红光诱导CmPIFs调控甜瓜抗白粉病的作用机制探讨

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薄皮甜瓜(Cucumis melo var.makuwa Makino)俗称“香瓜”,因其适应性较强、经济效益可观,被广泛栽植于我国大部分地区,尤其我国东北和华北地区是薄皮甜瓜的优势产区。白粉病是甜瓜设施栽培中最普遍发生的真菌性病害,可严重危害植株健康,导致果实品质变劣和大幅减产。光敏色素互作因子(Phytochrome interacting factors,PIFs)能够整合光、温等环境信号以及植物体内各种激素信号,调控植物生长发育和介导植物抵御逆境胁迫。本研究从全基因组水平对甜瓜PIFs基因家族成员进行鉴定,利用生物信息学技术对PIFs成员的基因结构、保守结构域和分子特性等进行分析。利用实时荧光定量PCR技术(Quantitative real-time PCR,q PT-PCR)测定CmPIFs在红光诱导(Red light,RL)、白粉病胁迫(Powdery mildew,PM)、红光诱导后接种白粉病菌处理(RL+PM)下的表达模式。通过病毒诱导基因沉默(Virus-induced gene silencing,VIGS)技术对其在响应白粉病胁迫中的功能进行初步解析。主要研究结果如下:1.运用同源比对的方法,从甜瓜全基因组中鉴定出4个PIFs基因家族成员,依次命名为CmPIF1、CmPIF3、CmPIF4和CmPIF8。染色体定位分析推测4个成员分别定位在4号、5号、7号和11号染色体上。成员间基因序列长度分别为3903 bp~11550 bp;蛋白质分子量分别为52.5~74.6 k Da;蛋白质等电点分别为5.96~6.84。2.红光诱导显著降低染病叶片内的死细胞数量和O2·-含量,减小叶片上的白粉病斑面积,最终使发病率显著降低。利用酶联免疫法(Enzyme-linked immunoassay,ELISA)测定染病叶片内的茉莉酸(Jasmonic acid,JA)含量,发现植株受白粉病菌侵染后体内JA迅速积累,于处理后5d达到最高水平,且RL+PM处理使染病叶片内JA含量显著高于PM处理。因此,红光可能通过促进植物体内JA积累,提高薄皮甜瓜对白粉病的抗性。3.CmPIFs基因家族成员均响应红光诱导,CmPIF1和CmPIF3显著上调表达,CmPIF8显著下调表达。PM处理后染病叶片内CmPIF1、CmPIF3和CmPIF4显著上调表达,而CmPIF8显著下调表达,于处理后的第5和7d(即叶片上有明显的白色病斑出现时)达到最大。RL+PM处理后CmPIFs表达量的变化趋势与PM处理相似,但基因表达水平均低于PM处理,且CmPIF3和CmPIF8差异最明显。4.对薄皮甜瓜瞬时沉默植株(TRV:CmPIFs)和非转基因植株(TRV:00)进行RL+PM处理,发现TRV:CmPIF3植株叶片上的白粉病斑面积最小,发病程度、病情指数、死细胞数量及O2·-含量均最低,且染病叶片内的JA激素水平显著高于对照。因此,推测CmPIF3沉默可有效降低植株对白粉病的敏感性,减轻病害发生,在薄皮甜瓜抗白粉病中发挥重要作用。此外,通过酵母单杂交试验验证CmPIF3与CmLOX13可能存在互作,表明CmPIF3可能通过与CmLOX13的相互作用调控CmLOX13转录水平,从而影响植物体内JA积累,介导甜瓜对白粉病胁迫做出反应。综上,甜瓜基因组中鉴定出CmPIF1、CmPIF3、CmPIF4和CmPIF8共4个基因家族成员;红光诱导可提高薄皮甜瓜对白粉病菌的抗性,CmPIF3在此途径中发挥负调控作用;CmPIF3可能与CmLOX13互作而影响植物体内JA水平,调控薄皮甜瓜对白粉病的抗性。
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