基于RNA-seq筛选森林草莓抗白粉病NBS-LRR基因及其功能验证

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草莓白粉病(Sphaerotheca macularis(S.humuli))是一种常发性、普发性的真菌性病害。近年来,草莓白粉病在生产过程中发生严重,且有逐年加重的趋势。保护地草莓白粉病发生严重时,病叶率在45%以上,病果率在50%以上,一般减产20-30%,严重影响草莓产量、品质和经济效益。目前对于草莓白粉病的防治方法主要是药剂防治,但基本上70%以上的化学药剂在施用后都会在草莓上有残留,会对人体造成伤害,所以挖掘抗病基因并培育抗病品种变得至关重要。草莓(Fragaria ananassa)是蔷薇科(Rosaceae)草莓属(Fragaria)的草本植物,有“水果皇后”之美誉。由于八倍体草莓的高杂合性和多倍性等特点,给其育种工作带来一系列难以解决的问题,如培育周期长等。然而,二倍体森林草莓是一种极好的试验材料,基因组小且生命周期短。此外,森林草莓和八倍体栽培草莓具有大量的序列相似性与片段共线性,研究森林草莓可为揭示栽培草莓的抗病机理提供依据。植物NBS-LRR基因是植物抗病基因家族中数量最多的一类。NBS-LRR(nucleotide binding site plus leucine-rich repeat),为核苷酸结合位点和富亮氨酸重复的胞内受体蛋白。一些植物NBS-LRR蛋白能直接结合病原蛋白,另一些植物NBS-LRR蛋白能间接感受病原毒性蛋白。NBS-LRR基因的克隆是深入了解植物抗病机制和利用基因工程进行抗病育种的基础,对于植物抗病研究具有重要的指导意义。本研究通过对白粉病菌侵染后的2个森林草莓生态型(Hawaii 4,HW和Yellow Wonder 5AF7,YW)的RNA-seq数据进行分析,包括基因编码蛋白结构域、KEGG富集通路、GO分析、表达模式、共表达网络等分析,筛选得到3个差异表达的NBS-LRR基因作为候选抗白粉病基因。同时,对这三个基因进行克隆及过表达载体的构建,最后通过遗传转化手段将过表达载体导入烟草(Nicotiana tabacum L.)中,并进行烟草抗白粉病的功能验证。主要结果如下:1.本文通过对白粉病菌侵染后的2个森林草莓生态型(Hawaii 4,HW和Yellow Wonder 5AF7,YW)的RNA-seq数据进行分析,我们在HW和YW中分别鉴定出2310和1681个差异表达基因(DEGs),并且与高感生态型YW相比,中感生态型HW中差异表达基因数目较多,基因的表达水平也更高。2.HW和YW中的差异表达基因分别含有935和728种结构域,其中许多高频出现的结构域与非生物/生物胁迫反应有关。此外,两个生态型中的差异表达基因都具有16种表达模式,其中4个表达模式中的基因在“植物-病原互作”(Plant-pathogen interaction)途径中显著富集。我们通过对两个生态型中差异表达NBS-LRR基因的共表达网络进行分析,筛选得到3个白粉病候选抗病NBS-LRR基因(mrna13687、mrna15044和mrna24119),并且这三个基因的表达水平都显著上调。3.我们对上述3个差异表达NBS-LRR基因进行了过表达重组载体的构建,并利用根癌农杆菌介导法将重组载体转化到烟草(NicotianatabacumL.)中,获得转基因烟草株系共90个,其中mrna13687过表达株系14个,mrna15044过表达株系33个,mrna24119过表达株系43个。4.通过白粉病菌(Erysiphe cichoracearum)的接种试验发现,未转基因烟草叶片发病严重,发病面积指数达到94.54%,部分叶片出现灰褐色斑点,并且叶片失绿,白色丝状物布满叶片表面。而对于转基因烟草来说:转mrna24119过表达重组载体的转基因烟草植株发病面积指数达到78.53%,低于对照组;转mrna13687过表达重组载体的转基因烟草植株叶片部分发病,发病面积指数为30.46%;转mrna15044过表达重组载体的转基因烟草植株发病较轻,发病面积指数仅18.9%,明显低于对照组。因此,mrna13687和mrna15044可作为候选基因进一步进行草莓转基因方面的试验。
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