叶锈菌侵染诱导产生的小麦Wrab17蛋白的原核表达、纯化及其抗体制备

叶锈菌(Puccinia triticina)引起的小麦叶锈病是影响世界小麦生产的重要病害之一。研究小麦抗叶锈相关防卫蛋白的表达,对于深入研究小麦对叶锈菌的抗病机制,更好地为农业生产服务,具有重要意义。Wrab17(Wheat response to ABA)是一个冷胁迫诱导蛋白,前期工作通过构建叶锈菌侵染早期的小麦SSH文库及ESTs序列分析,筛选到Wrab17基因在不亲和组合接种后早期显著上调表达,初步表明Wrab17基因可能参与了小麦抗叶锈菌侵染过程,这是首次发现Wrab17参与抗病反应。本研究进一步利用RT-PCR技术从接种叶锈菌的小麦叶片中克隆获得了Wrab17基因的CDS区,构建了Wrab17蛋白原核表达载体,并在大肠杆菌中高效表达Wrab17蛋白。利用镍柱亲和层析方法获得了纯度较高的重组蛋白,将融合蛋白纯化后制备其兔抗血清,得到特异性较好的多克隆抗体。为进一步通过Western Blotting技术检测Wrab17在小麦被叶锈菌侵染后不同时间点表达量的变化,明确Wrab17参与小麦抵抗叶锈菌侵染的防卫反应奠定基础。     

叶锈菌诱导的小麦叶片抑制差减杂交文库构建及其分析

 【目的】研究叶锈菌诱导小麦叶片的基因表达情况,从分子水平阐明小麦的抗病机制。【方法】以小麦抗叶锈病近等基因系TcLr41为材料,利用抑制差减杂交技术,构建叶锈菌诱导的小麦叶片cDNA文库,随机挑取文库中的阳性克隆测序,并对测序结果进行功能注释和分类。【结果】成功构建了叶锈菌诱导的小麦叶片抑制差减杂交文库,共获得3 456个阳性克隆。挑取165个阳性克隆进行测序,获得160条高质量EST。对EST序列进行聚类后,共获得107条非重复序列（Unigene）,与GenBank进行BLASTx和BLASTn同源比对,其中70条非重复序列与已知基因同源性很高,占全部非重复序列的65.4%。已知功能的EST涉及植物的能量代谢、信号转导、转录调控及抗病防卫等多方面。【结论】通过对功能已知的基因分析,推测促分裂原活化蛋白激酶（mitogen activated protein kinase）、丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶（serine/threonine protein kinase）、GTP结合蛋白（GTP-binding protein）、钙网蛋白（calreticulin）、过氧化氢酶（catalase）、谷胱甘肽-S-转移酶（glutathione-S-transferase）、多聚泛素基因（polyubiquitin）、锌指蛋白（zinc-finger protein）、肉桂醇脱氢酶（cinnamyl alcohol dehydrogenase）、转脂蛋白（lipid transfer protein）、类甜蛋白（thaumatin-like）、几丁质酶（chitinase）等可能参与了小麦与叶锈菌的非亲和互作过程。     

农杆菌介导瞬时沉默小麦HCP1的研究

【目的】建立农杆菌介导的瞬时沉默小麦HCP1的方法,为简便、快速、高效地研究小麦基因功能提供一种可靠的技术支持。研究HCP1在叶锈菌侵染过程中对H₂O₂的清除作用,为阐明小麦抗叶锈菌侵染中信号转导机制奠定理论基础。【方法】采用农杆菌注射法,将携带有peGFP载体的农杆菌注射到小麦叶片中,观察叶片中荧光强度及分布,分析外源质粒在小麦叶片中的表达情况。通过注射EHA105、LBA4404和C58C1 3种不同的农杆菌菌株,将HCP1的RNAi载体导入小麦叶片细胞中,利用半定量RT-PCR和实时荧光定量PCR检测HCP1瞬时沉默效率,并结合Rohringer染色分析,明确不同农杆菌对寄主叶片侵染能力的强弱,从而筛选出最适的试验菌株。在瞬时沉默的小麦叶片上,接种不亲和叶锈菌小种260,利用DAB染色,观察接种叶锈菌后叶片中H2O2的变化,分析HCP1在小麦与叶锈菌互作过程中的功能。【结果】叶片GFP荧光观察结果说明,在注射农杆菌48 h后GFP开始出现较高表达。RT-PCR和qRT-PCR结果表明,注射C58C1菌株的叶片12 h后,HCP1的表达量开始降低,并持续保持较低的表达量。注射EHA105菌株的叶片,在注射后72-96 h,HCP1的表达量迅速降低。而注射LBA4404菌株的叶片中HCP1的表达量基本没有变化。所以在3种不同农杆菌菌株介导的HCP1 RNAi转化中,沉默效率依次为：C58C1≥EHA105＞LBA4404。注射不同农杆菌菌株叶片的Rohringer染色结果发现,EHA105侵染后引起的HR反应较其他两种菌株明显,说明EHA105对小麦叶片具有较高毒性,会引起叶片产生防卫反应,C58C1菌株在具有较高的沉默效率同时,对叶片的毒性较小,因此选取C58C1作为最适的试验菌株;沉默HCP1的小麦叶片接种叶锈菌小种260后,通过DAB染色发现,接种24 h和48 h后叶锈菌侵染诱发的小麦叶片H₂O₂的分布及积累量均多于对照组。【结论】建立了农杆菌介导的瞬时基因沉默体系,选用C58C1农杆菌菌株作为试验菌株,在处理后72 h可达到沉默目的基因的效果。确定HCP1参与了小麦与叶锈菌互作过程中H₂O₂的清除途径。     

叶锈菌及信号分子诱导小麦TcLr35中β-1,3-葡聚糖酶基因的表达分析

【目的】β-1, 3-葡聚糖酶是一种病程相关（pathogenesis-related,PR）蛋白,了解小麦TcLr35中β-1, 3-葡聚糖酶基因在叶锈菌（Puccinia triticina）与TcLr35小麦互作体系中的表达模式,明确其与TcLr35小麦抗叶锈病相关性,进而探讨PR蛋白介导的小麦成株抗叶锈病的分子机理。【方法】在前期研究基础上,利用生物信息学方法分析已克隆β-1, 3-葡聚糖酶类病程相关蛋白基因TaLr35PR2结构特征,利用半定量RT-PCR方法结合genetools和SPSS软件检测叶锈菌及信号分子诱导后不同时间点该基因表达量,并明确其在小麦根、茎和叶各生长器官及小麦不同生长时期的基因表达模式。【结果】小麦TaLr35PR2含有信号肽,编码定位于液泡的碱性蛋白,蛋白序列与其他物种PR2类蛋白序列具有较高同源性,与普通小麦病程相关蛋白2亲缘关系最近,与水稻病程相关蛋白亲缘关系最远。小麦成株期接种叶锈菌后不同时间点,TaLr35PR2在亲和反应（Thatcher）中表达量变化不大,趋于平缓;而在非亲和反应（TcLr35）中的表达有显著差异,总体上,该基因在非亲和组合中表达量明显高于亲和组合中表达量。检测TaLr35PR2在成株小麦TcLr35各器官中基因表达,该基因在叶片中表达量随接菌时间点延长明显增加,并在接菌后48 h达到表达高峰;而在根中接菌后各时间点均未检测到基因表达;在茎中接菌后48 h开始有少量表达,但表达量变化不大,趋于平缓,总体表达丰度为叶＞茎＞根。在小麦生长发育的不同时期,除1叶期外,该基因在TcLr35和Thatcher中均有表达,Mock（未接菌处理）反应中,TaLr35PR2在小麦不同生长期的表达呈上升趋势;接种叶锈菌后,TaLr35PR2在亲和反应和非亲和反应小麦各生长时期的表达量均高于Mock反应,且在成株期表达稳定。信号分子水杨酸（salicylic acid,SA）、脱落酸（abscisic acid,ABA）均能诱导该基因的表达,信号分子预处理后接种叶锈菌,基因表达量显著上调。【结论】TaLr35PR2的表达受叶锈菌诱导,TaLr35PR2可能参与SA、ABA介导的信号通路,并参与小麦TcLr35成株抗叶锈病防御反应。     

两个中国小麦品种中抗叶锈基因的遗传分析和基因定位

【目的】确定来自四川的两个小麦品种绵阳351-15和SW8588所携带的抗叶锈基因,为选育持久抗锈品种提供理论依据。【方法】在苗期用15个叶锈菌生理小种接种小麦品种绵阳351-15、SW8588和30个含有已知抗叶锈基因的近等基因系,推导2个材料中所含有的抗叶锈病基因,同时以小麦抗叶锈品种绵阳351-15和SW8588分别同感病品种郑州5389杂交获得F1和F2代群体,用叶锈菌小种FHTT接种各亲本及其杂交后代,进行抗叶锈遗传分析,并利用SSR和STS标记进行抗叶锈病基因的分子定位。【结果】经苗期基因推导发现SW8588中含有未知基因不同于已知抗叶锈病基因Lr1,绵阳351-15中可能含有已知抗叶锈病基因Lr1。用叶锈菌小种FHTT接种各F1和F2代群体,2个F2代群体抗感单株分离比例均符合3﹕1的理论分离比例,表明2个亲本对小种FHTT的抗病性均由1个显性基因控制。经过分子标记分析,在小麦材料绵阳351-15中发现该抗叶锈基因与位于5DL的SSR标记barc144和wmc765连锁,其遗传距离分别为8.9和20.8 cM,并同Lr1的STS标记WR003共分离,确定在小麦材料绵阳351-15中对小种FHTT的抗病性由抗叶锈基因Lr1提供;经分子标记检测SW8588中含有1对显性的抗叶锈病基因,暂命名为LrSW85,该基因位于5DL染色体上与Lr1的STS标记WR003共分离,该抗叶锈基因可能是Lr1的等位基因或紧密连锁基因。【结论】通过基因推导、遗传分析和分子标记等手段,确定小麦材料绵阳351-15中含有抗叶锈基因Lr1;小麦材料SW8588中含有抗叶锈基因LrSW85,该基因可能为Lr1的等位基因或紧密连锁基因。     

异三聚体G蛋白在UV-B诱导拟南芥气孔关闭中的作用

【目的】了解异三聚体G蛋白在紫外线B（UV-B）辐射诱导气孔关闭中的作用,为进一步阐明植物细胞转导UV-B辐射信号的机制提供依据。【方法】以拟南芥（Arabidopsis thaliana）野生型、G蛋白α亚基基因缺失突变体及其超表达株系和组成活化型株系为材料,并结合药理学试验,通过气孔开度分析确定G蛋白在0.5 W•m-2 UV-B辐射诱导拟南芥叶片气孔关闭中的作用。【结果】细菌毒素试验表明,G蛋白抑制剂百日咳毒素（PTX）能显著抑制UV-B诱导的气孔关闭,而其活化剂霍乱毒素（CTX）能模拟UV-B的作用诱导可见光下叶片气孔关闭。遗传学试验显示,UV-B不能诱导异三聚体G蛋白α亚基GPA1功能缺失突变体gpa1-1和gpa1-2的气孔关闭,却能诱导其超表达株系wGα和组成活化型株系cGα的气孔关闭,且cGα在可见光下气孔开度明显小于野生型,在UV-B辐射初期其气孔关闭速度明显快于野生型。【结论】异三聚体G蛋白α亚基参与了UV-B辐射诱导拟南芥叶片气孔关闭的信号转导过程。     

小麦叶锈菌与TcLr19非亲和互作cDNA文库的EST分析

 【目的】建立小麦叶锈菌与小麦非亲和互作的基因表达数据库,为从分子水平阐明小麦抗叶锈病机制奠定基础。【方法】对叶锈菌诱导的TcLr19小麦叶片cDNA文库随机测序,利用BLASTx对所得序列进行功能注释,按照Bevan的植物基因功能分类标准进行分类。采用RT-PCR技术,以Actin为参照,对2条信号转导相关基因和3条抗病与防御相关基因进行表达分析。【结果】随机对cDNA文库中756个阳性克隆测序,获得649条高质量EST。对EST序列聚类拼接获得472条非重复序列(Unisequence)。功能分类结果表明,25.2%为未知功能蛋白,21.0%与能量代谢基因相关,17.8%与抗病防御基因及信号转导基因相关,其余EST分别与转录、转运、蛋白代谢等功能基因相关。RT-PCR分析结果表明同一基因在叶锈菌侵染后不同时间点的小麦叶片中表达量不一致,且各基因有不同的表达模式。【结论】推测钙转运ATP酶,谷胱甘肽-S-转移酶,蛋白激酶Pti1,NBS-LRR抗病蛋白和分子伴侣DnaJ等参与了小麦与叶锈菌的非亲和互作过程。该cDNA文库可用于了解小麦与叶锈菌非亲和互作过程中的功能基因,为建立研究病原菌基因及小麦抗病基因数据库奠定基础。     

利用农杆菌介导法快速鉴定小麦病程相关蛋白基因TaPR1的功能

本研究拟采用农杆菌瞬时表达体系,在小麦叶片中快速表达目的基因,以鉴定其在小麦抗叶锈病防御反应中的功能。在前期研究基础上,将已克隆获得的小麦病程相关蛋白基因TaPR1构建到小麦过表达载体pLGY-02,转化农杆菌菌株GV3101。然后以感病小麦品种‘金禾9123’为试材,将携带pLGY-02-TaPR1重组质粒的农杆菌GV3101注射到小麦叶片中,以空载体pLGY-02为对照。3 d后接种叶锈菌,14 d后观察小麦叶片表型。同时,在接菌后24、36、48 h时分别采集小麦叶片材料,利用DAB组织化学染色法,监测接种叶锈菌后叶片中H_2O_2的变化,并通过组织病理学显微观察,快速验证TaPR1在小麦与锈菌互作过程中的功能。结果发现,注射重组质粒pLGY-02-TaPR1的叶片发病程度、叶片孢子堆数均轻于、少于对照组叶片,且发病滞后;DAB组织化学染色结果表明,TaPR1表达量增加使得H_2O_2的清除在一定程度上受到抑制,小麦叶片中H_2O_2的分布与积累量均显著多于对照组叶片,说明TaPR1对小麦叶锈菌的致病性具有抑制作用,即TaPR1基因参与了小麦抗叶锈病防御反应。本研究成功构建了能在小麦中瞬时表达的重组载体pLGY-02-TaPR1,并建立了农杆菌介导的在小麦叶片细胞中高效表达外源基因的转化体系,为利用瞬时表达法验证小麦抗性基因功能奠定了基础。     

巨麦6号抗叶锈病基因的推导和分子定位

巨麦6号在田间表现出很好的抗叶锈性,鉴定其抗叶锈病基因对小麦抗叶锈病育种具有重要意义。在小麦苗期对36个含有已知抗叶锈病基因的对照品种和巨麦6号接种15个中国小麦叶锈菌小种进行抗叶锈病鉴定,推导巨麦6号中可能含有的抗叶锈病基因。以巨麦6号为抗病亲本与感病品种郑州5389进行杂交、自交获得F1、F2代群体,苗期利用叶锈菌小种FHBQ接种F2代群体进行抗叶锈病遗传分析。结果表明,巨麦6号中可能含有已知抗叶锈病基因Lr1,其抗叶锈性由1对显性的抗病基因控制。利用与Lr1共分离的STS标记WR003进一步检测F2单株DNA,结果显示,该标记与抗叶锈病基因共分离,进一步证实巨麦6号携带已知抗叶锈病基因Lr1。     

小麦品系西农1163-4抗叶锈病基因的遗传分析和分子作图#br#

【目的】小麦品系西农1163-4高抗小麦叶锈、条锈和白粉病,综合农艺性状良好。明确该小麦品系中所含的抗叶锈病基因及遗传特点,找到与其紧密连锁的分子标记,有利于抗病基因利用和培育抗病新品种。【方法】将西农1163-4与感病品种Thatcher杂交,获得F1、F2代群体,利用中国叶锈菌优势小种THTT进行苗期抗性鉴定和抗性遗传分析;采用SSR技术对西农1163-4所携带的抗叶锈基因进行分子标记研究,共筛选了1 273对SSR引物。【结果】小麦品系西农1163-4对多个叶锈菌小种具有良好的抗病性,对THTT的抗性是由1个显性基因控制,该基因暂命名为LrXi。获得了与LrXi紧密连锁的3个微卫星分子标记Xbarc8、Xgwm582、Xwmc269和1个STS标记(ω-secali/Glu-B3),将LrXi定位于小麦1BL染色体上。距离最近的2个微卫星位点是Xgwm582、Xbarc8,与抗叶锈基因间的遗传距离分别为2.3 cM和3.2 cM。【结论】LrXi位于1BL染色体,抗叶锈表现不同于所有已知抗叶锈病基因,该基因的发现将有利于丰富中国抗叶锈病基因资源,为培育持久抗病品种奠定基础。     

小麦与条锈菌亲和互作的差减文库构建及初步分析

 【目的】构建小麦与条锈菌亲和互作的差减文库,分离条锈菌侵染小麦过程中的差异表达基因。【方法】以小麦品种水源11和条锈菌相应毒性小种CY31号为材料,构建条锈菌侵染阶段的SSH-cDNA文库,挑选250个阳性克隆测序并进行生物信息学分析。【结果】聚类后得到149条非冗余EST（unigene）。经Blast X比对和功能分类分析,其中50条unigene（33.6%）未找到同源性匹配,25条（16.8%）与未知功能蛋白同源性较高;其余74条功能已知的unigene中,与初级代谢、能量相关的基因分别有13条和10个,占8.7%和6.7%,感病及防御相关的基因有6个约占4.0%;此外,获得两个与病原菌有较高同源性的基因。随后,进一步利用RT-PCR对6个基因的表达模式进行了分析。【结论】成功构建了小麦与条锈菌亲和互作的差减文库,分离出一部分与小麦条锈病发病相关的基因,可用于进一步研究条锈菌侵染过程中特异基因的功能。     

小麦与叶锈菌互作过程中LRRs类基因在转录水平的表达分析

本试验以小麦近等基因系TcLr26和Thatcher分别与叶锈菌生理小种260组成不亲和及亲和组合,基于RNA-Seq高通量测序数据库,通过基因表达差异分析,筛选了6个在接种后较0h表达明显变化的属于LRRs类基因的Unigenes,利用实时定量PCR(RT-qPCR)技术对这6个LRRs类基因在接种叶锈菌后的表达进行了分析,为深入研究这些LRRs类蛋白在小麦抗叶锈菌侵染过程中的作用机制奠定了重要试验基础。     

10个小麦新品种（系）抗小麦叶锈性评价

 【目的】明确小麦新品种（系）河农5290、河农58-3、河农825、河农826、河农827、河农6049、河农6251、河农6425、河农7106和河农9206的抗叶锈性,确定其应用潜力,为合理推广使用这些品种（系）提供依据。【方法】采用16个具有鉴别能力的小麦叶锈菌株对测试的10个材料进行苗期抗性鉴定和基因推导;选用其中6个菌株对其进行田间成株期抗叶锈性鉴定和基因推导,同时,结合使用已报道的15个抗叶锈病基因稳定的分子标记对测试材料进行抗叶锈基因的分子检测。【结果】河农6425和河农9206含有抗病基因Lr1和Lr26,河农825、河农826、河农827、河农6049和河农6251含有Lr26。河农58-3、河农5290、河农6251和河农825对大部分供试菌株表现抗性,可能含有测试基因以外的或未知抗叶锈基因。【结论】河农58-3、河农5290和河农6251具有抗叶锈病应用潜力。     

抗条锈病小麦品系Taichuang29*6/Yr5接种条锈菌CY32后的蛋白质组学分析

 【目的】了解抗条锈小麦受条锈菌侵染后的蛋白表达变化情况,采用比较蛋白质组学技术鉴定接种条锈菌小种CY32后的抗条锈小麦品系 Taichuang29*6/Yr5和同时期未接种对照之间的差异蛋白。【方法】提取接种48 h和同期未接种小麦的叶片蛋白,进行双向电泳分离和分析,选取差异显著的蛋白点进行MALDI-TOF质谱分析及数据库搜索鉴定。【结果】发现13个体积百分比变化大于1.5倍,符合t检验（P＜0.05）的显著差异蛋白点,通过MALDI-TOF MS获得了这些差异蛋白点的肽指纹图谱,经数据库搜索,共鉴定出11个蛋白,包括Pathogenesis-related homeodomain protein,beta-glucosidase,glutathione transferase等。【结论】经蛋白质功能分析,推测小麦叶片中这些差异蛋白可能与条锈菌小种CY32的侵染有关。     

小麦过氧化物还原酶基因TaPrx的克隆与功能初步分析

 【目的】克隆TaPrx基因并对其在小麦与条锈菌互作中的功能进行初步分析。【方法】利用PCR方法结合RACE技术在cDNA文库中筛选得到TaPrx基因的全长序列并进行生物信息学分析,然后克隆至pET-32a(+),转化E.coliBL21(DE3)后用IPTG进行诱导表达。通过Real-time RT-PCR进行表达模式分析。【结果】得到TaPrx基因的全长序列688 bp,ORF489 bp,编码162个氨基酸残基,分子量17.36 kD,等电点5.32,含一个保守的半胱氨酸残基（Cys）,不含信号肽及跨膜结构域,亚细胞定位94%的可能性在细胞质。TaPrx融合蛋白分子量38 kD,最佳IPTG诱导浓度0.05 mmol?L-1,20℃诱导20 h可得到最大量的融合蛋白。Real-time RT-PCR分析表明TaPrx基因在小麦与条锈菌的亲和与非亲和互作中均受诱导表达,分别在接种后24 h、18 h达到表达高峰。【结论】获得了TaPrx基因特异性的多克隆抗体;TaPrx基因受条锈菌诱导表达,可能参与了小麦与条锈菌互作。但是否参与了小麦受条锈菌侵染后产生的ROS的清除与调节仍需进一步验证。