寄主诱导的基因沉默在油菜抗菌核病改良中的应用

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油菜是我国最重要的油料作物之一,具有很高的食用价值和经济价值。菌核病是油菜最主要的病害之一,对油菜生产造成重大损失。目前尚未发现对菌核病有完全抗性的种质资源,因此培育抗病品种是油菜菌核病防治的必要途径。寄主诱导的基因沉默(HIGS)是一种基于RNA干扰的技术。该技术在寄主中表达人工设计的靶向病原菌/害虫重要基因的RNAi载体,使得在寄主与病原生物互作的过程中,寄主产生的小干扰RNA(small interfering RNA,siRNA)或者双链 RNA(double-stranded RNA,dsRNA)被病原生物摄入,沉默病原生物相应基因的表达,从而降低病原生物的致病能力,使寄主获得对病原生物的抗性。为了探索HIGS技术是否可用于提高油菜对菌核病的抗性,本研究选择了核盘菌重要致病因子细胞壁降解酶和草酸合成相关基因作为靶基因开展研究,主要结果如下:1.通过转录组分析,发现核盘菌在侵染感病材料(S-line)和抗病材料(R-line)的茎秆时,核盘菌的两大致病因子(细胞壁降解酶和草酸)合成相关的基因:多聚半乳糖醛酸内切酶基因(SS1G10167,PG)、纤维二糖水解酶基因(SS1G09020,CBH)和草酰乙酸水解酶基因(SS1G08218,OAH)的表达量特别高,且随着侵染时间推移表达量一直在不断的增加,表明这3个基因在核盘菌的致病性中起到非常重要的作用。2.我们以这3个基因为靶标设计了干扰片段,并且成功合成了相应的dsRNA。在培养基中加入上述3个基因的dsRNA后培养核盘菌,发现3个dsRNA都能成功抑制核盘菌中相应基因的表达,但不影响核盘菌的生长。在本氏烟草上滴加上述3个基因的dsRNA后再接种核盘菌,同时以GFP的dsRNA作对照,发现施用了P(G、CBH和OAH 3个基因的dsRNA后,病斑大小均要显著小于施用对照GFP的dsRNA的病斑大小。3.构建相应的RNAi表达载体,转化到油菜中,获得稳定表达干扰片段的转基因油菜。通过小RNA测序发现转基因油菜中表达了大量相应的siRNA,表明这些转基因材料能成功表达相应的siRNA。分别对3个基因的RNAi干扰材料和受体材料‘J9712’进行接菌,通过比较病斑大小发现,转基因材料无论是子叶还是叶片,核盘菌侵染后的病斑大小都显著小于受体材料。选取接菌后不同时期的子叶进行显微观察,发现在转基因油菜子叶表面,核盘菌定殖效率低,侵染垫形成受到抑制且菌丝扩展也受到抑制,因此表现出转基因油菜对核盘菌侵染的抵抗能力增强。4.OAH参与核盘菌的草酸合成,将OAH-dsRNA加到液体培养基中培养核盘菌,检测核盘菌草酸积累的情况。发现与对照(GFP-dsRNA)相比加入OAH-dsRNA后,核盘菌草酸合成受到显著抑制,单位体积培养液中的草酸含量显著低于对照。同时检测了转基因材料接菌后发病部位的草酸积累情况,发现单位质量的病叶组织中的草酸含量也显著低于对照材料。综上所述,利用HIGS策略干扰核盘菌重要致病基因,可以显著抑制核盘菌的侵染,提高油菜的菌核病抗性,为油菜抗菌核病的改良提供新思路和新种质。
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