条锈菌诱导的小麦bZIP转录因子基因的克隆及表达分析

采用电子克隆和RT-PCR方法,从条锈菌诱导的小麦品种水源11的cDNA中分离到一个编码bZIP转录因子基因的cDNA序列,暂被命名为TabZIP。TabZIP包含一个完整的1 071 bp的开放阅读框,编码356个氨基酸,具有典型的bZIP保守结构域;与水稻、玉米、拟南芥等植物bZIP蛋白的氨基酸序列相似性较高;TabZIP基因在小麦根中的表达量丰富,而在茎和叶中表达量很小;在小麦与条锈菌非亲和组合中,TabZIP基因高水平表达,而在亲和组合中没有明显的变化;防卫相关激素乙烯、茉莉酸也可诱导该基因的快速上调表达,表明TabZIP可能通过乙烯、茉莉酸信号途径介导小麦对条锈病的防御反应。     

含CBS结构域的小麦TaCDCP1基因的克隆及其表达分析

利用电子克隆和RT-PCR技术,在本实验室前期构建的非亲和互作的SSH文库基础上,从条锈菌侵染的小麦水原11叶片中首次分离出一个含CBS结构域蛋白的基因,暂命名为TaCDCP1(Triticum aestivum CBS domain containing protein 1)。TaCDCP1包含一个完整的654 bp的开放阅读框,编码217个氨基酸。推测该基因拟编码的蛋白具有2个CBS保守结构域,不含跨膜区且无信号肽,定位在叶绿体基质内;经过同源比对,小麦TaCDCP1氨基酸序列与大麦、水稻和玉米等的同源序列的相似性较高;该基因表达量在小麦叶中显著高于在根和茎中;在小麦与条锈菌的非亲和、亲和组合中,TaCDCP1基因均受到条锈菌诱导,分别在接种后18 h和96 h达到表达高峰,非亲和组合表达量在侵染前期(接种后18~48 h)高于亲和组合,而在侵染后期(接种后96~120 h)低于亲和组合;外源植物激素脱落酸诱导该基因上调表达,苄基腺嘌呤,乙烯,赤霉素,茉莉酸甲酯和水杨酸处理后其表达量在不同程度上受到抑制;TaCDCP1在低温和干旱条件下表达量上升,在机械伤害和高盐处理下表达量无明显差异。表明TaCDCP1可能通过脱落酸等信号途径参与小麦对条锈菌的防御反应,同时参与低温和干旱环境下的信号转导途径。这些结果对于明确CBS结构域的功能以及CBS结构域蛋白尤其是TaCDCP1在小麦与条锈菌互作中的作用奠定了基础。     

条锈菌诱导的小麦MBF1转录辅激活因子基因的克隆及其特征分析

应用电子克隆和RT-PCR方法,从小麦叶片中分离出一个条锈菌诱导的编码MBF1基因的cDNA序列,暂被命名为TaMBF1a。TaMBF1a包含一个完整的429 bp的开放阅读框,编码142个氨基酸,具有MBF1保守结构域;小麦TaMBF1a氨基酸序列与水稻OsMBF1相似性达92%,与拟南芥AtMBF1a相似性达80%。TaMBF1a编码的蛋白可能是核蛋白,且该基因在小麦根、茎、叶组织中表达量基本一致。在小麦与条锈菌的亲和、非亲和互作中,TaMBF1a基因均受条锈菌诱导高水平表达,且非亲和组合表达量高于亲和组合。外源植物激素水杨酸、乙烯、脱落酸也可诱导该基因快速上调表达,表明TaMBF1a可能通过水杨酸、乙烯等信号途径参与小麦对条锈菌的防御反应。     

小麦TaLTP5参与小麦与条锈菌的非亲和互作反应

为明确非特异性脂质转移蛋白基因Ta LTP5在小麦抗条锈性产生过程中的作用,本研究对该基因进行了染色体定位分析,并利用实时荧光定量PCR(q RT-PCR)技术分析了其转录表达特征。研究结果显示,小麦Ta LTP5基因定位在小麦3B染色体的短臂上,位于3BS8-0.78-1.00染色体区段;Ta LTP5在小麦与条锈菌的非亲和过程前期表达量显著升高,而在亲和过程中没有明显变化;Ta LTP5的表达受到外源水杨酸(SA)、聚乙二醇(PEG)模拟的干旱和外源脱落酸(ABA)的胁迫强烈诱导,而外源茉莉酸甲酯(Me JA)、乙烯(ET)和低温在一定程度上抑制基因的表达。研究结果表明,在小麦-条锈菌非亲和互作中,Ta LTP5可能是小麦对条锈菌的抗性产生信号转导途径的正调控因子,而且参与了小麦的非生物胁迫应答过程。本研究结果对于调控植物抗性和培育抗病品种均有重要意义。     

CaM及各亚型基因参与小麦抗叶锈病反应的研究

采用实时荧光定量PCR法,对小麦抗叶锈病近等基因系TcLr15接种亲和或非亲和性叶锈菌后,CaM及其亚型的mRNA表达差异进行相对定量分析.结果表明,小麦接菌后12 h内CaM 的4个亚型基因表达量与不接菌对照相比相差不大.小麦接种非亲和叶锈菌,48,72,96 h后,CaM SF-1表达量分别比亲和组合高 24.6%,26.6%,38.8%;接种24,48 h后,CaM SF-4表达量分别高出亲和组合26.8%和28.0%;在接种后24~96 h这一过程中,CaM SF-2表达量均低于亲和组合中, 而CaM SF-3表达量与亲和组合表达量相差不大.接种非亲和叶锈菌后,在第24 h 、第 48 h小麦CaM表达量分别高于亲和组合18.1% 和 47.9% ,而在第72 h和第96 h CaM表达量又低于亲和组合.上述结果暗示,CaM可能参与了小麦抗叶锈病反应,并且具有亚型特异性.小麦中CaM SF-1和 CaM SF-4可能与小麦抗叶锈病相关,CaM SF-2可能与小麦感叶锈病相关,而CaM SF-3可能不参与小麦抗叶锈病反应.     

普通菜豆镰孢菌枯萎病抗病相关基因PvCaM1的克隆及表达分析

钙调素蛋白(calmodulin,CaM)作为植物细胞内介导多种功能的Ca²⁺结合蛋白,在调节植物的生长发育和抗病性方面具有重要作用。利用普通菜豆(Phaseolus vulgaris L.)表达序列标签(EST)克隆了含有编码普通菜豆CaM基因的cDNA序列。序列分析表明,cDNA片段长713 bp,命名为PvCaM1,具有一个453 bp的开放阅读框(ORF),GenBank登录号为JN418801,该基因编码150个氨基酸,预测蛋白质分子质量为17.16 kD。蛋白质结构分析表明,PvCaM1蛋白含有4个Ca²⁺结合结构域(EF-hand)。同源分析结果显示,PvCaM1基因与百脉根、西瓜的CaM基因亲缘关系最近,分别达到77%和76%。荧光定量PCR分析表明,PvCaM1基因受尖孢镰孢菌菜豆专化型FOP-DM01菌株诱导表达,接种病原菌96 h,抗病品种260205根中PvCaM1基因的表达量达到最高,而感病品种BRB-130达到最低,260205叶中PvCaM1基因的表达量均高于BRB-130,而且叶中的表达量高于根和茎中的表达量。PvCaM1基因表达量也受外源植物激素脱落酸、茉莉酸甲酯和乙烯利诱导上调,在根、茎、叶中均有不同程度的表达。本研究表明PvCaM1基因可能通过脱落酸、茉莉酸和乙烯等信号途径参与菜豆对FOP-DM01菌株的防御反应,推测菜豆PvCaM1基因与镰孢菌枯萎病的抗病性有一定关联。     

小G蛋白Rab2基因参与小麦抗叶锈病反应的研究

为了解叶锈菌侵染小麦后小G蛋白Rab2基因的表达情况,明确其与抗病性的关系,从分子水平上探讨小麦的抗叶锈病机制。以普通六倍体小麦近等基因系TcLr1和叶锈菌小种05-22-64①和05-8-63①为试验材料,构建小麦亲和与非亲和组合,利用实时定量PCR技术对小麦小G蛋白Rab2基因的表达情况进行检测。结果表明:在小麦叶锈菌侵染过程中,Rab2基因主要在侵染的前期表达迅速,随着时间的推移表达量有所下降。非亲和叶锈菌菌株可以诱导小G蛋白Rab2基因表达量的升高,而亲和叶锈菌菌株抑制小G蛋白Rab2基因的表达。由此表明,小G蛋白可能与寄主和病原物的亲和程度有着直接的关系。     

病原诱导的中间偃麦草ERF转录因子基因的克隆及其表达特性

应用RT-PCR、RACE技术，从病原诱导的中间偃麦草叶片cDNA中，分离出1个编码ERF基因的全长cDNA序列，该基因暂命名为TiERF1a，编码由292个氨基酸组成的蛋白质，具有ERF转录因子典型的结构，即保守的AP2/ERF DNA 结合域、核定位位点和酸性激活区。TiERF1a的氨基酸序列与一个水稻ERF蛋白OsBIERF3具有66%的同源性，与拟南芥AtERF1同源性仅39.7%，为植物ERF转录因子家族B3亚群的一个新成员。表达分析结果表明，纹枯病菌、赤霉病菌侵染可诱导TiERF1a基因的上调表达，与防卫相关的激素乙烯、茉莉酸也可诱导该基因上调表达，且TiERF1a对外源乙烯、茉莉酸的响应时期早于对纹枯病菌、赤霉病菌响应时期，说明TiERF1a可能通过乙烯、茉莉酸信号途径参与寄主调控对纹枯病菌、赤霉病菌的防御反应。     

小麦胁迫相关基因TaLEAL3的克隆及分子特性分析

第3组LEA蛋白(late embryogenesis abundant protein)介导干旱、高温、高盐等非生物胁迫响应, 关于普通小麦LEA基因的研究鲜有报道。利用噬菌体原位杂交技术, 从小麦苗期干旱胁迫条件构建的cDNA文库中筛选出LEA蛋白基因TaLEAL3, 其全长750 bp, 编码区长501 bp, 编码166个氨基酸, 含有一个明显的核定位信号区。氨基酸同源性分析发现, TaLEAL3属于第3组LEA蛋白, 序列中含有由11个氨基酸组成的3个不完全重复的基序和α-螺旋的LEA结构。电子定位结果显示, TaLEAL3基因位于4BL、4DL和5AL染色体上, 主要在茎中表达, 而在根中几乎无表达。实时荧光定量PCR分析表明, 在干旱、低温和ABA诱导下, TaLEAL3基因表达量明显增加。在该基因上游1.7 kb序列处, 预测具有启动子的核心序列和增强子序列, 及与干旱和低温等多种逆境胁迫相关的调控序列。本研究为深入分析小麦LEA蛋白基因的功能, 初步解析LEA蛋白的作用机制提供了数据。     

TaCDPK2基因在小麦与叶锈菌互作过程中的表达分析

在本实验室前期构建的非亲和互作的SSH文库基础上,从叶锈菌侵染的小麦叶片中发现在接种后8 h表现高表达量的CDPK2-EST。CDPKs即钙离子依赖蛋白激酶,是植物细胞应对各种生物和非生物胁迫过程中承接Ca2+流变化的重要因素。为进一步研究CDPK2在小麦与叶锈菌互作过程中的表达特性,采用RT-PCR和Western-Blotting技术分别在mRNA水平和蛋白质水平对小麦受叶锈菌侵染后不同亲和性组合中CDPK2的表达谱进行了检测。结果表明,小麦CDPK2基因受叶锈菌侵染诱导,不亲和组合在接种后4 h无论在mRNA水平还是蛋白质水平该基因均表现上调表达,而转录水平的表达量在接种后16 h降至对照水平;而在蛋白水平其表达量在接种16 h达到最大,之后又恢复至对照水平。亲和组合中该基因在接种后8 h在mRNA水平略有表达,在蛋白水平其表达量在接种后8 h和16 h有上调表达但其表达量低于不亲和组合,之后又趋于对照水平。这一结果表明,小麦CDPK2基因参与了小麦与叶锈菌的互作过程,并在该过程中对提高小麦抗叶锈能力有一定作用。这一结果为深入探讨小麦CDPK2基因在小麦抵抗叶锈菌侵染中的作用及作用机制奠定了基础。     

小麦条锈菌诱导性小麦cDNA文库的构建及其质量评价

小麦条锈病是由小麦条锈菌(Puccinia striiformis f.sp.tritici)侵染引起的世界性气传叶部病害之一,在我国发生尤为普遍而严重,是小麦(Triticum aestivum L.)生产上最重要病害,克隆并研究小麦抗条锈病相关基因的生物学功能具有重要的应用价值和现实意义.在本研究中用中国当前毒性最强优势条锈菌小种CY32侵染诱导的小麦抗条锈病基因Yr5近等基因品系Taichung29*6/Yr5为试材,构建非亲和条锈菌小种侵染诱导的小麦cDNA文库.研究结果表明所获得的原始文库滴度0.9x106 pfu/mL,扩增文库滴度1.0x109pfu/mL,重组率98%,插入片段在0.5 kb到3.0 kb之间,多在1.0 kb左右.因此该文库可用于基因克隆与分析,为研究小麦抗条锈病相关基因提供条件.     

川麦42中源于人工合成小麦的一个高产位点鉴定

人工合成小麦是改良现代小麦的重要基因资源。川麦42是人工合成小麦与普通小麦杂交育成的高产、抗条锈、广适小麦新品种。利用小麦全基因组的1029个SSR标记扫描,检测了川麦42遗传背景中人工合成小麦导入位点,并利用川麦42与四川小麦品种川农16构建的127个重组自交系(RIL, F₈),在4年6个环境下种植获得的农艺性状数据,分析了人工合成小麦导入位点对小麦产量和产量构成因子的遗传效应,在川麦42遗传背景中发现一个高产的人工合成小麦导入位点Barc1183。根据Barc1183分子标记,将RIL群体中的127个株系分为川麦42基因型(具人工合成小麦导入位点)和川农16基因型(具川农16位点)两组,前者的人工合成小麦导入位点能促进分蘖能力,提高有效穗数、每平方米粒数,增加收获指数、籽粒生产率,在4年6个环境下较后者平均增产达8.92%,Barc1183为一高产的人工合成小麦导入位点。利用中国春双端体和硬粒小麦Longdon的D染色体代换系验证,将其定位于小麦4D染色体长臂。川麦42遗传背景中的高产人工合成小麦导入位点Barc1183,对于进一步开展小麦高产育种研究具有重要价值。     

利用cDNA-AFLP技术分析小麦成株抗条锈性差异基因表达特征

采用cDNA-AFLP技术,对成株抗条锈小麦品种兴资9104在成株期受条锈菌生理小种CY32侵染后5 d内9个时间点的基因表达谱进行了分析。共筛选64对引物,产生32 320个转录本(TDF);用37对引物检测到2 201个(6.81%)差异TDF,其中926个TDF诱导表达,1 275个下调表达。经大规模克隆、测序分析,最终获得330个差异TDF,聚类分析得到259个EST (unigenes),命名为aTaPST1至aTaPST259 (GenBank注册号：FL645754~FL646011和FL646262)。经BLASTX比对和功能分类分析,其中96条EST(37.07%)未找到同源性匹配,68条(26.25%)与未知功能蛋白同源性较高;其余95条ESTs主要涉及能量(11.20%)、基础代谢(4.63%)、转录调控(3.86%)、抗病与防御(3.86%)、蛋白质运输和储存(3.09%)、蛋白质合成和细胞生长(各2.32%)、以及信号转导(1.54%)等。选取抗病与防御、转录调控及信号转导类等相关的6个差异基因,qRT-PCR分析结果显示其表达模式符合cDNA-AFLP表达谱。小麦成株抗条锈性分子机制涉及植物多方面生理生化反应,包括抗病与防御、转录调控、蛋白质代谢、信号转导、以及非生物胁迫等多种途径相关基因的协同控制。     

人工合成小麦CI191抗条锈病基因的鉴定及分子标记定位

抗病性鉴定结果表明,硬粒小麦-粗山羊草人工合成小麦CI191(CPI/GEDIZ/3/GOO//JO69/CRA/4/AE.SQ629),对我国曾经或现在流行的小麦条锈菌生理小种CY28、CY29、CY30、CY31、CY32和水源11致病类型4表现免疫或近免疫。基因推导结果显示,CI191对条锈菌的反应型不同于24份已知抗条锈病基因品种(系),对21个条锈菌生理小种表现抗性,对条锈病菌生理小种86107表现感病反应型(IT3)。对CI191/铭贤169杂交组合的正交、反交的F1材料以及F2代群体进行抗病鉴定与遗传分析,结果表明,CI191对条锈菌小种CY31的抗性受细胞核内的显性单基因控制。利用集群分离分析法(BSA)和简单重复序列(SSR)分子标记分析,发现7个SSR标记与YrC191连锁。构建了包含YrC191的SSR标记遗传图谱,其中Xbarc240与YrC191共分离,Xcfd65、Xbarc187、Xgwm18、Xgwm11位于Xbarc8与YrC191的同侧,与YrC191间遗传距离3.2cM,Xbarc8与YrC191间遗传距离为1.6cM,Xwmc419位于YrC191另一侧、遗传距离为3.1cM。根据SSR分子标记的遗传图谱和在中国春的缺体-四体和双端体的定位结果,将YrC191定位到小麦染色体1BS上。YrC191基因的4个SSR标记和Yr26的1个STS标记可以明显地区分YrC191与染色体1BS上的其他抗条锈病基因,如Yr24、Yr26/YrCH42、Yr10、Yr15和YrC142等。     

小麦品种贵农21抗条锈病基因的SSR标记

对贵农21携带的条锈病 (Puccinia striiformis Westend f. sp. tritic) 抗性基因进行鉴定和遗传分析,明确了贵农21携带1个抗条锈病显性单基因,暂命名为YrGn21。采用F₂代抗病分离群体和集群分离分析法(BSA),建立了与YrGn21连锁的11个微卫星标记Xcau14、Xwmc49、Xgwm403、Xgdm62、Xwmc272、Xgwm459、Xbarc240、Xbarc187、Xgdm28、Xgwm11和Xgwm413,并将YrGn21定位于小麦1BS的近着丝粒区域,与位于1BS染色体上的Yr26基因具有等位性关系,为贵农21抗条锈病基因在育种中的利用,进行标记辅助选择和基因累加提供了便利。     

小麦新种质YW243抗条锈病新基因的AFLP标记

小麦新种质YW243抗条锈病新基因对条锈菌具有较宽抗谱，对26个不同毒性谱的条锈菌菌系免疫到近免疫，与已知基因系抗病谱不同，可能为新的基因或基因组合。遗传分析表明，YW243对条锈菌条中31号小种的抗性由显性单基因YrX控制。通过BSA法对1056对MseI/EcoRI AFLP引物进行筛选，结果表明7对引物可扩增出多态性片段，通过对F2群体单株遗传连锁分析和作图软件分析，结果表明，2个AFLP 标记M54E63-700、M54E64-699与YrX连锁较紧密、遗传距离为9.27 cM，为该基因的精细作图和分子标记辅助育种打下了一定基础。