)下调4.37倍,E类基因Si9g47800(AT2G03710)下调16.50倍,表明,S.graminicola侵染调控了MADS-box基因的表达。2.借助RNA-seq技术,分析了S.graminicola在S1-S5侵染过程中的基因表达差异。分析表明,在S1-S5时期,共筛选到与卵孢子转录本差异表达的基因3,702个。5个时期的差异表达基因分别在蛋白质合成相关的核糖体、翻译、蛋白质折叠、蛋白质转运、蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶活性等GO通路上显著富集,KEGG也显著富集到内质网中的蛋白质加工、核糖体、蛋白酶体、泛素介导的蛋白水解等与蛋白质合成相关的途径。5个时期的差异基因表达模式可分为6大类,其中Cluster3在S4-S5时期高表达,GO富集发现除了富集到与蛋白质合成相关的通路上,还富集到泛素-依赖的蛋白质分解、泛素-蛋白转移酶活性、蛋白质泛素化等泛素化通路上。3.采用LC-MS/MS技术对S1-S5时期的谷穗激素含量检测结果表明,受S.graminicola侵染的谷子穗组织中水杨酸、独脚金内酯、茉莉酸、赤霉素和乙烯含量整体趋势高于健康植株,与转录组中相关基因的TPM表达量关联分析发现,调控激素生物合成的相关酶编码基因上调表达,其中水杨酸含量差异性最明显,在S5时期处理组(Sacc)穗部SAG含量可到达2,070 ng/g,比对照组(Mock)穗部SAG的含量994ng/g高208.2%,调控关键合成酶PAL的Si1g24740基因表达量为47.12,是对照组5.72的8.23倍。同时对受侵染植株穗柄、穗下节和发育节中的赤霉素含量进行了测定,赤霉素含量均呈升高趋势,其中在穗下节处显著升高,GA3在穗下节处含量为0.86 ng/g是对照组0.17 ng/g的5.05倍。4.将RNA-seq测定的基因表达矩阵与IAA、ABA、GA3、SL、ACC、SA和JA含量进行关联分析,构建加权基因共表达网络,共得到15个基因共表达模块,其中turquoise模块基因数目最多,包含6,393个基因,cyan模块基因数目最少,包含247个基因。关联到6个特异性模块与植物激素显著相关,对特异性模块KEGG富集分析发现,富集到色氨酸代谢、玉米素生物合成、油菜素内酯生物合成、类胡萝卜生物合成等与激素生物合成相关的途径,其中玉米素生物合成通路显著富集。使用Cytoscape2.0将6个特异性模块进行共表达网络可视化,筛选到网络中心权重值较高基因作为核心基因,与水稻、拟南芥进行同源比对,在水稻数据库与拟南芥数据库中注释到1-氨基-环丙烷-1-羧酸氧化酶(Si2g23840)、赤霉素受体GID(Si3g04620)等Hub基因参与激素生物合成的功能。
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